并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應及反孤島策略課件_第1頁
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文檔簡介

項目三光伏發(fā)電系統(tǒng)

——2

孤島效應及反孤島策略

《太陽能光伏發(fā)電及其逆變控制》項目三光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1孤島效應的基本問題

相對于離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)而言,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在運行時具有較高的光伏電能利用率,然而由于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)直接將光伏陣列發(fā)出的電能逆變后饋送到電網(wǎng),因此在工作時必須滿足并網(wǎng)的技術要求,以確保系統(tǒng)安裝者的安全以及電網(wǎng)的可靠運行。對于通常系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)的功率器件過電流、功率器件過熱、電網(wǎng)過/欠電壓等故障狀態(tài),比較容易通過硬件電路與軟件配合進行檢測、識別并處理。但對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)來說,還應考慮一種特殊故障狀態(tài)下的應對方案,這種特殊故障狀態(tài)就是所謂的孤島效應。2.1孤島效應的基本問題

相對于離網(wǎng)孤島效應的發(fā)生會給系統(tǒng)設備和相關人員帶來如下危害:

1)孤島效應使電壓及其頻率失去控制,如果分布式發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電裝置沒有電壓和頻率的調(diào)節(jié)能力,且沒有電壓和頻率保護繼電器來限制電壓和頻率的偏移,孤島系統(tǒng)中的電壓和頻率將會發(fā)生較大的波動,從而對電網(wǎng)和用戶設備造成損壞。

2)孤島系統(tǒng)被重新接入電網(wǎng)時,由于重合W時系統(tǒng)中的分布式發(fā)電裝置可能與電網(wǎng)不同步而使電路斷路器裝置受到損壞,并且可能產(chǎn)生很高的沖擊電流,從而損害孤島系統(tǒng)中的分布式發(fā)電裝置,甚至導致電網(wǎng)重新跳閘。

3)孤島效應可能導致故障不能清除(如接地故障或相間短路故障),從而可能導致電網(wǎng)設備的損害,并且干擾電網(wǎng)正常供電系統(tǒng)的自動或手動恢復。

4)孤島效應使得一些被認為已經(jīng)與所有電源斷開的線路帶電,這會給相關人員(如電網(wǎng)維修人員和用戶)帶來電擊的危險。

由上可知,當主電網(wǎng)跳閘時,分布式發(fā)電裝置.的孤島運行將對用戶以及配電設備造成嚴重損害,因此在包括并網(wǎng)光伏發(fā)電等系統(tǒng)在內(nèi)的分布式發(fā)電系統(tǒng)中,并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備反孤島保護的功能,即具有檢測孤島效應并及時與電網(wǎng)切離的功能。

孤島效應的發(fā)生會給系統(tǒng)設備和相關人員帶來如下危害:

2.1.1.1孤島效應發(fā)生的機理

下面以典型的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)為例分析其孤島效應發(fā)生的機理,闡述孤島效應發(fā)生的必要條件。2.1.1孤島效應的發(fā)生與檢測

圖是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率流圖,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列和逆變器組成,該發(fā)電系統(tǒng)通常通過一臺變壓器(可能安裝在逆變器外或不安裝)和斷路器QF連接到電網(wǎng)。當電網(wǎng)正常運行時,假設圖7-2系統(tǒng)中的逆變器工作于單位功率因數(shù)正弦波控制模式,而相關的局部負載用并聯(lián)RLC電路來模擬,并且假設逆變器向負載提供的有功功率、無功功率分別為P、Q,電網(wǎng)向負載提供的有功功率、無功功率分別為AP、AQ,負載需求的有功功率、無功功率為Pload、Qload。2.1.1.1孤島效應發(fā)生的機理2.1.1孤島效應的發(fā)生與檢

根據(jù)能量守恒定律,公共連接點(PointofCommonCoupling,PCC)處的功率流具有以下規(guī)律:

Pbad=P+AP

(7-1)

Qload=Q+AQ

當電網(wǎng)斷電時,通常情況下,由于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和負載功率之間的巨大差異會引起系統(tǒng)的電壓和頻率的較大變化,因而通過對系統(tǒng)電壓和頻率的檢測,可以很容易地檢測到孤島效應。但是如果逆變器提供的功率與負載需求的功率相匹配,那么當線路維修或故障而導致網(wǎng)側(cè)斷路器QF跳閘時,公共連接點(PCC)處電壓和頻率的變化很小,很難通過對系統(tǒng)電壓和頻率的檢測來判斷孤島的發(fā)生,這樣逆變器可能繼續(xù)向負載供電,從而形成由并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和周圍負載構(gòu)成的一個自給供電的孤島發(fā)電系統(tǒng)。

從以上分析可以看出,并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應發(fā)生的必要條件是:1)發(fā)電裝置提供的有功功率與負載的有功功率相匹配;2)發(fā)電裝置提供的無功功率與負載的無功功率相匹配,即滿足相位平衡關系。根據(jù)能量守恒定律,公共連接點(PointofCo2.1.1.2孤島效應的檢測

了解島效應發(fā)生的機理后,重要的是要能夠及時而有效地檢測出孤島效應,即1)必須能夠檢測出不同形式的孤島系統(tǒng),每個孤島系統(tǒng)可能由不同的負載和分布式發(fā)電裝置(如光伏發(fā)電、風力發(fā)電等)組成,其運行狀況可能存在很大差異。一個可靠的反孤島方案必須能夠檢測出所有吋能的孤島系統(tǒng)。2)必須在規(guī)定時間內(nèi)檢測到孤島效應。這主要是為了防止并網(wǎng)發(fā)電裝置不同步的重合閘??諝忾_關通常在0.5~Is的延遲后重新合上,反孤島方案必須在重合閘發(fā)生之前使并網(wǎng)發(fā)電裝置停止運行。2.1.1.2孤島效應的檢測

了解島效應發(fā)生的機理后2.1.2孤島效應發(fā)生的可能性與危險性

孤島效應的發(fā)生可能會帶來一系列危害,其中給相關人員帶來的電擊危險應當是最嚴重的,因此這里提到的危險性主要是指孤島效應產(chǎn)生電擊的危險性。

2.1.2.1可能性分析

對孤島效應發(fā)生的可能性認識常存在兩種極端:一方面,孤島效應被認為是可能性很小的事件,不需要特別考慮;另一方面,僅理論上的分析都足以使人們對孤島效應發(fā)生的可能性引起重視。實際上,孤島效應發(fā)生的可能性介于兩種極端觀點之間。研究孤島效應發(fā)生可能性的主要困難是缺少孤島效應發(fā)生的頻率、持續(xù)時間以及發(fā)生時帶來危險的實際數(shù)據(jù),并且關于孤島效應的討論不少還是基于個人的“感覺”或“直覺”。

針對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應,荷蘭相應的研究機構(gòu)曾做過深人的研究,并提供了配電網(wǎng)中孤島效應發(fā)生的頻率以及持續(xù)時間的實際數(shù)據(jù)[3]。該項研究是通過測量安裝有并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型居民區(qū)的負荷情況來進行的,并在兩年中連續(xù)測量了每一秒鐘負載需求的有功功率和無功功率,同時將相關數(shù)據(jù)存儲在計算機內(nèi)用于離線分析,由于電網(wǎng)負載和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)提供的功率之間存在直接相關性,因而離線分析是可行的。通過對安裝有并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型居民區(qū)的孤島效應研究得出了以下結(jié)論:2.1.2孤島效應發(fā)生的可能性與危險性

孤島效應的發(fā)

1)如果電網(wǎng)中并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠提供的最大功率約為夜間最小負載的2~3倍,那么負載與并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率匹配的狀況就不會發(fā)生;

2)如果每個住戶所安裝的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率不超過400W,功率匹配狀況也不會發(fā)生;

3)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量不會顯著影響功率匹配狀況發(fā)生的頻率和時間;

4)無論并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量在總發(fā)電量中的比例高低,功率匹配狀況發(fā)生的可能性都非常??;

5)功率匹配狀況發(fā)生的可能性與連接到饋電線上的住戶的數(shù)域無關;

6)低壓電網(wǎng)中功率匹配狀況發(fā)生的可能性小于10_6 ~丨0_5次/年;

7)功率匹配同時電網(wǎng)供電中斷的可能性即孤島效應發(fā)生的可能性幾乎為0。

以上研究結(jié)論表明:并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中功率匹配狀況發(fā)生的可能性非常小,而孤島效應發(fā)生的可能性幾乎為0。

雖然荷蘭相關機構(gòu)在對某個典型居民區(qū)孤島效應的研究中得出了孤島效應發(fā)生的可能性幾乎為0的結(jié)論,但是畢竟研究的范圍有限,也不能滿足未來發(fā)展的要求,因此孤島效應作為一個技術問題,必須對其危險性有足夠的重視,并采用適當?shù)姆桨竵砑右苑乐够蚶谩?/p>

1)如果電網(wǎng)中并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠提供的最大2.1.2.2危險性分析

孤島效應一旦發(fā)生將帶來具有以下不利影響的危險性,即1)孤島效應引起的重合閘問題2)孤島效應對正常供電的自動或手動恢復產(chǎn)生的干擾3)孤島效應給相關人員帶來電擊的危險

針對上述危害,雖然已研究出多種反孤島方案,但這些方案仍然有以下局限性:1.執(zhí)行成本髙;2.需要光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào);3.易誤檢測(誤跳閘);4.在某些情況下具有不可檢測性;5.降低電網(wǎng)供電質(zhì)量以及電壓和頻率的穩(wěn)定性。2.1.2.2危險性分析

孤島效應一旦發(fā)生將帶來具有以下不

總結(jié)以上分析,只有在下列事件都發(fā)生的情況下,孤島效應才會產(chǎn)生危險:

1.電網(wǎng)因故障或維修等原因而造成供電中斷;

2.發(fā)電裝置的輸出(有功和無功)與孤島系統(tǒng)中的負載需求非常匹配;

3.當孤島系統(tǒng)的工作狀況在反孤島方案的NDZ以內(nèi),此時發(fā)電裝置無法檢測到孤島效應即檢測失?。?/p>

4.工作人員接觸了與并網(wǎng)系統(tǒng)相連的不絕緣的帶電導體。

在考慮了以上4個因素的基礎上,英國的一項研究計算出了孤島效應產(chǎn)生電擊對人身傷害的總危險性水平,相關的研究結(jié)果可以歸納如下:

1.當電網(wǎng)中發(fā)電裝置相對負載來說輸出功率較低,即輸出功率小于平均最大需求功率的30%時,功率匹配的可能性幾乎為0;然而當發(fā)電裝置輸出功率相對增加時,功率匹配的可能性隨之增加。

2.利用英國關于電網(wǎng)跳闡、發(fā)電裝置輸出功率高等情況發(fā)生的可能性的數(shù)據(jù),以及對并網(wǎng)逆變器反孤島能力的合理假設,孤島效應造成電擊的總危險性約為10_9次/年,而英國一般電擊發(fā)生的危險性約為1(T6次/年,顯然前者比后者要小得多。

可見由孤島效應造成的電擊危險,即使是在并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸出功率很髙時,只要正確處理,也不會增加本身就存在的電擊危險。實際應用中應盡量避免選擇理論上不可檢測區(qū)小但可靠性低的反孤島方案??偨Y(jié)以上分析,只有在下列事件都發(fā)生的情況下,孤島效應2.1.3并網(wǎng)逆變器發(fā)生孤島效應時的理論分析

2.1.3.1并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)

逆變器并網(wǎng)運行時,輸出電壓由電網(wǎng)電壓鉗位,逆變器所能控制的只是輸人電網(wǎng)的電流。其中,并網(wǎng)電流的頻率和相位應與電網(wǎng)電壓的相同,而幅值是根據(jù)實際系統(tǒng)的控制來決定的。2.1.3.2反孤島測試電路中的負栽品質(zhì)因數(shù)1.負載品質(zhì)因數(shù)Qf的定義2.1.3并網(wǎng)逆變器發(fā)生孤島效應時的理論分析

2.1.3.2.負載品質(zhì)因數(shù)Qf的確定

將并聯(lián)RLC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Qf與負載電路的位移功率因數(shù)(Displace-mentPowerFactor,DPF)聯(lián)系起來將更有利于反孤島測試中對負載品質(zhì)因數(shù)(>f

的確定,那么負載品質(zhì)因數(shù)Qf與位移功率因數(shù)(DPF)究竟有何關系呢?

為了便于定量分析,首先做下列假設[5]:

1.假設負載電路中不含補償功率因數(shù)的電容,并a已知負載電路消耗的有功功率和負載電路的功率因數(shù),由這兩個數(shù)據(jù)和電網(wǎng)電壓及頻率,可以計算出負載電路中的電阻和電感L;

2.假設并上的無功補償電容剛好使負載電路的功率因數(shù)為1。這種假設是合理的,因為負載電路的功率因數(shù)等于1意味著負載電路的諧振頻率等于電網(wǎng)頻率,而這是反孤島保護所面臨的最嚴重情況(任何其他的諧振頻率都將有助于而不是有礙于反孤島保護),此時A和C將有一個固定的關系。

2.1.3.3有功功率和無功功率的不匹配分析1.孤島時系統(tǒng)的功率流圖及相關分析2.孤島時系統(tǒng)的功率匹配分析2.負載品質(zhì)因數(shù)Qf的確定

將并聯(lián)RLC諧振電路的品2.1.4孤島效應的檢測標準與研究狀況

由于一系列技術和經(jīng)濟障礙,使得近些年對孤島效應的利用是不可能推廣的,這主要是因為對于孤島效應的利用需要對系統(tǒng)進行滿足孤島安全運行模式的重新設計,于是現(xiàn)階段還是要求必須及時檢測并禁止孤島效應的發(fā)生。國際上先后制定的并網(wǎng)技術標準如UL1741[6]、IEEEStd.929⑴和IEEEStd.1547.l7]等都規(guī)定了并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具有反孤島保護功能,并設計出具體的反孤島測試電路和測試方法。

近年來,關于孤島效應的研究主要集中于以下幾個方面:1.孤島效應的機理研究;2.反孤島策略的研究;3.反孤島策略的有效性評估;4.并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置的反孤島測試;5.孤島效應的利用。2.1.4孤島效應的檢測標準與研究狀況

由于一系列技2.1.5并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的反孤島測試

為了驗證實際中反孤島方案的有效性,必須對并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置進行反孤島測試,以驗證并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置是否能夠在規(guī)定的時間內(nèi)檢測到孤島效應,并停止運行。本傳根據(jù)IEC62116Edition1_0的標準,介紹了基于并網(wǎng)逆變器的反孤島測試電路,并詳述了孤島測試的步驟及測試判據(jù)。1.反孤島測試電路組成2.測試要求3.具體測試步驟2.1.5并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的反孤島測試

為了驗證實際中反2.2基于并網(wǎng)逆變器的被動式反孤島策略

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中,基于并網(wǎng)逆變器的反孤島策略主要分為兩類:第一類稱為被動式反孤島策略,如不正常的電壓和頻率、相位監(jiān)視和諧波監(jiān)視等;第二類稱為主動式反孤島策略,如頻率偏移和輸出功率擾動等。第-類方法只能在電源一負載不匹配程度較大時才能有效,在其他情況(例如逆變器輸出負載并聯(lián)電容)下可能會導致將孤島檢測的失效。第二類方法如頻率偏移法,則是通過在控制信號中人為注入擾動成分,從而使得頻率或者相位偏移,這類主動式方法雖然使系統(tǒng)的反孤島能力得到了加強,但仍然存在不可檢測區(qū),即當電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時,系統(tǒng)無法檢測到孤島的存在。本節(jié)及下一節(jié)主要將介紹并網(wǎng)逆變器的被動與主動兩種反孤島策略。

2.2.1過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略1.過/欠電壓反孤島策略(OVP/UVP)2.過/欠頻率反孤島策略(OFP/UFP)2.2基于并網(wǎng)逆變器的被動式反孤島策略

在并網(wǎng)光伏發(fā)3.優(yōu)缺點

過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略的作用不只限于檢測孤島效應,還可以用來保護用戶設備,并且其他產(chǎn)生異常電壓或頻率的反孤島方案也依靠過/欠電壓、過/欠頻率保護方案來觸發(fā)并網(wǎng)逆變器停止工作;它是孤島效應檢測的一個低成本選擇,而成本對并網(wǎng)光伏逆變器的推廣應用是很重要的;由于是被動式反孤島策略,因此IK常并網(wǎng)運行時,逆變器不會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量;多臺并網(wǎng)逆變器運行時,不會產(chǎn)生稀釋效應。從過/欠電壓、過/欠頻率保護檢測孤島效應的方面出發(fā),此反孤島策略的NDZ相對較大,并且這種方案的反應時間是不可預測的。

2.2.2基于相位跳變的反孤島策略1.基本原理相位跳變反孤島策略是通過監(jiān)控并網(wǎng)逆變器端電壓與輸出電流之間的相位差來檢測孤島效應的一種被動式反孤島策略[22]。3.優(yōu)缺點

過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略的作用不2.優(yōu)缺點

相位跳變方案的主要優(yōu)點是容易實現(xiàn),由于并網(wǎng)逆變器本身就需要鎖相環(huán)用于同步,執(zhí)行該方案只需增加在。,與\間的相位差超出閾值時使逆變器停土工作的功能就可以了;作為被動式反孤島方案,相位跳變不會影響并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量,也不會干擾系統(tǒng)的哲態(tài)響應;和其他被動式方案一樣,在系統(tǒng)連接有多臺并網(wǎng)逆變器時,不會產(chǎn)生稀釋效應。

但該方案很難選擇不會導致誤動作的閾值。一些特定負載的啟動,尤其是電動機的起動過程經(jīng)常產(chǎn)生相當大的暫態(tài)相位跳變,如果閾值設置的太低,將導致并網(wǎng)逆變器的誤跳閘,并且相位跳變的閾值可能要根據(jù)安裝地點而改變,這也給實際應用帶來不便。

2.2.3基于電壓諧波檢測的反孤島策略1.工作原理[23’24]

電壓諧波檢測反孤島策略是通過監(jiān)控并網(wǎng)逆變器輸出端電壓諧波失真來檢測孤島效應的一種被動式反孤島策略。

當電網(wǎng)連接時,電網(wǎng)可以看作為一個很大的電壓源,并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生的諧波電流將流人低阻抗的電網(wǎng),這些很小的諧波電流與低值的電網(wǎng)阻抗在并網(wǎng)逆變器輸出端處的電壓響應Ua僅含有非常小的諧波(THD?0)。

2.優(yōu)缺點

相位跳變方案的主要優(yōu)點是容易實現(xiàn),由于并2.優(yōu)缺點

理論上,電壓諧波檢測反孤島策略能在很大范圍內(nèi)檢測孤島效應;在系統(tǒng)連接有多臺逆變器的情況下不會產(chǎn)生稀釋效應;即使在功率匹配的情況下,也能檢測到孤島效應;作為被動式反孤島方案,不會影響并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量,也不會干擾系統(tǒng)的暫態(tài)響應。

然而和相位跳變反孤島策略一樣,電壓諧波檢測反孤島策略也存在閾值的選擇問題。并網(wǎng)專用標準如IEEEStd.929要求并網(wǎng)光伏逆變器輸出電流的THD小于額定電流的5%,通常為留有裕量,設計并網(wǎng)逆變器時允許的THD比標準要求的更低=但是如果局部非線性負載很大,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓諧波可能大于5%,并且失真的大小隨非線性負載的接人和切離而迅速改變,這樣就很難選擇閾值,既要考慮并網(wǎng)逆變器輸出電流諧波相對低的要求,乂要使得閾值大于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中可能允許出現(xiàn)的電壓THD;另一個實際的問題是:當前的并網(wǎng)標準規(guī)定反孤島測試電路使用線性K/X負載來代表局部負載,忽略了可能提高孤島系統(tǒng)中電壓THD的非線性負載的影響,因此電壓諧波檢測方案還不能廣泛應用。

2.優(yōu)缺點

理論上,電壓諧波檢測反孤島策略能在很大范2.3基于并網(wǎng)逆變器的主動式反孤島策略

以上討論了幾類被動式反孤島策略,主要包括:過/欠電壓(OVP/UVP)和過/欠頻率(OFP/UFP)反孤島策略、相位突變反孤島策略以及電壓諧波檢測反孤島等方案。其中,相位突變反孤島策略以及電壓諧波檢測反孤島方案由于孤島檢測的閾值難以確定,因而較少應用,而過/欠電壓(OVP/UVP)和過/欠頻率(OFP/UFP)反孤島策略則應用較多,徂通過實驗與仿真分析可知,這兩種反孤島策略具有較大的NDZ,即在某些情況下無法檢測孤島的發(fā)生,為了減小甚至消除NDZ,研究人員提出了多種主動式反孤島策略方案。本節(jié)主要介紹的主動式反孤島策略方案有頻移法、功率擾動法和阻抗測量法,以下分類介紹。

2.3.1頻移法2.3.1.1主動頻移反孤島策略一AFD方案原理及優(yōu)缺點2.3.1.2基于正反饋的主動頓移——Sandia頻移方案[22]原理及優(yōu)缺點2.3.1.3滑模頻率偏移法原理及優(yōu)缺點2.3基于并網(wǎng)逆變器的主動式反孤島策略

以上討論了幾2.3.2基于功率擾動的反孤島策略

2.3.2.1基于有功功率擾動的反孤島策略工作原理及優(yōu)缺點

2.3.2.2基于無功功率擾動的反孤島策略工作原理及優(yōu)缺點

2.3.3阻抗測量方案

在并網(wǎng)系統(tǒng)中,當電網(wǎng)連接時,電網(wǎng)可以看做一個很大的電壓源,此時公共耦合點處的阻抗很低;而當電網(wǎng)斷開時,在公共耦合點處測得的即為負載阻抗,通常都遠大于電網(wǎng)連接時的阻抗。顯然,可以通過測量公共耦合點處電路阻抗的變化來檢測孤島效應。

暫態(tài)測量法的主要特點就是可以快速得到測it結(jié)果,這一點比較符合孤島檢測的要求。但是這一方案對采樣環(huán)節(jié)和數(shù)字處理環(huán)節(jié)的要求比較高,這對于常規(guī)的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)將很難實現(xiàn)。

總體來說,阻抗測量法雖然可以很好防止孤島的發(fā)生,但還存在以下缺點:持續(xù)地輸人擾動會影響電網(wǎng)質(zhì)量(但如果擾動諧波的頻率選為電網(wǎng)頻率,可以減小對電網(wǎng)質(zhì)量的影響);對于弱電網(wǎng)或者電網(wǎng)本身波動較大的情況,很難實現(xiàn)電網(wǎng)阻抗監(jiān)測;當多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運行時,其檢測信號會相互干擾,從而使得阻抗估算錯誤。2.3.2基于功率擾動的反孤島策略

2.3.2.12.4不可檢測區(qū)域(NDZ)與反孤島策略的有效性評估

反孤島保護是并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備的功能。然而幾乎所冇的反孤島方案都存在檢測失敗的情況,即不可檢測區(qū)域(Non-DetectionZone,NDZ),這些檢測失敗的情況包括功宇?匹配狀況以及一些特殊負載等。為此,應通過理論分析尋找孤島檢測失敗的原因,并進行適當?shù)目偨Y(jié),以評估不同孤島檢測算法的適用范圍和影響不可檢測區(qū)域(NDZ)的相關因素,從而提高孤島檢測的有效性。

2.4.1基于△Px△Q坐標系孤島檢測的有效性評估[15]

2.4.1.1△Px△Q坐標系中孤島檢測的NDZ

2.4.1.2△Px△Q坐標系中電路的功率流及不匹配功率的影響14]2.4.1.3△Px△Q坐標系中孤島檢測的NDZ邊界2.4不可檢測區(qū)域(NDZ)與反孤島策略的有效性評估

2.4.2基于LxCnorm坐標系孤島檢測的有效性評估[11]

2.4.2.1LxCnorm坐標系及其孤島檢測的相位判據(jù)2.4.2.2LxCnorm坐標系中孤島檢測的NDZ邊界1.過/欠頻率孤島檢測的NDZ邊界2.相位跳變孤島檢測的NDZ邊界3.滑模頻移孤島檢測的NDZ邊界4.主動式頻移方案的NDZ邊界5.Sandia頻移方案的NDZ邊界2.4.2基于LxCnorm坐標系孤島檢測的有效性評估2.4.3基于負載特征參數(shù)Qf×f0坐標系的有效性評估

2.4.3.1Qf×f0坐標系及其孤島檢測的相位判據(jù)

2.4.3.2Qf×f0坐標系屮孤島檢測的NDZ邊界

1.過/欠頻率保護方案的NDZ邊界

2.過/欠頻率保護方案的NDZ邊界

3.滑模頻移方案的NDZ邊界

4.主動式頻移方案的NDZ邊界

5.Sandia頻移方案的NDZ邊界

2.4.3基于負載特征參數(shù)Qf×f0坐標系的有效性評估2.4.4基于負載特征參數(shù)Qf0XCnorm坐標系的有效性評估

2.4.4.1Qf0XCnorm坐標系及其孤島檢測的相位判據(jù)

2.4.4.2Qf0XCnorm坐標系中孤島檢測的NDZ分析

1.過/欠頻率方案的NDZ分析

2.相位跳變方案的NDZ分析

3.主動式頻移(AFD)方案的NDZ分析

4.

Sandia頻移(AFDPF)方案的NDZ分析

5.滑模頻移(SMS)方案的NDZ分析2.4.4基于負載特征參數(shù)Qf0XCnorm坐標系的有2.5多逆變器并聯(lián)運行時的孤島檢測分析

目前光伏逆變器的反孤島研究主要集中于針對單臺逆變器的檢測算法與參數(shù)優(yōu)化,而實際中常常出現(xiàn)的是系統(tǒng)連接有多臺并網(wǎng)逆變器的情形。對于被動式孤島檢測方案,過/欠電壓(OVP/UVP)和過/欠頻率(OFP/UFP)反孤島策略由于其簡便易行而應用較多,但這兩種反孤島策略具有較大的不可檢測區(qū)域(NDZ),即在某些情況下無法檢測孤島的發(fā)生;相位突變反孤島策略以及電壓諧波檢測反孤島方案由于孤島檢測的閾值難以確定,因而也較少應用。而主動頻移反孤島方案(AFD)、基于功率擾動的反孤島方案以及阻抗測量法等主動式反孤島方案,在單臺逆變器運行條件下的確比被動式反孤島方案具有更小的不可檢測區(qū)域。但當多臺并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運行時,上述主動式反孤島方案會因為稀釋效應而使其反孤島性能降低。然而,在主動式反孤島方案中,基于正反饋的主動頻移法(AFDPF)和滑模頻率偏移法(SMS)在多臺并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運行的條件下仍然可以保持較小的不可檢測區(qū)域。

2.5多逆變器并聯(lián)運行時的孤島檢測分析

目前光伏逆變2.5.1部分逆變器使用被動式反孤島方案

并網(wǎng)光伏逆變器通常采用了基于單位功率因數(shù)的正弦波電流直接控制模式,因此可將只采用被動式孤島檢測的并網(wǎng)逆變器等效為一個負電阻,即向電網(wǎng)輸送有功而不是消耗有功。

2.5.2系統(tǒng)中同時使用主動頻移法(AFD)和滑膜頻率偏移法(SMS)

設使用AFD方法的并網(wǎng)逆變器的頻率偏移為A/,為本地負載提供了比例為KUPFpu的有功功率;而設使用SMS方法的并網(wǎng)逆變器的頻率偏移為或人-/g(其中人是最大相位偏移1發(fā)生時的頻率,/g為電網(wǎng)頻率),為本地負載提供了比例為的有功功率。2.5.3系統(tǒng)中同時使用主動頓移法(AFD)和基于正反饋的主動頻移法

AFD法施加單方向的擾動,使系統(tǒng)向頻率增加的方向移動而不考慮本地負載的容感特性,而AFDPF法使斷網(wǎng)后的系統(tǒng)頻率既可向增加也可向減小的方向移動,主要取決于本地負載的特性,因此,多機系統(tǒng)中同時存在這兩種方法時會相互影響。2.5.1部分逆變器使用被動式反孤島方案

并網(wǎng)光2.5.4系統(tǒng)中兩臺并網(wǎng)逆變器均使用基于正反饋的主動頻移法

為分析起見,首先假設這兩臺并網(wǎng)逆變器之間具有產(chǎn)生稀釋效應的可能。2.5.5系統(tǒng)中兩臺并網(wǎng)逆變器均使用滑模頻率偏移法

綜上分析,針對多并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的孤島檢測問題分析,可以得出以下結(jié)論:

1.當系統(tǒng)中同時使用主動式和被動式孤島檢測方法時,被動式孤島檢測方法的使用增大了不可檢測區(qū)域,增大了孤島發(fā)生的概率;2.當系統(tǒng)中同時使用兩種主動式孤島檢測方法時,檢測效果介于這兩種孤島檢測方法之間,并且隨著使用較差的方法進行孤島檢測的逆變器為本地負載提供的有功功率的比例的增大,不可檢測區(qū)域也隨之增大,導致孤島發(fā)生概率的增加;3.當系統(tǒng)中僅使用AFDPF方法或SMS方法進行孤島檢測時,考慮進行頻率測量的傳感器誤差最嚴重的情形(幅值相同而極性相反時),對孤島檢測性能影響較小。2.5.4系統(tǒng)中兩臺并網(wǎng)逆變器均使用基于正反饋的主動頻移法

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應及反孤島策略課件項目三光伏發(fā)電系統(tǒng)

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孤島效應及反孤島策略

《太陽能光伏發(fā)電及其逆變控制》項目三光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1孤島效應的基本問題

相對于離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)而言,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在運行時具有較高的光伏電能利用率,然而由于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)直接將光伏陣列發(fā)出的電能逆變后饋送到電網(wǎng),因此在工作時必須滿足并網(wǎng)的技術要求,以確保系統(tǒng)安裝者的安全以及電網(wǎng)的可靠運行。對于通常系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)的功率器件過電流、功率器件過熱、電網(wǎng)過/欠電壓等故障狀態(tài),比較容易通過硬件電路與軟件配合進行檢測、識別并處理。但對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)來說,還應考慮一種特殊故障狀態(tài)下的應對方案,這種特殊故障狀態(tài)就是所謂的孤島效應。2.1孤島效應的基本問題

相對于離網(wǎng)孤島效應的發(fā)生會給系統(tǒng)設備和相關人員帶來如下危害:

1)孤島效應使電壓及其頻率失去控制,如果分布式發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電裝置沒有電壓和頻率的調(diào)節(jié)能力,且沒有電壓和頻率保護繼電器來限制電壓和頻率的偏移,孤島系統(tǒng)中的電壓和頻率將會發(fā)生較大的波動,從而對電網(wǎng)和用戶設備造成損壞。

2)孤島系統(tǒng)被重新接入電網(wǎng)時,由于重合W時系統(tǒng)中的分布式發(fā)電裝置可能與電網(wǎng)不同步而使電路斷路器裝置受到損壞,并且可能產(chǎn)生很高的沖擊電流,從而損害孤島系統(tǒng)中的分布式發(fā)電裝置,甚至導致電網(wǎng)重新跳閘。

3)孤島效應可能導致故障不能清除(如接地故障或相間短路故障),從而可能導致電網(wǎng)設備的損害,并且干擾電網(wǎng)正常供電系統(tǒng)的自動或手動恢復。

4)孤島效應使得一些被認為已經(jīng)與所有電源斷開的線路帶電,這會給相關人員(如電網(wǎng)維修人員和用戶)帶來電擊的危險。

由上可知,當主電網(wǎng)跳閘時,分布式發(fā)電裝置.的孤島運行將對用戶以及配電設備造成嚴重損害,因此在包括并網(wǎng)光伏發(fā)電等系統(tǒng)在內(nèi)的分布式發(fā)電系統(tǒng)中,并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備反孤島保護的功能,即具有檢測孤島效應并及時與電網(wǎng)切離的功能。

孤島效應的發(fā)生會給系統(tǒng)設備和相關人員帶來如下危害:

2.1.1.1孤島效應發(fā)生的機理

下面以典型的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)為例分析其孤島效應發(fā)生的機理,闡述孤島效應發(fā)生的必要條件。2.1.1孤島效應的發(fā)生與檢測

圖是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率流圖,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列和逆變器組成,該發(fā)電系統(tǒng)通常通過一臺變壓器(可能安裝在逆變器外或不安裝)和斷路器QF連接到電網(wǎng)。當電網(wǎng)正常運行時,假設圖7-2系統(tǒng)中的逆變器工作于單位功率因數(shù)正弦波控制模式,而相關的局部負載用并聯(lián)RLC電路來模擬,并且假設逆變器向負載提供的有功功率、無功功率分別為P、Q,電網(wǎng)向負載提供的有功功率、無功功率分別為AP、AQ,負載需求的有功功率、無功功率為Pload、Qload。2.1.1.1孤島效應發(fā)生的機理2.1.1孤島效應的發(fā)生與檢

根據(jù)能量守恒定律,公共連接點(PointofCommonCoupling,PCC)處的功率流具有以下規(guī)律:

Pbad=P+AP

(7-1)

Qload=Q+AQ

當電網(wǎng)斷電時,通常情況下,由于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和負載功率之間的巨大差異會引起系統(tǒng)的電壓和頻率的較大變化,因而通過對系統(tǒng)電壓和頻率的檢測,可以很容易地檢測到孤島效應。但是如果逆變器提供的功率與負載需求的功率相匹配,那么當線路維修或故障而導致網(wǎng)側(cè)斷路器QF跳閘時,公共連接點(PCC)處電壓和頻率的變化很小,很難通過對系統(tǒng)電壓和頻率的檢測來判斷孤島的發(fā)生,這樣逆變器可能繼續(xù)向負載供電,從而形成由并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和周圍負載構(gòu)成的一個自給供電的孤島發(fā)電系統(tǒng)。

從以上分析可以看出,并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應發(fā)生的必要條件是:1)發(fā)電裝置提供的有功功率與負載的有功功率相匹配;2)發(fā)電裝置提供的無功功率與負載的無功功率相匹配,即滿足相位平衡關系。根據(jù)能量守恒定律,公共連接點(PointofCo2.1.1.2孤島效應的檢測

了解島效應發(fā)生的機理后,重要的是要能夠及時而有效地檢測出孤島效應,即1)必須能夠檢測出不同形式的孤島系統(tǒng),每個孤島系統(tǒng)可能由不同的負載和分布式發(fā)電裝置(如光伏發(fā)電、風力發(fā)電等)組成,其運行狀況可能存在很大差異。一個可靠的反孤島方案必須能夠檢測出所有吋能的孤島系統(tǒng)。2)必須在規(guī)定時間內(nèi)檢測到孤島效應。這主要是為了防止并網(wǎng)發(fā)電裝置不同步的重合閘??諝忾_關通常在0.5~Is的延遲后重新合上,反孤島方案必須在重合閘發(fā)生之前使并網(wǎng)發(fā)電裝置停止運行。2.1.1.2孤島效應的檢測

了解島效應發(fā)生的機理后2.1.2孤島效應發(fā)生的可能性與危險性

孤島效應的發(fā)生可能會帶來一系列危害,其中給相關人員帶來的電擊危險應當是最嚴重的,因此這里提到的危險性主要是指孤島效應產(chǎn)生電擊的危險性。

2.1.2.1可能性分析

對孤島效應發(fā)生的可能性認識常存在兩種極端:一方面,孤島效應被認為是可能性很小的事件,不需要特別考慮;另一方面,僅理論上的分析都足以使人們對孤島效應發(fā)生的可能性引起重視。實際上,孤島效應發(fā)生的可能性介于兩種極端觀點之間。研究孤島效應發(fā)生可能性的主要困難是缺少孤島效應發(fā)生的頻率、持續(xù)時間以及發(fā)生時帶來危險的實際數(shù)據(jù),并且關于孤島效應的討論不少還是基于個人的“感覺”或“直覺”。

針對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應,荷蘭相應的研究機構(gòu)曾做過深人的研究,并提供了配電網(wǎng)中孤島效應發(fā)生的頻率以及持續(xù)時間的實際數(shù)據(jù)[3]。該項研究是通過測量安裝有并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型居民區(qū)的負荷情況來進行的,并在兩年中連續(xù)測量了每一秒鐘負載需求的有功功率和無功功率,同時將相關數(shù)據(jù)存儲在計算機內(nèi)用于離線分析,由于電網(wǎng)負載和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)提供的功率之間存在直接相關性,因而離線分析是可行的。通過對安裝有并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型居民區(qū)的孤島效應研究得出了以下結(jié)論:2.1.2孤島效應發(fā)生的可能性與危險性

孤島效應的發(fā)

1)如果電網(wǎng)中并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠提供的最大功率約為夜間最小負載的2~3倍,那么負載與并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率匹配的狀況就不會發(fā)生;

2)如果每個住戶所安裝的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率不超過400W,功率匹配狀況也不會發(fā)生;

3)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量不會顯著影響功率匹配狀況發(fā)生的頻率和時間;

4)無論并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量在總發(fā)電量中的比例高低,功率匹配狀況發(fā)生的可能性都非常小;

5)功率匹配狀況發(fā)生的可能性與連接到饋電線上的住戶的數(shù)域無關;

6)低壓電網(wǎng)中功率匹配狀況發(fā)生的可能性小于10_6 ~丨0_5次/年;

7)功率匹配同時電網(wǎng)供電中斷的可能性即孤島效應發(fā)生的可能性幾乎為0。

以上研究結(jié)論表明:并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中功率匹配狀況發(fā)生的可能性非常小,而孤島效應發(fā)生的可能性幾乎為0。

雖然荷蘭相關機構(gòu)在對某個典型居民區(qū)孤島效應的研究中得出了孤島效應發(fā)生的可能性幾乎為0的結(jié)論,但是畢竟研究的范圍有限,也不能滿足未來發(fā)展的要求,因此孤島效應作為一個技術問題,必須對其危險性有足夠的重視,并采用適當?shù)姆桨竵砑右苑乐够蚶谩?/p>

1)如果電網(wǎng)中并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠提供的最大2.1.2.2危險性分析

孤島效應一旦發(fā)生將帶來具有以下不利影響的危險性,即1)孤島效應引起的重合閘問題2)孤島效應對正常供電的自動或手動恢復產(chǎn)生的干擾3)孤島效應給相關人員帶來電擊的危險

針對上述危害,雖然已研究出多種反孤島方案,但這些方案仍然有以下局限性:1.執(zhí)行成本髙;2.需要光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào);3.易誤檢測(誤跳閘);4.在某些情況下具有不可檢測性;5.降低電網(wǎng)供電質(zhì)量以及電壓和頻率的穩(wěn)定性。2.1.2.2危險性分析

孤島效應一旦發(fā)生將帶來具有以下不

總結(jié)以上分析,只有在下列事件都發(fā)生的情況下,孤島效應才會產(chǎn)生危險:

1.電網(wǎng)因故障或維修等原因而造成供電中斷;

2.發(fā)電裝置的輸出(有功和無功)與孤島系統(tǒng)中的負載需求非常匹配;

3.當孤島系統(tǒng)的工作狀況在反孤島方案的NDZ以內(nèi),此時發(fā)電裝置無法檢測到孤島效應即檢測失?。?/p>

4.工作人員接觸了與并網(wǎng)系統(tǒng)相連的不絕緣的帶電導體。

在考慮了以上4個因素的基礎上,英國的一項研究計算出了孤島效應產(chǎn)生電擊對人身傷害的總危險性水平,相關的研究結(jié)果可以歸納如下:

1.當電網(wǎng)中發(fā)電裝置相對負載來說輸出功率較低,即輸出功率小于平均最大需求功率的30%時,功率匹配的可能性幾乎為0;然而當發(fā)電裝置輸出功率相對增加時,功率匹配的可能性隨之增加。

2.利用英國關于電網(wǎng)跳闡、發(fā)電裝置輸出功率高等情況發(fā)生的可能性的數(shù)據(jù),以及對并網(wǎng)逆變器反孤島能力的合理假設,孤島效應造成電擊的總危險性約為10_9次/年,而英國一般電擊發(fā)生的危險性約為1(T6次/年,顯然前者比后者要小得多。

可見由孤島效應造成的電擊危險,即使是在并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸出功率很髙時,只要正確處理,也不會增加本身就存在的電擊危險。實際應用中應盡量避免選擇理論上不可檢測區(qū)小但可靠性低的反孤島方案。總結(jié)以上分析,只有在下列事件都發(fā)生的情況下,孤島效應2.1.3并網(wǎng)逆變器發(fā)生孤島效應時的理論分析

2.1.3.1并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)

逆變器并網(wǎng)運行時,輸出電壓由電網(wǎng)電壓鉗位,逆變器所能控制的只是輸人電網(wǎng)的電流。其中,并網(wǎng)電流的頻率和相位應與電網(wǎng)電壓的相同,而幅值是根據(jù)實際系統(tǒng)的控制來決定的。2.1.3.2反孤島測試電路中的負栽品質(zhì)因數(shù)1.負載品質(zhì)因數(shù)Qf的定義2.1.3并網(wǎng)逆變器發(fā)生孤島效應時的理論分析

2.1.3.2.負載品質(zhì)因數(shù)Qf的確定

將并聯(lián)RLC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Qf與負載電路的位移功率因數(shù)(Displace-mentPowerFactor,DPF)聯(lián)系起來將更有利于反孤島測試中對負載品質(zhì)因數(shù)(>f

的確定,那么負載品質(zhì)因數(shù)Qf與位移功率因數(shù)(DPF)究竟有何關系呢?

為了便于定量分析,首先做下列假設[5]:

1.假設負載電路中不含補償功率因數(shù)的電容,并a已知負載電路消耗的有功功率和負載電路的功率因數(shù),由這兩個數(shù)據(jù)和電網(wǎng)電壓及頻率,可以計算出負載電路中的電阻和電感L;

2.假設并上的無功補償電容剛好使負載電路的功率因數(shù)為1。這種假設是合理的,因為負載電路的功率因數(shù)等于1意味著負載電路的諧振頻率等于電網(wǎng)頻率,而這是反孤島保護所面臨的最嚴重情況(任何其他的諧振頻率都將有助于而不是有礙于反孤島保護),此時A和C將有一個固定的關系。

2.1.3.3有功功率和無功功率的不匹配分析1.孤島時系統(tǒng)的功率流圖及相關分析2.孤島時系統(tǒng)的功率匹配分析2.負載品質(zhì)因數(shù)Qf的確定

將并聯(lián)RLC諧振電路的品2.1.4孤島效應的檢測標準與研究狀況

由于一系列技術和經(jīng)濟障礙,使得近些年對孤島效應的利用是不可能推廣的,這主要是因為對于孤島效應的利用需要對系統(tǒng)進行滿足孤島安全運行模式的重新設計,于是現(xiàn)階段還是要求必須及時檢測并禁止孤島效應的發(fā)生。國際上先后制定的并網(wǎng)技術標準如UL1741[6]、IEEEStd.929⑴和IEEEStd.1547.l7]等都規(guī)定了并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具有反孤島保護功能,并設計出具體的反孤島測試電路和測試方法。

近年來,關于孤島效應的研究主要集中于以下幾個方面:1.孤島效應的機理研究;2.反孤島策略的研究;3.反孤島策略的有效性評估;4.并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置的反孤島測試;5.孤島效應的利用。2.1.4孤島效應的檢測標準與研究狀況

由于一系列技2.1.5并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的反孤島測試

為了驗證實際中反孤島方案的有效性,必須對并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置進行反孤島測試,以驗證并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置是否能夠在規(guī)定的時間內(nèi)檢測到孤島效應,并停止運行。本傳根據(jù)IEC62116Edition1_0的標準,介紹了基于并網(wǎng)逆變器的反孤島測試電路,并詳述了孤島測試的步驟及測試判據(jù)。1.反孤島測試電路組成2.測試要求3.具體測試步驟2.1.5并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的反孤島測試

為了驗證實際中反2.2基于并網(wǎng)逆變器的被動式反孤島策略

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中,基于并網(wǎng)逆變器的反孤島策略主要分為兩類:第一類稱為被動式反孤島策略,如不正常的電壓和頻率、相位監(jiān)視和諧波監(jiān)視等;第二類稱為主動式反孤島策略,如頻率偏移和輸出功率擾動等。第-類方法只能在電源一負載不匹配程度較大時才能有效,在其他情況(例如逆變器輸出負載并聯(lián)電容)下可能會導致將孤島檢測的失效。第二類方法如頻率偏移法,則是通過在控制信號中人為注入擾動成分,從而使得頻率或者相位偏移,這類主動式方法雖然使系統(tǒng)的反孤島能力得到了加強,但仍然存在不可檢測區(qū),即當電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時,系統(tǒng)無法檢測到孤島的存在。本節(jié)及下一節(jié)主要將介紹并網(wǎng)逆變器的被動與主動兩種反孤島策略。

2.2.1過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略1.過/欠電壓反孤島策略(OVP/UVP)2.過/欠頻率反孤島策略(OFP/UFP)2.2基于并網(wǎng)逆變器的被動式反孤島策略

在并網(wǎng)光伏發(fā)3.優(yōu)缺點

過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略的作用不只限于檢測孤島效應,還可以用來保護用戶設備,并且其他產(chǎn)生異常電壓或頻率的反孤島方案也依靠過/欠電壓、過/欠頻率保護方案來觸發(fā)并網(wǎng)逆變器停止工作;它是孤島效應檢測的一個低成本選擇,而成本對并網(wǎng)光伏逆變器的推廣應用是很重要的;由于是被動式反孤島策略,因此IK常并網(wǎng)運行時,逆變器不會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量;多臺并網(wǎng)逆變器運行時,不會產(chǎn)生稀釋效應。從過/欠電壓、過/欠頻率保護檢測孤島效應的方面出發(fā),此反孤島策略的NDZ相對較大,并且這種方案的反應時間是不可預測的。

2.2.2基于相位跳變的反孤島策略1.基本原理相位跳變反孤島策略是通過監(jiān)控并網(wǎng)逆變器端電壓與輸出電流之間的相位差來檢測孤島效應的一種被動式反孤島策略[22]。3.優(yōu)缺點

過/欠電壓、過/欠頻率反孤島策略的作用不2.優(yōu)缺點

相位跳變方案的主要優(yōu)點是容易實現(xiàn),由于并網(wǎng)逆變器本身就需要鎖相環(huán)用于同步,執(zhí)行該方案只需增加在。,與\間的相位差超出閾值時使逆變器停土工作的功能就可以了;作為被動式反孤島方案,相位跳變不會影響并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量,也不會干擾系統(tǒng)的哲態(tài)響應;和其他被動式方案一樣,在系統(tǒng)連接有多臺并網(wǎng)逆變器時,不會產(chǎn)生稀釋效應。

但該方案很難選擇不會導致誤動作的閾值。一些特定負載的啟動,尤其是電動機的起動過程經(jīng)常產(chǎn)生相當大的暫態(tài)相位跳變,如果閾值設置的太低,將導致并網(wǎng)逆變器的誤跳閘,并且相位跳變的閾值可能要根據(jù)安裝地點而改變,這也給實際應用帶來不便。

2.2.3基于電壓諧波檢測的反孤島策略1.工作原理[23’24]

電壓諧波檢測反孤島策略是通過監(jiān)控并網(wǎng)逆變器輸出端電壓諧波失真來檢測孤島效應的一種被動式反孤島策略。

當電網(wǎng)連接時,電網(wǎng)可以看作為一個很大的電壓源,并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生的諧波電流將流人低阻抗的電網(wǎng),這些很小的諧波電流與低值的電網(wǎng)阻抗在并網(wǎng)逆變器輸出端處的電壓響應Ua僅含有非常小的諧波(THD?0)。

2.優(yōu)缺點

相位跳變方案的主要優(yōu)點是容易實現(xiàn),由于并2.優(yōu)缺點

理論上,電壓諧波檢測反孤島策略能在很大范圍內(nèi)檢測孤島效應;在系統(tǒng)連接有多臺逆變器的情況下不會產(chǎn)生稀釋效應;即使在功率匹配的情況下,也能檢測到孤島效應;作為被動式反孤島方案,不會影響并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量,也不會干擾系統(tǒng)的暫態(tài)響應。

然而和相位跳變反孤島策略一樣,電壓諧波檢測反孤島策略也存在閾值的選擇問題。并網(wǎng)專用標準如IEEEStd.929要求并網(wǎng)光伏逆變器輸出電流的THD小于額定電流的5%,通常為留有裕量,設計并網(wǎng)逆變器時允許的THD比標準要求的更低=但是如果局部非線性負載很大,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓諧波可能大于5%,并且失真的大小隨非線性負載的接人和切離而迅速改變,這樣就很難選擇閾值,既要考慮并網(wǎng)逆變器輸出電流諧波相對低的要求,乂要使得閾值大于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中可能允許出現(xiàn)的電壓THD;另一個實際的問題是:當前的并網(wǎng)標準規(guī)定反孤島測試電路使用線性K/X負載來代表局部負載,忽略了可能提高孤島系統(tǒng)中電壓THD的非線性負載的影響,因此電壓諧波檢測方案還不能廣泛應用。

2.優(yōu)缺點

理論上,電壓諧波檢測反孤島策略能在很大范2.3基于并網(wǎng)逆變器的主動式反孤島策略

以上討論了幾類被動式反孤島策略,主要包括:過/欠電壓(OVP/UVP)和過/欠頻率(OFP/UFP)反孤島策略、相位突變反孤島策略以及電壓諧波檢測反孤島等方案。其中,相位突變反孤島策略以及電壓諧波檢測反孤島方案由于孤島檢測的閾值難以確定,因而較少應用,而過/欠電壓(OVP/UVP)和過/欠頻率(OFP/UFP)反孤島策略則應用較多,徂通過實驗與仿真分析可知,這兩種反孤島策略具有較大的NDZ,即在某些情況下無法檢測孤島的發(fā)生,為了減小甚至消除NDZ,研究人員提出了多種主動式反孤島策略方案。本節(jié)主要介紹的主動式反孤島策略方案有頻移法、功率擾動法和阻抗測量法,以下分類介紹。

2.3.1頻移法2.3.1.1主動頻移反孤島策略一AFD方案原理及優(yōu)缺點2.3.1.2基于正反饋的主動頓移——Sandia頻移方案[22]原理及優(yōu)缺點2.3.1.3滑模頻率偏移法原理及優(yōu)缺點2.3基于并網(wǎng)逆變器的主動式反孤島策略

以上討論了幾2.3.2基于功率擾動的反孤島策略

2.3.2.1基于有功功率擾動的反孤島策略工作原理及優(yōu)缺點

2.3.2.2基于無功功率擾動的反孤島策略工作原理及優(yōu)缺點

2.3.3阻抗測量方案

在并網(wǎng)系統(tǒng)中,當電網(wǎng)連接時,電網(wǎng)可以看做一個很大的電壓源,此時公共耦合點處的阻抗很低;而當電網(wǎng)斷開時,在公共耦合點處測得的即為負載阻抗,通常都遠大于電網(wǎng)連接時的阻抗。顯然,可以通過測量公共耦合點處電路阻抗的變化來檢測孤島效應。

暫態(tài)測量法的主要特點就是可以快速得到測it結(jié)果,這一點比較符合孤島檢測的要求。但是這一方案對采樣環(huán)節(jié)和數(shù)字處理環(huán)節(jié)的要求比較高,這對于常規(guī)的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)將很難實現(xiàn)。

總體來說,阻抗測量法雖然可以很好防止孤島的發(fā)生,但還存在以下缺點:持續(xù)地輸人擾動會影響電網(wǎng)質(zhì)量(但如果擾動諧波的頻率選為電網(wǎng)頻率,可以減小對電網(wǎng)質(zhì)量的影響);對于弱電網(wǎng)或者電網(wǎng)本身波動較大的情況,很難實現(xiàn)電網(wǎng)阻抗監(jiān)測;當多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運行時,其檢測信號會相互干擾,從而使得阻抗估算錯誤。2.3.2基于功率擾動的反孤島策略

2.3.2.12.4不可檢測區(qū)域(NDZ)與反孤島策略的有效性評估

反孤島保護是并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備的功能。然而幾乎所冇的反孤島方案都存在檢測失敗的情況,即不可檢測區(qū)域(Non-DetectionZone,NDZ),這些檢測失敗的情況包括功宇?匹配狀況以及一些特殊負載等。為此,應通過理論分析尋找孤島檢測失敗的原因,并進行適當?shù)目偨Y(jié),以評估不同孤島檢測算法的適用范圍和影響不可檢測區(qū)域(NDZ)的相關因素,從而提高孤島檢測的有效性。

2.4.1基于△Px△Q坐標系孤島檢測的有效性評估[15]

2.4.1.1△Px△Q坐標系中孤島檢測的NDZ

2.4.1.2△Px△Q坐標系中電路的功率流及不匹配功率的影響14]2.4.1.3△Px△Q坐標系中孤島檢測的NDZ邊界2.4不可檢測區(qū)域(NDZ)與反孤島策略的有效性評估

2.4.2基于LxCnorm坐標系孤島檢測的有效性評估[11]

2.4.2.1L

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