第8章 孤島效應(yīng)及反孤島策略

2023/2/5第八章孤島效應(yīng)及反孤島策略2023/2/5最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)1.為什么有最大功率點(diǎn)問題？光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，是一種非線性直流源。2.最大功率點(diǎn)追蹤有幾種方法？恒定電壓跟蹤法;圖7-3 光伏電池不同日照強(qiáng)度下的P-V特性曲線2023/2/5圖7-6 擾動(dòng)觀測法誤判示例擾動(dòng)觀測法（爬山法）;基于變步長的擾動(dòng)觀測法1.最優(yōu)梯度法2.逐步逼近法2023/2/5基于功率預(yù)測的擾動(dòng)觀測法2023/2/5導(dǎo)納增量法;2023/2/58.1孤島效應(yīng)的基本問題8.2被動(dòng)式反孤島策略8.3主動(dòng)式反孤島策略第八章孤島效應(yīng)及反孤島策略2023/2/58.1 孤島效應(yīng)的基本問題

光伏逆變器過電流、過熱，電網(wǎng)過/欠電壓的故障情況與處理。

電網(wǎng)跳閘故障時(shí)，光伏系統(tǒng)未能及時(shí)檢測出停電狀態(tài)而退出供電網(wǎng)絡(luò)，形成并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)載組成的孤島發(fā)電系統(tǒng)。2023/2/5

孤島效應(yīng)發(fā)生后的不良影響：1.孤島效應(yīng)使電壓及其頻率失去控制，對(duì)電網(wǎng)和用戶設(shè)備造成損壞。2.孤島系統(tǒng)被重新接入電網(wǎng)時(shí)，可能損壞孤島系統(tǒng)中分布式發(fā)電系統(tǒng)。3.孤島效應(yīng)可能導(dǎo)致故障不能清除，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備造成損壞。4.孤島效應(yīng)可能會(huì)給相關(guān)人員帶來電擊的危險(xiǎn)。2023/2/5圖8-2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖8-9一、孤島效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理設(shè)：逆變器向負(fù)載提供的有功功率為P，無功功率為Q；電網(wǎng)向負(fù)載提供的有功功率為ΔP，無功功率為ΔQ；負(fù)載需求的有功功率為Pload，無功功率為Qload。2023/2/5由能量守恒定律，公共連接點(diǎn)(PointofCommonCoupling,PCC)處的功率滿足:8-10PloadQload

P

P

Q

Q圖8-2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖2023/2/58-11通常由于當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)的電壓和頻率的較大變化，因而通過對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率的檢測，可很容易的檢測到孤島效應(yīng)。圖8-2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖2023/2/5而如果Pload=P、Qload=Q，當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，PCC處電壓和頻率的變化很小，很難再通過對(duì)系統(tǒng)的電壓和頻率的檢測來判斷孤島的發(fā)生，逆變器繼續(xù)向負(fù)載供電，從而形成光伏系統(tǒng)和負(fù)載組成的孤島發(fā)電系統(tǒng)。圖8-2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖2023/2/5

孤島形成后，PCC處電壓瞬時(shí)值ua由負(fù)載歐姆定律確定，并受逆變器控制系統(tǒng)的監(jiān)控，逆變器將逐漸改變輸出電流iinv的頻率finv

，以保持iinv與ua

的同步，直至iinv與ua的相位差等于0，從而使得finv到達(dá)一個(gè)唯一的穩(wěn)態(tài)值，即負(fù)載的諧振頻率。圖8-2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖2023/2/5這是電網(wǎng)跳閘后RLC負(fù)載的無功功率需求只能通過逆變器提供（Qload=Q）的必然結(jié)果。這種因電網(wǎng)跳閘而形成的無功功率平衡關(guān)系可用相位平衡關(guān)系來描述其中：φload表示逆變器輸出電流超前于端電壓的相位角。θinv表示負(fù)載的阻抗角。2023/2/5? 孤島效應(yīng)的兩個(gè)必要條件：有功功率匹配，無功功率匹配。2023/2/5二、孤島效應(yīng)的可能性分析圖8-3 分布式發(fā)電功率匹配狀況示意圖8-162023/2/5功率匹配是針對(duì)一定的匹配誤差帶而言，孤島效應(yīng)的發(fā)生則與功率匹配的持續(xù)時(shí)間有關(guān)。因此孤島效應(yīng)的可能性可定義為：可能性=一年中功率匹配狀況可能發(fā)生的相關(guān)時(shí)段(s)

功率匹配的次數(shù)持續(xù)時(shí)間次/年2023/2/52023/2/5

通過對(duì)安裝有光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的典型居民小區(qū)的孤島效應(yīng)研究得出以下結(jié)論。8-192023/2/5可能會(huì)造成因供電電壓和頻率不穩(wěn)，造成用戶的用電設(shè)備和電網(wǎng)設(shè)備損壞影響配電系統(tǒng)上保護(hù)開關(guān)的動(dòng)作程序，影響電網(wǎng)手動(dòng)或自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行危害輸電線路維修人員及其他有關(guān)人員的安全三、孤島效應(yīng)的危害2023/2/51)執(zhí)行成本高；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)存在有孤島效應(yīng)而不能立即被檢測出的工作區(qū)域；5)降低電網(wǎng)供電質(zhì)量以及電壓和頻率的穩(wěn)定性。針對(duì)孤島效應(yīng)的危害已有反孤島策略，但存在局限性2023/2/58-22四、孤島檢測方法2023/2/5? 孤島保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)2023/2/58.2被動(dòng)式反孤島策略

被動(dòng)式反孤島策略：在不正常的電壓、頻率、相位、諧波產(chǎn)生了的情況下，通過檢測得到孤島效應(yīng)的發(fā)生。2023/2/51)電壓頻率檢測：并網(wǎng)逆變器檢測出PCC處的電壓幅值或頻率超出正常范圍時(shí)，通過控制指令停止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行。2)電壓諧波檢測：并網(wǎng)逆變器檢測出逆變器輸出端電壓諧波失真時(shí)，通過控制指令停止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行。3)相位偏移檢測：并網(wǎng)逆變器通過監(jiān)控逆變器端電壓與輸出電流之間的相位差來檢測孤島效應(yīng)。4)復(fù)合電量檢測：并網(wǎng)逆變器同時(shí)監(jiān)控PCC處與逆變器輸出的關(guān)鍵電量信號(hào)來檢測孤島效應(yīng)。孤島檢測包括：2023/2/5一、過/欠電壓反孤島策略

過/欠電壓反孤島策略是指當(dāng)并網(wǎng)逆變器檢測出逆變器輸出的電網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC處的電壓幅值超出正常范圍（U1、U2）時(shí)，通過控制命令停止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)反孤島的一種被動(dòng)式方法。U1、U2為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電壓最小值和最大值。2023/2/5二、過/欠頻率反孤島策略

過/欠頻率反孤島策略是指當(dāng)并網(wǎng)逆變器檢測出逆變器輸出的電網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC處的電壓頻率超出正常范圍（f1、f2）時(shí)，通過控制命令停止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)反孤島的一種被動(dòng)式方法。f1、f2為電網(wǎng)頻率正常范圍的上、下限值。我國標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)頻率為50Hz，頻率上、下限為f1=49.4Hz，f2=50.4Hz。2023/2/5三、基于相位跳變的反孤島策略

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(yīng)的一種被動(dòng)式反孤島策略。

為實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，正常情況下并網(wǎng)逆變器總是控制輸出電流與電網(wǎng)電壓同相，而跳閘后逆變器的端電壓將不再由電網(wǎng)控制，此時(shí)，逆變器的端電壓的相位將發(fā)生跳變。2023/2/5四、基于電壓諧波檢測的反孤島策略

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

當(dāng)電網(wǎng)連接時(shí)，電網(wǎng)可以看作是一個(gè)很大的電壓源，并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生的諧波電流將流入低阻抗的電網(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相應(yīng)僅含有非常小的諧波。

當(dāng)電網(wǎng)跳閘后，諧波增加，主要是三次諧波，因此，只要檢測三次諧波即可。2023/2/5被動(dòng)檢測法的特點(diǎn)及適用場合

檢測方法特點(diǎn)適用場合電壓頻率檢測1.對(duì)電網(wǎng)無干擾,輸出電能質(zhì)量無影響;2.有些電量不能直接測量而需要通過比較復(fù)雜算法計(jì)算,如電壓諧波,輸出有功等等;3.當(dāng)負(fù)載和逆變器輸出功率匹配,存在較大的檢測盲區(qū);4.檢測時(shí)間長。1.應(yīng)用于負(fù)載功率變動(dòng)不大,且與逆變器的輸出不匹配的場合；2.一般需要和主動(dòng)檢測方法結(jié)合起來運(yùn)用。電壓諧波檢測相位偏移檢測關(guān)鍵電量變化率檢測2023/2/5被動(dòng)式孤島檢測法總結(jié)2023/2/5

主動(dòng)式反孤島策略的幾種方法8.3主動(dòng)式反孤島策略1)主動(dòng)頻率偏移：

并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)中注入略微有點(diǎn)變形的電流，以形成一個(gè)連續(xù)改變頻率的趨勢。斷網(wǎng)后，逆變器輸出端電壓的頻率被強(qiáng)迫向上或向下偏移，通過監(jiān)控端電壓頻率的變化檢測孤島的發(fā)生。

稀釋效應(yīng)：當(dāng)有多臺(tái)逆變器并網(wǎng)時(shí)，一些逆變器采用向上頻移，一些逆變器采用向下頻移，其綜合效果可能會(huì)抵消。2023/2/5

并網(wǎng)逆變器工作于單位功率因數(shù)時(shí)，逆變器的輸出端電壓與電流的相位差被控制為零，電網(wǎng)提供固定的相位和頻率參考使工作點(diǎn)穩(wěn)定于電網(wǎng)頻率。斷網(wǎng)后，逆變器的相位-頻率工作點(diǎn)將改變，通過監(jiān)控相位-頻率工作點(diǎn)的偏移檢測孤島的發(fā)生。2)主動(dòng)相位偏移：

這種方法可以消除稀釋效應(yīng)。2023/2/5

并網(wǎng)逆變器通過基于有功功率和無功功率的擾動(dòng)來檢測孤島效應(yīng)。3)功率擾動(dòng)：

逆變器控制器將周期性改變逆變器輸出電流的幅值，亦即改變了逆變器輸出的有功功率，從而在電網(wǎng)斷電時(shí)打破逆變器輸出有功功率與負(fù)載消耗的有功功率平衡以影響公共節(jié)點(diǎn)的電壓，使其超出過/欠電壓保護(hù)閾值，從而檢測出孤島。2023/2/5主動(dòng)檢測法的特點(diǎn)及適用場合2023/2/5主動(dòng)檢測法的特點(diǎn)及適用場合2023/2/5主動(dòng)式孤島檢測法總結(jié)2023/2/5習(xí)題1.簡述光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理。2.說明什么是被動(dòng)式反孤島策略和主動(dòng)式反孤島策略，并分析各自的特點(diǎn)。2023/2/5第九章 逆變器的并聯(lián)技術(shù)9.1概述9.2逆變器并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)及控制策略2023/2/5

單個(gè)逆變器的容量是有限的，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)總?cè)萘吭黾訒r(shí)，常采用逆變器并聯(lián)技術(shù)。在并網(wǎng)模式下,電源通過逆變器并聯(lián)在一起向電網(wǎng)注入電能。并網(wǎng)注入電流的質(zhì)量受到高度的重視。并聯(lián)后要實(shí)現(xiàn)有功、無功負(fù)載功率甚至諧波負(fù)載功率的均分。9.1概述無輸出隔離變壓器結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器不能自動(dòng)抑制直流注入,直流注入可能引起電網(wǎng)中配電變壓器的飽和,導(dǎo)致電能質(zhì)量變差,電力系統(tǒng)產(chǎn)生大的損耗和過熱。2023/2/5多模塊并聯(lián)有以下特點(diǎn):1)多個(gè)電源模塊單元并聯(lián)分擔(dān)負(fù)載功率,各個(gè)模塊中主開關(guān)器件的電流應(yīng)力小,從根本上保證了可靠性;2)每個(gè)模塊的容量較小,功率密度高,從而使整個(gè)電源體積、重量減小;3)多模塊并聯(lián)可以靈活擴(kuò)充電源容量、易安裝、維護(hù)費(fèi)用低;4)可以實(shí)現(xiàn)冗余并聯(lián)運(yùn)行方式。2023/2/5并網(wǎng)時(shí)要解決2個(gè)問題：1.抑制直流注入2.各模塊承受的電流能自動(dòng)均衡,實(shí)現(xiàn)均流。2023/2/5國際上對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)制定了相應(yīng)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。由于無輸出隔離變壓器結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器不能自動(dòng)抑制直流注入,直流注入可能引起電網(wǎng)中配電變壓器的飽和,導(dǎo)致電能質(zhì)量變差,電力系統(tǒng)產(chǎn)生大的損耗和過熱。因而,國際上一些國家已經(jīng)制定了抑制光伏并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)直流分量的標(biāo)準(zhǔn),如表1.1所示。一、抑制直流注入2023/2/52023/2/5抑制并網(wǎng)逆變器直流注入的控制方法，主要包括:采用電容隔斷直流注入方法；自身帶有直流抑制能力的電路拓?fù)?；采用檢測電流的控制方法；采用檢測電壓的控制方法。應(yīng)用自身帶有直流抑制能力的電路拓?fù)浞椒ǖ脑硎强孔陨淼耐匮a(bǔ)結(jié)構(gòu)來阻斷并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)直流分量的通路，不需要額外增加直流分量檢測電路。2023/2/5電容隔斷直流注入方法的原理是在逆變器輸出和電網(wǎng)之間串聯(lián)一個(gè)電容，用來隔斷注入電網(wǎng)的直流分量，如圖1.11所示。這種方法需要一個(gè)大的隔直電容，會(huì)增加成本和附加損耗。2023/2/5采用檢測電流控制方法的原理是利用電流傳感器來檢測流入電網(wǎng)中的直流分量,可是由于霍爾電流傳感器自身存在顯著的零漂特性使這種檢測方法的有效性受到了限制,為了解決霍爾電流傳感器的零漂問題,Armstrong提出了一種自動(dòng)校正的逆變器，然而這種方法需要根據(jù)H橋的開關(guān)狀態(tài)來測量系統(tǒng)的零漂問題。2023/2/52023/2/5利用電壓傳感器檢測逆變器輸出電壓，再用差分放大器和低通濾波器檢測出輸出電壓中的直流分量，通過把直流分量反饋到控制器來抑制直流分量。2023/2/5二、逆變器并聯(lián)運(yùn)行的原理與分析圖表示逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)等效電路模型其中U1和U2分別是兩個(gè)逆變器輸出SVPWM電壓波中所含的基波分量,U11,U22則分別是各自輸出端電壓,Uo是并聯(lián)結(jié)點(diǎn)電壓(即負(fù)載電壓;C1,C2,L1,L2分別代表兩個(gè)逆變器的輸出濾波電感,電容,濾波電感連接電阻及其內(nèi)阻分別rLI和rL2表示,而和r1,r2表示并聯(lián)連接(導(dǎo)線)電阻,Zo公共負(fù)載。2023/2/5為了簡化分析忽略。rL1和rL2。r1和r2的影響。根據(jù)圖可列出以下電路基