1、第九章第九章 并网逆变器的孤岛效应与检测方法并网逆变器的孤岛效应与检测方法 孤岛效应是并网光伏发电系统存在的一个基本问题，孤岛检测与防护是并网发电系统必须考虑的功能，是人员和设备安全的重要保证，也是并网逆变器面临的一项关键技术。本章从孤岛效应产生的原理、危害及防护要求出发，重点介绍和分析目前常用的被动式孤岛检测法，如过/欠电压和高/低频率检测法、相位突变法和电压谐波检测法；以及主动式孤岛检测法，如主动频率偏移法、模频漂检测法和自动移相法，并给出数字仿真实验结果。9.1.1 孤岛效应的定义孤岛效应的定义 所谓的所谓的“孤岛孤岛”是指电力系统的一部分（含负载和正在运行是指电力系统的一部分（含负载和
2、正在运行的发电设备）与其余部分隔离，能独立供电运行的一种状态。的发电设备）与其余部分隔离，能独立供电运行的一种状态。光伏逆变器连接到公共电网上运行，由逆变器和电网共同向负光伏逆变器连接到公共电网上运行，由逆变器和电网共同向负载供电，当电网因故障事故或停电维修等原因停电时，各个用载供电，当电网因故障事故或停电维修等原因停电时，各个用户端的逆变器未能及时检测出停电状态而将自身切离市电，并户端的逆变器未能及时检测出停电状态而将自身切离市电，并以其自身的输出频率和电压向周围负载供电，这样就形成由太以其自身的输出频率和电压向周围负载供电，这样就形成由太阳能并网发电系统和周围负载形成的一个电力公司无法掌握
3、的阳能并网发电系统和周围负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电的自给供电的“孤岛孤岛”，并称此时的逆变器运行在孤岛状态。，并称此时的逆变器运行在孤岛状态。孤岛效应是并网发电系统特有的现象，具有相当大的危害性，不仅会危害到整个配电系统及用户端的设备，更严重的是会造成输电线路维修人员的生命安全。目前，对孤岛效应的研究可以分为两种情况，即反孤岛效应和利用孤岛效应。反孤岛效应（可简称为反孤岛）是指禁止非计划孤岛效应的发生，由 于这种供电状态是未知的，将造成一系列的不利影响，并且随着电网中分布式发电装置数量的增多，造成危险的可能性更大，而传统的过/欠电压、过/欠频保护已经不再满足安全供电的要求。因此，
4、ULl741、IEEE Std929-2000中规定，分布式发电装置必须采用反孤岛方案来禁止非计划孤岛效应的发生。利用孤岛效应是指按预先配置的控制策略，有计划地发生孤岛效应，具体是指在因电网故障或维修而造成供电中断时，由分布式发电装置继续向周围负载供电，从而减少因停电而带来的损失，提高供电质量和可靠性。本章主要对光伏并网中的反孤岛效应进行研究。9.1.2 孤岛效应发生的机理孤岛效应发生的机理 光伏并网系统与本地负载相连，通过投闸开关连接到配电网上，其扑如图9-1所示，当电网停电或其他原因导致投闸开关断开时，光伏并网发电系统完全有可能与其周围本地负载一起形成孤岛。1孤岛效应产生的主要原因孤岛效应
5、产生的主要原因孤岛效应产生的主要原因有以下几个方面：1）公共电网检测到故障，导致网侧投闸开关跳开，但是并网发电装置或者保护装置没有检测到故障而继续运行。2）由于电网设备故障而导致正常供电的意外中断。3）电网维修造成的供电中断。4）工作人员的误操作或蓄意破坏。5）自然灾害（风、雨、雷电等）。以上几种情况都是电网非正常运行时所引发的孤岛效应。此时由于负载需求功率与发电装置输出功率的不匹配以及缺乏适当的电压和频率控制，所导致的不确定状况将会给电网和用户设备等带来一系列不利影响。图图9-1 孤岛研究的电网拓扑孤岛研究的电网拓扑 2孤岛检测的基本原理孤岛检测的基本原理电流控制型并网逆变器发电系统的功率图
6、如图9-2所示，DG表示分布式光伏发电系统。逆变器工作于单位功率因数正弦波控制模式，也即所带的本地RLC负载的谐振频率为电网频率，局部负载用并联RLC电路表示。负载功率与逆变器输出完全匹配的负载参数为R、L、C，不匹配的负载由R+R，L+L，C+C来表示。图图9-2 断网前后孤岛区域等效电路图断网前后孤岛区域等效电路图a)并网运行等效电路图并网运行等效电路图 b)断网后等效电路图断网后等效电路图loadloadPPPQQQ 2URP2f2ULfQ Pf22Q PCfV12fLC当电网正常运行时如图9-2a所示，逆变器向负载提供的有功功率为P、无功功率为Q，电网向负载提供的有功功率为P、无功功率
7、为Q，负载需求的有功功率为Pload、无功功率为Qload，U、f为公共耦合点a的电压和频率，根据能量守恒定律，a处的功率为 （9-1）（9-2）（9-3）（9-4）（9-5）式（9-4）中，f为谐振频率；Qf为负载品质因数。Qf等于谐振时每周期最大储能与所消耗能量比值的2p倍，Qf的值越大，负载谐振能力越强。如果谐振负载包含具体数值的并联电感L、电容C和有效电阻R，Qf的大小定义为 fLQRCfLC1QQ QP或 当电网掉电以后的等效电路如图9-2b所示，节点a处的电压变为U，RLC负载的谐振频率为 12()()fLLCC （9-6）由此可得 112()()211()()2LLCCLCffL
8、CfLLCCLC （9-7）如果逆变器过频（OFR）、欠频（UFR）继电器的动作值是fmax、fmin，则当断网后负载的不匹配程度满足下面不等式时，频率的变化没有越限，频率继电器不动作。maxmin1()()ffffLCffLLCC （9-8）令CL=0，则 22maxmin11ffLCfLCf（9-9）由此可得L、C和Q三者之间的关系为 22LC12()2()12(1/)2(1/)(1/)1/QUf CCf LLUfCC CfLL LQQC CL L（9-10）由式（9-9）、式（9-10）可以得出 22ffminLmax11fQfQQfPf（9-11）IEEE Std.1547-2003标
9、准规定：额定电网频率fnor=60Hz，fmin=59.3Hz，fmax=60.5，其中fnor为电网额定基波频率。我国额定电网频率采用的是fnor=50Hz，所以根据比例计算，fmin=49.417Hz，fmax=50.417Hz。并网运行时，逆变器输出的有功功率为 2/()PURR（9-12）电网断开后，负载的有功功率变为 2L/PUR（9-13）假设并网系统采用的是恒定功率控制，则有 222()UUUURRRR （9-14）简化上式，得 22RUURUU（9-15）并网运行时，AP由电网提供，即 22UUPRRR（9-16）则 222111/()UUPRRRPR RURR （9-17）9
10、.1.3 孤岛效应的危害孤岛效应的危害1）当电网无法控制孤岛发生区域中的电压和频率，可能发生供电电压与频率不稳定的现象，电源的电压和频率可能会对孤岛系统中的用电设备产生一定的损害。2）如果负载容量大于逆变电源容量，导致逆变电源过载运行，逆变电源容易被烧毁。3）孤岛的电压相量会相对于主网产生漂移，如果两者相位相差很大，当电网快速恢复时，可能引起孤岛系统并网重合闸时再次跳闸，甚至损坏发电设备和其他连接设备。4）当发电系统处于孤岛时，与逆变电源相连的线路仍然带电，可能会危及电力线路的维护人员的安全，降低电网的安全性。5）妨碍供电系统正常恢复供电。孤岛发生后，逆变电源的输出与电网失去了同步时序，当电网
11、恢复供电时可能因出现大的冲击电流而导致该线路再次跳闸（重合闸失败），导致损坏逆变器和设备。9.2.1 孤岛检测标准孤岛检测标准 9.2.2 孤岛检测方法研究现状孤岛检测方法研究现状1远程检测 远程检测是利用通信、电力载波等方法，在电网侧对孤岛状态进行检测。2本地检测（1）被动式检测法 被动式检测法是利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛效应检测。（2）主动式检测法 主动式检测法是指通过控制逆变器，使输出的功率、频率或相位存在一定的扰动，然后检测它的响应，根据检测到的响应参数的变化来确定孤岛是否发生。3其他检测方法9.3.1 过过/欠电压和高欠电压和高/低频率检测法低频率
12、检测法1检测原理 对于图9-2，电网正常（开关S1闭合）时，逆变电源输出功率为P+jQ，负载功率为，电网输出功率为。此时，公共耦合点a的电压幅值和频率由电网决定，OVP/UVP、OFP/UFP不会动作，即不会干扰系统正常运行。如果P0，逆变器输出有功功率与负载有功功率不匹配，则公共耦合点电压将发生变化；如果Q0，逆变器输出无功功率与负载无功功率不匹配，则公共耦合点电压的频率将发生变化。如果它们的变化超出了正常范围，就会使OVP/UVP、OFP/UFP动作，实现孤岛状态检测从而防止孤岛发生。2有效性评估 盲区描述是评判孤岛检测有效性的常用工具之一。由图9-4可知：1）在Qf=2.5时，在恒功率控
13、制方式下，在近7的无功差异和近40%的有功差异时，孤岛才能被检测到。这强调了孤岛产生的机率不可忽略，且随着光伏并网系统容量越来越大，功率失配的范围越来越小，孤岛发生的可能性将越大，危害也更严重。单纯依赖被动式孤岛检测不能满足实际需求。2）Qf的值越大，NDZ覆盖的无功失配的范围也越大。3）无功不匹配检测敏感性大于有功不匹配检测（6.89%1，电网失压后的公共点频率变化情况如下：1）如果负载呈阻性，则电压与电流同频同相，电流频率的变化被完全传递到电压上，频率每个周期都能在上一周期的基础上持续不断地单向偏移，所以AFD 对纯电阻负载没有检测盲区。2）若负载呈容性，电压将与电流同频但滞后于电流一定的
14、相位角，滞后的角度由负载相位角决定，电压的滞后延缓了电压过零点的到达时刻，使检测到的电压周期值增大。由此，AFD算法中电流给定使频率加快的改变不能完全传递到电压上，AFD对频率的扰动效应被负载相位角抵消了一部分。如果两者正好相抵，则相邻周期间电压过零时间间隔不发生变化，频率不会偏移，孤岛检测失败。3）若负载呈感性，电压将超前电流，加快了电压过零点的到来，使频率偏移在电流给定频率偏移的基础上进一步提速，电压频率被迅速增大，由此不会有检测盲区。但若AFD算法使频率反向扰动，即算法中m1，则感性负载有可能导致检测失败，而容性负载下孤岛能被顺利检出。至于RLC负载，如果RLC谐振频率与电网频率相等、断
15、网时负载呈阻性，本周期AFD对频率的扰动会被完全传递，使频率将升高（或降低），新频率下负载呈容性（或感性）。在负载相位角不为零后，AFD对频率的扰动效应会被负载相位角削弱（或增强）。频率越高（低），容（感）性越强，负载相位角的影响越大，直到AFD与负载相位角两者效果相抵，频率不再变化时达到稳态。3AFD法的缺陷 当孤岛现象发生时，逆变器的负载性质对逆变器输出电压的频率有一定的影响。主动式频率扰动法中，无论传统的AFD法还是AFDPF法，扰动信号cf均按一个方向对逆变器输出电压的频率进行扰动。当电网发生故障且负载性质不同时，逆变器输出电压的频率变化方向有可能与扰动信号方法相反，这会导致逆变器输出
16、电压的 频率误差积累较慢从而延长孤岛检测时间。特殊情况下，负载对逆变器输出电压频率的平衡作用会抵消频率扰动的作用，这种情况下会出现孤岛效应的漏判。9.4.2 周期性检测法周期性检测法 1工作原理图9-9 周期性扰动AFDPF孤岛效应检测方法的控制原理框图 2仿真分析9.4.3 滑膜频率漂移法滑膜频率漂移法1算法原理 滑膜频率漂移法检测孤岛的原理与AFD类似，两者的主要区别在于：AFD通过tz引入频率偏移，而SMS则是通过引入相位角偏移SMS。相位的变化将在孤岛形成后对入网点电压相角起到类似正反馈的作用而使逆变电源失稳。并网时电网电压和并网电流频率并不受此反馈影响。通常，逆变电源工作在单位功率因
17、数，逆变电源输出电流和公共点电压同频同相，加入SMS孤岛检测算法后，逆变器输出电流的频率不变，但相位发生偏移，是频率的函数，偏移大小由SMS移相算法决定。移相角SMS 表示为gSM Smmgsin2ffff（9-42）式中，m为滑动频率偏移算法的最大相移；fm为产生最大相移时对应的频率；f g为电网频率；f为公共点频率。移相角SMS在电网频率处相角为0，这是它并网时的稳定工作点，如果脱离了这个平衡点，它将沿正弦曲线变化。SMS相频曲线与负载相频曲线如图9-12所示。图9-12 逆变器SMS相频曲线和负载相频曲线 正常情况下，电网提供固定的相角和频率基准，将工作点稳定在工频50Hz处。孤岛形成后
18、，负载和逆变电源的相频工作点必须是负载线和相位响应曲线的交点。图9-12中，单位功率因数负载线和逆变电源SMS曲线在50Hz点处相交，相角为零。孤岛形成后，如果节点a电压频率有微小波动，逆变电源的S形相位响应曲线会使相位误差进一步增加，这就是正反馈的机理，使它产生不稳定状态。逆变电源在工频的这种不稳定性使它的波动加强并且驱动系统到一个新的工作点（A点或B点）。如果逆变电源相位响应曲线设计合理，A和B点频率超出OFR/UFR的范围值，从而检测出孤岛。2检测失败原因 与主动移频法类似，电压过零时刻的提前或推后受电流移相算法和负载相位角这两个因素的影响，如果两者大小相等、方向相反，频率保持不变，达到失压后的稳定状态。如果到达稳态前频率一直都在正常范围内，则孤岛无法顺利检出。3仿真分析 9.4.4 自动相位偏移法自动相位偏移法1工作原理针对SMS法的存在的问题，APS法做了如下改进：1）设置初始相位0，使得断网瞬间能可靠地触发频率偏移。2）令相角差 随频率偏离幅度的增大而增大，从而既避免了稳定运行状态的发生，又加快了频率偏移的速度。APSload2简化的APS 3仿真分析 图9-16简化APS法孤岛检测仿真波形及其并网电流THD
