（电力电子与电力传动专业论文）孤岛检测在光伏发电并网系统中的应用.pdf

a b s t r a c 叮 a b s t r a c t d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nw i t hl o c a lr e n e w a b l ee n e r g yh a sb e e nan e wp o w e re l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , a c c o m p a n y i n g t h ef a s td e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lp o w e ri n d u s t r y g r i d - c o n n e c t e d p h o t o v o l t a i c ( p v ) s y s t e mi st h em o s tf a m o u ss t a rd u e t oi t sc l e a na n ds a f ec h a r a c t e r i s t i c 1 1 1 e 鲥d c o n n e c t e dp vs y s t e m sp r o d u c i n g r e v c a s ep o w e rf l o wm a d et h ei s l a n d i n gb e c o m et h e o n eo ft h em o s tp o p u l a rs u b j e c t s b e c a u s et h ei s l a n d i n gd og r e a th a r mt ot h ep o w e rn e t w o r k o p e r a t i o n , i ti so fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t or e s e a r c ht h em e t h o d so fa n t i i s l a n d i n gn o w a d a y s 啊1 c a u t h o rp r o p o s e ss e v e r a lc o n c e p t i o n sr e l a t e dt oi s l a n d i n g , s u m m a r i z e st h ev a r i o u si n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d sa i m i n ga tt h i sp r o b l e m ，p u t sf o r w a r da l le v a l u a t i o nm e t h o dw h i c he v a l u a t e st h e p e r f o r m a n c eo f t h ea l g o r i t h m so fi s l a n d i n gd e t e c t i o nb yd r a w i n gt h en o n d e t e c t i o nz o n e s ，a n d s u m m a r i z e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a lp a s s i v ea n da c t i v ea n t i i s l a n d i n gm e t h o d s m e a n w h i l e r e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sb a s e do nas i n g l e - p h a s e 百d c o n n c t e dp vs y s t e m t h ec o m m o n c o n t r o ls t r a t e g i e si ss i m p l i f i e di nt h i sp a p e r , a n das i n g l ep h a s eg r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e mi s e s t a b l i s h e du n d e rt h es i m u l i n ks i m u l a t i o np l a t f o r mw i t hp r o p e rc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hl a y st h e f o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo ft h ea n t i i s l a n d i n gm e t h o d s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti ft h ei n v e r t e r w o r k so nt h eu n i t yp o w e rf a c t o rs i n u s o i d a lw a v ec o n t r 0 1m o d ei tc a np r o v i d et h em a x i m u ma c t i v e p o w e rf o rt h el o a d t h ea u t h o ri m p r o v e st h ep a s s i v ea n d a c t i v ea n t i i s l a n d i n gm e t h o d sb a s e do nt h i s r e s u l ta n dt h ee x i s t i n gd e t e c t i o na l g o r i t h m s p a s s i v em e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sb a s e do nt h et h ev o l t a g ea n df r e q u e n c yd e t e c t i o no f t h ec o m m o np o i n t s an e wm e t h o dw h i c ha l s od e t e c t st h er a t eo fc h a n g eo ff r e q u e n c yb e s i d e st h e t r a d i t i o n a lm e t h o d si si n t r o d u c e d t h i sa l g o r i t h ms e l e c t st h er e a s o n a b l ep a r a m e t e r sb yc o n s u l t i n g t h et e c h n o l o g ys t a n d a r d so fi e e e b e c a u s et h ea n a l y s i si sb a s e d0 1 1t h ep o w e rf l o w , t h e n o n d e t e c t i o nz o n ei sp l o tu n d e rt h ea p x a qc o o r d i n a t es y s t e mi nt h i sa l g o r i t h m t h ea u t h o r d i s c o v e r e dt h a tt h en o n d e t e c t i o nz o n ec a nb er e d u c e d ，t h ev a l i d i t yo ft h ea l g o d t h r nc a l lb e e n h a n c e da n dt h ea d v a n t a g e so ft h ep a s s i v em e t h o dc a nb em a i n t a i n e dm e a n w h i l ew i t ht h i sm e t h o d a c t i v em e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sb a s e do nt h ee x i s t i n ga c t i v ef r e q u e n c ys h i f tm e t h o d t l i sm e t h o db r e a k st h ep o w e rb a l a n c ew h i c hm a ye x i s ti na ni s o l a t e di s l a n do p e r a t i o n ad e t a i l e d w o r da n dp i c t u r ed e s c r i p t i o ni sg i v e nt oe x p l a i nt h ep r o c e s so ft h i sa l g o r i t h m b e c a u s et h ea c t i v e m e t h o di sn o tb a s e do nt h ep o w e rf l o w , t h en o n - d e t e c t i o nz o n ei sp l o tu n d e rt h e 三g o r r ac o o r d i n a t e s y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da c t i v em e t h o dc 锄a c c e l e r a t et h ed e t e c t i o n ，w i t h s m a l l e rn o n d e t e c t i o nz o n ea n df e w e rh a r m o n i c s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；p v ；g r i d c o n n c t e di n v e r t e r ；i s l a n d i n g ；n d z ；a c t i v e f r e q u e n c yd r i f tm e t h o d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：查淦 e l期：出墨b 墨金鱼 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：趑导师签名： 第1 章绪论 1 1 分布式发电系统总述 1 1 1 分布式发电系统产生背景 第1 章绪论 早期电力系统以分布于各地的零散小系统的形式存在，各个小系统相互独立。但随着社会发展和技术 水平不断提高，大量生产、集中管理、远距离传输、灵活分配和自动控制的互联电力系统提高了电力供应 的安全可靠性，使电力系统运行更加高效。以大型发电厂集中发电，经过高压输电线路远距离输电，再通 过中低压配电网络将电能分配给用户的供电方式已成为主流【1j 。 随着国民经济结构的调整和电力行业的飞速发展，当今社会对电力供应的质量与安全可靠性要求越来 越高。目前电力工业的“大电网、大机组”模式存在很多弊端捌： l 、局部事故容易扩散。 大电网中任何一点故障所产生的扰动都会对整个电网造成影响，严重时可能引起大面积停电甚至全网 崩溃，造成灾难性后果，而电力系统越庞大，事故( 如雷击) 发生的概率越高。 2 、不能灵活跟踪负荷的变化。 随着负荷峰谷差的不断增大，电网的负荷率逐年下降，发输电设施的利用率都有下降趋势。 3 、不能满足对环保和节能的要求。 大型火电机组需要消耗大量的以煤为主的化石能源，给环境带来了严重的污染，研究利用清洁能源和 可再生能源发电成为迫在眉睫的课题【z j 。 利h j 地方性可再生能源进行电力生产的分布式发电就是在这种情况下产生的新电力电源技术。这种发 电方式容量小、分布散，发电系统靠近用户，克服了目前集中式发电方式易受威胁的安全问题，提高了服 务的可靠性和供电质量。随着技术的发展、公共环境政策和电力市场的扩大等因素的共同作用，分布式发 电将成为新世纪电力行业发展的重要方向u j 。 1 1 2 分布式发电系统概念 分布式发电系统( d g ，d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) 如图1 1 所示，通常是指容量小于i o m w ，并在需要 的时候能提供电能的发电系统或是能量储备发电系统【3 1 。 负载 l o a d s 分布式发电单元 d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nu n i t s 图1 1含分布式发电系统的电网结构图【4 】 l 东南大学硕士学位论文 目前，并网分布式发电系统被公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主 要方式，是2 1 世纪电力工业的发展方向。这种发电方式的应用主要有以下优点嘲：( 1 ) 分布式发电系统中 各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模停电事故，安全可靠性较高，弥补大电网安全稳定性 的不足；( 2 ) 适合向农村、牧区、山区以及发展中城市或商业区的居民供电，大大减小环保压力：( 3 ) 输配电 损耗很低，无需建配电站，可降低或避免附加的输配电、土建和安装成本；( 4 ) 调峰性能好，操作简单。 1 1 3 分布式发电系统的发展前景 在1 1 1 节已提到，集中式供电存在相当多的安全问题。同时，我国由于特殊国情各地经济发展不平 衡，对广大经济欠发达的农村地区来说，要形成一定规模的、强大的供电网需要巨额的投资和长时间周期， 能源供应的不足严重制约了这些地区的经济发展1 2 j 。而分布式发电则刚好可以弥补这些局限性。例如基于 可再生能源的风力发电、太阳能发电、中小型水电等，都是解决我国偏远地区缺电的办法【2 】。可见，分布 式发电技术在我国有着良好的发展前景。在美国，容量为1 k w 到i o n i w 的分布式发电装置和储能装置正 成为未来分布式发电系统的有用单元。分布式发电的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，可以满足工 业、商业、居住和交通应用等一系列的要求l 川。 目前，分布式发电在电力系统中所占份额较小，但是随着电力负荷的快速增长，电力市场的推行，以 及分布式发电技术和电力电子技术的发展，分布式发电在未来十年内将会有实质性的发展，促使电力行业 呈现全新的面引2 】：( 1 ) 为城市配电网的工业、商业、企事业及居民等用户提供电力，为农业、山区、牧区 及偏远用户提供电力；( 2 ) 用于能源的综合利用，在城市为居民小区、商用楼宇等提供制冷、供热以及供电 等综合的能源解决方案，在农村为住户实现废物处理利用、供气以及供电等生态能源循环体系的建立；( 3 ) 利用分布式发电启动快、分布广、发电调节容易等特点，为电力系统的紧急控制提供后备容量及事故后的 支撑点和启动点，与人电网相互补充、协调。 1 2 光伏并网发电简介 目前，电力需求量与日俱增，以煤、石油为主的不可雨生能源储藏量有限，且地球温室效应、酸雨等 带来的环境污染已经造成了人类生存环境的恶化。因此，寻求替代能源t f j 于发电的要求迫在眉睫。以新能 源组成的分布式发电系统( 如太阳能并网发电) 具有分布广、密度低等地域特点，备受瞩目 6 1 。 1 2 1 光伏并网发电太阳能利用方法之一 光伏发电利用光伏电池这一半导体材料将可再生的太r l 能转化成电能。光伏发电具有不消耗燃料、不 受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠以及维护简单等优点1 2 j 。 光伏发电的主要应用形式有独立光伏发电系统和光伏发电并网系统1 7 】。所谓独立运行模式是指负荷由 光伏发电系统单独供电的运行模式。而并网运行模式是光伏发电系统接入电力系统的配电网，与原有系统 一起向负荷供电的运行模式。 独立光伏发电系统主要用于电网没有到达的地方，但是光伏电池价格昂贵、发电量受环境影响明显的 缺点致使光伏发电并网系统成为解决此问题、充分利用光能的途径之一。光伏并网发电系统与旋转式发电 机发出一r 频交流电并入电网的发电方式不同，利刚电力电子技术中的逆变器将直流电逆变为工频交流电后 间接与电网相连。它主要用于电网中负荷快速增长和重要的负荷区域肛j 。 1 2 2 国内外光伏并网发电的发展趋势 自2 0 世纪7 0 年代全球发生石油危机以来，各国政府从环境保护平u 能源可持续发展战略的角度出发， 纷纷制定政策，鼓励和支持光伏发电技术。美国于1 9 8 8 年开始实施p v u s a 计划，经历集中型光伏发电并 网系统( 1 m w p - - 1 0 m w p ) ；德国从1 9 9 9 年启动最著名的“屋顶光伏”计划，超过2 0 0 0 户家庭安装了屋顶 式光伏发电装置。平均每个分布式发电单元发电量达3 k w 。此外，意大利、印度、瑞士、荷兰、两班牙 都有类似的计划【7 】。虽然光伏发电与常规发电相比有技术条件的限制，如投资成本高、系统运行的随机性 等，但由于它利用的是可再生的太阿i 能，因此其前景依然被看好。 2 第1 章绪论 我国的光伏技术起步晚，发展缓慢，但近1 0 年来也取得了巨大的进步。1 9 9 7 年后我国出现了示范性 光伏发电并网系统，并且预计光伏发电并网系统将在未来1 0 - - 2 0 年内迅速发展。 1 3 孤岛效应问题 光伏发电并网系统在有效利用电能的基础上， 求。由于光伏发电并网系统出现了反向输送电能， 岛现象成为最主要的话题之一【s 】。 1 3 1 孤岛效应问题的产生 需要保证逆变电源的电压、频率、相角满足并网技术要 电能质量及电网的安全成为十分重要和突出的问题，孤 据国际能源机构( i e a ) 提供的报告【9 】：所谓孤岛效应是指当电网的部分线路冈故障或维修而停电时， 停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周用负载构成一个自给供电的孤岛的现象。 目前对孤岛效应的研究主要集中在反孤岛效应，即孤岛检测。由于孤岛运行状态供电状态是未知的， 可能造成一系列的不利影响。u l l 7 4 1 t 1 0 1 ，i e e es t d 9 2 9 1 i j 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。孤岛效应通常发生在低压电网，但是当电网中分布式发电装置的数量很多时， 也可能发生在较高电压的配电网和输电网中l 厶引。 1 3 2 国内外的反孤岛问题研究现状 国际上先后制定的并网技术标准如u l l 7 4 1 t 1 0 1 、i e e es t d 。9 2 9 1 川和i e e es t d 1 5 4 7 1 【1 2 1 等都规定了并网 发电装置必须具有反孤岛保护功能，并设计出具体的反孤岛测试电路【2 l ，日本、欧美和德国已经发展了多 种适用于光伏并网发电系统的孤岛检测方法。 国内在孤岛检测研究这一方面尚处于肤浅的研究阶段，而且大多处于电压、频率检测阶段，主动法研 究的文献尚不多见，成果也很少。 1 4 课题研究内容及主要解决问题 本课题主要研究的是以单相光伏发电并网系统为基础，参考目前已有的国内外孤岛检测的方法，改进 反孤岛方案的被动法和主动法。本文被动法中除了过欠电压和过欠频率这两种传统的检测方法外，引入 了频率变化率的检测方法。三种被动法的使用可以减少检测盲区，并且无需增加硬件设施，充分发挥被动 法的优势。本文改进的主动法基于已有的主动频率偏移法，根据电压频率的变化趋势，周期性地施加合适 的扰动，在发生孤岛运行时打破可能存在的功率平衡，检测出孤岛运行，减小检测盲区。 本文研究的内容主要可以分为三部分： 第一部分包含整个光伏发电并网系统，使用s i m u l i n k 仿真软件模拟系统的运行，便于在其基础上施 加各种合适的孤岛检测算法。 第二部分主要研究合适的孤岛检测被动法。发电系统并网处电压和频率的检测是最基本的后备保护方 法，在此基础上，施加频率变化率的检测法，选择合适的阀值，不仅可以最火程度地检测出孤岛运行，还 可以防j l - 由于电网增减负载情况下电力参数变动引起的误动作。算法应用于光伏发电并网仿真系统中，检 验其有效性。 第三部分主要改进孤岛检测主动法。本课题也适当对主动频率偏移法进行改进，克服原方法的不足， 得到了改进后的方法改进的脉冲式主动频率偏移法。基于s i m u l i n k 平台仿真算法在光伏发电并网系 统中的应用，检验算法的有效性。 本课题需要解决的问题和预期目标为： l 、 建立光伏发电并网系统的仿真模型； 2 、 结合目前的被动法和主动法，重点研究对主动频率偏移法的改进，寻找算法稳定可靠、减少检测盲区、 减少对电网的影响、检测速度加快的算法： 3 、 寻求合适的指标评估算法的有效性及改善。 3 东南大学硕士学位论文 1 5 论文的结构安排 本文参考了国内外大量的有关分布式发电及光伏发电并网系统孤岛效应的技术文献、研究报告和参考 标准，从孤岛效应产生的原理出发，阐述了目前国外反孤岛策略的工作原理和优缺点。基于已有的被动法 和a f d ，参照i e e es t d 9 2 9 2 0 0 0 发展了m - a f d p c f ，依据检测盲区( n d z ，n o n - d e t e c t i o nz o n e ) 的概念 对孤岛检测方法的有效性进行了评估。 本论文主要章节结构安排如下： 第l 章绪论，由目前分布式发电概况引出光伏发电并网系统在国内外的关注及讨论，引出其存在的重 要问题之瓠岛效应。 第2 章由孤岛效应存在的危害强调了孤岛检测研究的重要意义，同时也给出了在研究孤岛检测中涉及 到的负载品质因数办检测标准、检测方法的评估等重要内容。 第3 章概述了国内外已经提出的可以应用于光伏发电并网系统的孤岛检测方法，介绍了各方法的优缺 点。 第4 章介绍了孤岛检测方法所要应用的单相光伏发电并网系统的系统结构及仿真模型。 ， 第5 章在传统的频率变化率的概念基础上，结合了逝欠电压、过欠频率等被动方法，完善了孤岛检 测的被动法，基于m a t l a b 的仿真和z l p a q 坐标轴系的检测盲区分析显示，此法提升了孤岛检测方法的 可靠性。 第6 章为了克服被动法在孤岛检测中的不足，提出了主动法为主的孤岛检测。以传统的a f d 和脉冲 式主动频率偏移法为基础，文章介绍了m a f d p c f 。用m a t l a b 实现仿真设计，其波形和基于x g 一 坐标系的检测盲区的分析得出，这种改进后的方法性能大大改善。 第7 章总结了本文孤岛检测方法的改进，并指出课题有待深入研究的方向。 4 第2 章研究孤岛效应涉及的若干问题 第2 章研究孤岛效应涉及的若干问题 2 1 孤岛效应发生的原理及危害 2 1 1 孤岛效应发生的原理 通过示意图2 1 说明接入大电网的分布式发电系统可能形成的孤岛效应。原本开关s 3 后只接入负载 的母线l 经由并网变压器及两个并网开关将分布式发电系统引入传统电网，反向输送电能。当开关s 3 由 于电网设备故障、电网维修造成的供电中断、工作人员的误操作或蓄意破坏、自然灾害而跳开时，分布式 发电系统的输出可能与负载形成孤岛运行。孤岛运行时，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会给电网和用户设备带来一系列不利影响。因此，要在最短时间内检测到孤岛 运行，发出跳开并网开关s l 或s 2 的信号，维持系统的安全运行。 图2 1电网发生孤岛运行示意图 下面以光伏发电并网系统为例分析孤岛效应的产生过程，并总结孤岛效应发生的条件。 图2 2 光伏并网发电系统的功率流向图 图2 2 是光伏发电并网系统的功率流图，代表本地负载的r l c 并联电路通过公共结点a ，经由变压器 t 与逆变后的光伏发电系统连接，同时通过开关2 与人电网并联运行。整个系统止常j i ：作时，大电网可看 作容量无穷大、电压稳定的理想电压源。公共结点a 处的电压钳位于电网电压正常值。假设逆变器j ：作于 单位功率冈数止弦波控制模式，光伏阵列以同步电流形式向电网输送功率，即输出无功为零。 当电网正常运行时，根据能量守恒原理，节点a 处的功率流具有以下规律： = 吃v + 肚 r ，1 、 纰d = 瓯。+ q 式中 p 衍v 一逆变器向负载提供的有功功率( w ) ； 口加广逆变器向负载提供的无功功率( v a r ) ； 彳p 一电网向负载提供的有功功率( w ) ； s 东南大学硕士学位论文 4 卜电网向负载提供的无功功率( v ；岫( a p 、4 q 可正可负，即与图所示同向或反向) ； 气广负载正常工作需要的有功功率( 哪； q ，加厂一负载正常工作需要的无功功率w a r ) 。 r l c 并联电路两端的电压及其频率与负载有功无功有如下所示关系： 矿2y 2 2 寺。寺 ( 2 2 ) 奶脚2 曙( 壶一彩c ) = 咋( - 一略c ) 式中 卜公共结点a 处的电压有效值； n 卜_ 一结点a 处电压的角频率 r a d ) 一电网电压有效值( v ) ； 广电网电压的角频率( t a d ) 。 电网正常工作的时候，公共点a 处的电压及频率就是电网的电压及频率，即y 产，= 。 联立公式( 2 1 ) ( 2 2 ) 可得： 矿2 = + a p = ， ( 2 3 ) i 、7 2 除+ q 。嘭右一o 若电网由于故障导致其中有断路器( 如图2 2 中的开关2 ) 断开时，负载获得的电能尸埘、q 删完 全由光伏发电系统提供，如式( 2 4 ) 所示： v 1 2 p 删= = ( 2 4 ) 1 q 乙= 鲸= 矿：( = 等一功o 式中 p 蛔r 一开关2 断开后负载实际得到的有功功率( w ) ； q 。广开关2 断开后负载实际得到的无功功率( v a r ) ； 圪开关2 断开后a 点电压有效值( v ) ； 。开关2 断开后a 点电压的角频率( 1 a d ) 。 式( 2 ，1 ) 可以看出，如果逆变器提供的功率与负载需求的功率相匹配，即只涮= 沪加，、q 姗一- - - 0 栅= 口。那么 当线路维修或故障而导致网侧开关k 跳开时，由( 2 5 ) 看出公共藕合点a 处电压变化不大。 p 乙哦= j 堡r = 孚j 吃= g o ( 2 5 ) 同时，由于逆变器工作在单位功率因数正弦波控制模式( 光伏阵列输出无功为零) ，光伏逆变器将驱 使并网电流的频率改变直到与之间的相位著为0 ，保持输出电流与端电压v a ( 即唯) 同步，即 的频率到达一个( 也是唯一的) 稳态值，郎负载的谐振频率石，这是q 加产q 衙却的必然结果。这种因电 网跳闸而形成的无功功率平衡关系可用相位平衡关系来描述，即嘲删+ 既产0 t 2 j ，其中如，代表由所采用的 反孤岛方案决定的逆变器输出电流超前丁端电压的相位角，西捌指负载阻抗角，在并联r l c 负载的情况 下，口加广协1 1 1 【r ( ( 础) - 1 0 9 c ) 】- 从以上分析可以看出，孤岛效应发生的条件是1 2 j ： l 、逆变器提供的有功功率与负载所需有功功率相匹配； 2 、逆交器提供的无功功率与负载的无功功率相匹配，即满足相位平衡关系9 f o 耐+ 钆产o 。 2 1 2 孤岛效应带来的危害 当前电力系统的设计与建设没有考虑分布式发电系统的存在，若配网中某条线路发生故障，会依靠最 第2 章研究孤岛效应涉及的若干问题 近的继电保护装置来清除。一旦此配网中存在光伏发电并网系统或其他分布式发电方式，逆变器会继续向 与大电网断开的配网供电，在一些特殊情况下形成孤岛效应，带来诸多不利影响1 2 , 1 3 ： l 、电压和频率的不稳定。光伏发电并网系统装置大多没有电压和频率的调节能力，孤岛效应使电压及频 率失去控制，发生较大的波动，电能质量得不到保证，直接损害电网和用户设备。 2 、重合闸问题。孤岛系统被重新接入电网时，由于重合闸时系统中的发电装置可能与电网不同步，使断 路器装置受到损坏，且可能产生很高的冲击电流，导致电网重新跳闸，干扰电网正常供电的恢复。 3 、给相关人员带来电击的危险。原本由于断路器断开后不应带电的线路仍然继续供电，电网维修人员和 用户可能不知情地接触到线路而引起人身伤害：只要孤岛效应持续时间超过几秒钟，就有可能造成电 击的危险。 安全、可靠地向用户输送高质量的电能是禁止孤岛发生最重要的原因。当主电网跳闸时，光伏发电装 置的非计划运行将对用户以及配电设备造成严重损害，因此实际电网系统中必须具备反孤岛保护的功能， 即具有检测孤岛效应并及时与电网切离的功能。 2 2 反孤岛测试电路中的负载品质因素9 在对反孤岛方案进行研究和测试时发现，负载的谐振能力越强，电路系统的频率保持在谐振频率处的 趋势越强，利用频率偏移的反孤岛方案实际上就越难使频率发生偏移，也就不会对孤岛状况做出正确且及 时的判断。由于谐振频率等于电网频率的并联r l c 负载可以形成最严重的孤岛状况【l 引，因此在进行反孤 岛测试之前，必须对负载的谐振能力进行定量的描述，即引入负载品质因数q p i e e es t d 9 2 9 l 中q r 定义为：负载品质因数q 厂等t - i l 警振时每周期最大储能与所消耗能量比值的2 n 倍。 这里只考虑与电网频率接近的谐振频率，冈为如果负载电路的谐振频率不同于电网频率，就有驱动孤岛系 统的频率偏离频率止常| 1 ：作范围的趋势。从定义中可以看出，负载品质冈数q 厂越大，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 ，如图2 2 所示，则： 9 ：尺层 ( 2 6 ) 由于谐振频率定义为= l 历，上式可化为： q r ：三 ( 2 7 ) 山r l 如果谐振电路中消耗有功功率为p ，感性负载消耗无功功率为，容性负载消耗无功功率为b c ，则： 毋：丝当 ( 2 8 ) 谐振时，与相等，此时r l c 负载表现为阻性负载，( 2 8 ) - 7 简化为： p q 厂= 吾 ( 2 - 9 ) 其中b = - - p g c 。 反孤岛测试中负载q 的选择很重要，选择太小的9 将导致逆变器检测不到孤岛效应，而选择太大的 q ，又不切实际的，将导致逆变器不能做出正确的判断2 1 。由于实际电网中负载的品质冈数大于2 5 的情况 儿乎不可能，因此u l l 7 4 1 t 1 0 1 和i e e es t d 9 29 【1 规定反孤岛测试电路中并联r l c 负载的品质因数小于2 5 。 因此，本文q ，采h j 上限2 5 作为负载的设定。 2 3 孤岛检测内容研究 2 3 1 孤岛检测方法国内外研究现状 当前分布式发电系统中一个重要的安全问题就是避免电网跳闸后系统中的发电装置发生孤岛效应，解 决办法就是及时检测到孤岛效应并立即断开发电装置与电网的连接。目前已经研究出很多反孤岛方案，其 7 东南大学硕七学位论文 中一些已经应用于实际并网控制中。然而在选择反孤岛方案时，必须考虑分布式发电装置的工作特性。分 布式发电装置通常可以分为以下几种k j ： l 、 同步发电机。这种类型的分布式发电装置通常连接到主馈电线。同步发电机具有足够的能力来维持孤 岛运行，所以其反孤岛保护被看做是最有挑战性的任务。 2 、异步发电机。由于异步发电机需要电网提供无功功率，不能支持孤岛运行，无需反孤岛保护。但如果 孤岛系统自身可以提供足够的无功功率，可以用频率继电器来检测自激励状况，以进行反孤岛保护。 3 、 并网逆变器。由于其输出功率较小，通常连接到低压备用馈电线。并网逆变器可以与局部负载形成孤 岛，因此，研究出的多种反孤岛方案大都是针对并网逆变器的。 目前已研究出的反孤岛策略主要分为基于通讯的反孤岛策略和本地反孤岛策略。 基于通讯的反孤岛策略主要是利用无线电通讯检测孤岛效应，其性能与分布式发电装置的类型( 同步 发电机和并网逆变器) 无关，主要有断路器跳闸信号【1 4 j 和电力线载波通讯方案1 1 5 j 。 本地孤岛检测通过监控分布式发电装置的端电压及电流信号来检测孤岛效应，主要分为被动法和主动 法。被动法仅测量的电压或频率是否异常，包括过欠压和过欠频保护0 6 - 1 8 、相位跳变 1 6 , 1 9 、电压谐波检 测1 1 6 - 1 8 等。由于被动法准确检测的范围有限，为满足并网系统反孤岛效应的安全标准，必须采用主动法。 主动法向系统中引入扰动信号，通过系统中电压、频率以及阻抗的相应变化，以确定电网的存在与否，主 要包括输出功率变动 1 6 , 1 8 , 2 0 , 3 4 1 、阻抗测量方案【2 0 , 2 1 1 、滑模频移2 2 1 、主动式频移1 7 - 2 2 2 3 1 、阻抗插入法【1 7 , 1 8 , 2 4 以及s a n d i a 频移 1 3 , 2 3 1 等方案。由于基于微处理器的并网逆变器控制方便且易于执行，广泛采用主动法【2 j 。 文献 9 】综合评价了光伏逆变器系统各种孤岛检测方法性能。文献【2 5 】总述了目前d g 孤岛检测方法， 并讨论了多d g 情况下，孤岛检测的灵敏性问题。文献【2 6 】基于孤岛n d z 的概念，评价了三种最常用的被 动法：过，欠电压、过欠频率和相位突变检测方法的性能，不仅可识别影响孤岛检测方法性能的主要因素， 而且还可为减小n d z 提出孤岛检测的优化组合方法。 图2 3 显示了主要的反孤岛策略的分类。本文的第三章将简单介绍各种反孤岛的工作原理及优缺点。 言 【恒函路裁圃 图2 - 3 孤岛检测方法分类图 2 3 2 孤岛效应相关国际标准 由于并网技术要求与配电网的结构和运作制度有关，不同的国家对并网技术要求的规定不同【2 ，对孤 岛检测的方法要求也不同。一些国家如荷兰仅要求过欠频保护来反孤岛，其它国家如德国则要求采用过 欠电压、过欠频率和阻抗测量方案组厶【2 8 】：日本标准也要求至少采用种主动法和被动法结合的孤岛检测。 此外对孤岛效应检测时间的规定也有筹别，例如美国的一些研究机构选择1 s 作为允许的检测时间，日本规 定的检测时间为0 5 s - - 1 s ，德国规定检测时间不超过5 s u 。 目前，北美提倡的并网技术标准如u l l 7 4 1 l l 、i e e es t d 9 2 9 i n 和i e e es t d 1 5 4 7 1 1 2 j 等占主导地位。 都规定了并网发电装置必须具有反孤岛保护功能，并设计出具体的反孤岛测试电路和测试方法，不局限使 8 第2 章研究孤岛效应涉及的若干问题 用某种具体的检测方法。这已经被许多电力公司作为分布式发电系统互联标准和北美并网逆变器的设备安 全标准- j - t 3 。 i e e e 标准规定：( 1 ) 当逆变器对一个典型的孤岛负荷供电时，若负荷的有功功率和逆变器输出功率之 间至少存在5 0 的不匹配( 即负荷有功功率小于逆变器输出功率的5 0 或大于逆变器输出功率的1 5 0 ) ， 或者孤岛中负荷功率因数小于0 9 5 ( 超前或滞后) ，则在小于或等于1 0 个正弦波周期内逆变器停止向线路 供电；( 2 ) 如果电源输出的有功功率和负荷功率的匹配在5 0 之内，并且孤岛负荷的功率因素大于0 9 5 ，只 要逆变器所连接负荷的品质因素小于或等于2 5 ，则逆变器应在孤岛发生后的2 秒钟以内停止向系统供电。 i e e es t d 9 2 9 2 0 0 0 和i e e es t d 1 5 4 7 2 0 0 3 根据孤岛效应发生时的具体情况推荐了不同的孤岛效应检测 时间，如表2 1 所示。表中性能标准要求当逆变器输出功率和负荷功率相差很大时，能快速检测出孤岛 并将逆变器与负荷断开；当负荷功率和逆变器输出功率相差不大时允许使用较长时间。 表2 1 i e e es t d 9 2 9 2 0 0 0 f 2 9 1 允许的孤岛效应检测时间 状态电网跳闸后电压幅值电网跳闸后电压频率允许的检测时间( s ) a 隆o 5 。 6c y c l e s b0 5 v 0 8 8i - 。 2s e c o n d s c0 8 8 琏1 1 0 圪。 2s e c o n d s d 1 1 0 圪。 3 0 k w 的发电装置， 电压和频率的范围以及孤岛效应检测时间都是现场可调的。 2 、圪。指电网电压幅值的额定值。对于中国的单相市电，为交流2 2 0 v 一( ：f i - 效 值) 。 3 、石一指电网电压频率的额定值。对丁中同的单相市电，为5 0 h z 。 2 3 3 反孤岛运行的检测盲区表示方法 经过理论分析和相关实验，发现儿乎所有的反孤岛方案都存在检测失败的情况，即存在n d z p0 1 。由 于可以用不匹配功率的大小和具体负载对n d z 进行定量的描述，而反孤岛方案n d z 的大小反映了该方案 检测孤岛效应的有效性。因此n d z 可以做为评估反孤岛方案有效性的一个性能指标。通常被动式反孤岛 方案的有效性用功率不匹配坐标系a p x a q 描述的n d z 米评估【l 引。但是由于不匹配功率的大小4 p 、4 q 反 映的是电网跳闸前后系统中功率流的变化情况，因此i p 1 q 坐标系不能对主动式反孤岛方案的n d z 进行 定鼍描述。为了准确的评估主动式方案，m i c h a e le r o p p 等提出了一种基于具体负载参数的坐标系l g 一 【3 1 1 ，h u i l is u n 等建议采用负载特征参数坐标系q 厂确来评估反孤岛方案，可以针对最坏情况的负载进行分 析，并且清楚表现出负载电阻的变化对反孤岛方案n d z 的影响 引。 9 东南大学硕士学位论文 第3 章光伏发电并网系统孤岛检测方法 由于本文旨在研究用于光伏并网发电系统的孤岛检测，重点讨论和分析适用于这种逆变器系统的反孤 岛策略，并比较了各反孤岛方案的优缺点。 3 1 基于通信的孤岛检测方法 基于通信的孤岛检测方法依靠无线电通讯传输孤岛状态信号，主要有传输断路器跳闸信号n 4 1 和电力线 载波通讯方案【1 5 1 。 3 1 1 传输断路器跳闸信号 传输断路器跳闸信号的方法监控电路中所有可能导致孤岛形成的断路器或自动开关的状态。当某个开 关动作导致分布式发电系统中变电站目前断路，中央控制单元计算出孤岛范围，并立即发送信号跳开分布 式发电机和负载之间的断路器1 2 j 。 对于拓扑结构固定，自动重合闸数量有限的变电站，状态信号可以从每个监控点直接送给分布式发电 装置，避免采用中央控制单元【2 】。然而如果系统中有多个自动开关且馈电线拓扑变化时，必须监控分布式 发电装置与变电站之间所有自动开关和断路器的状态，收集最新的配网拓扑信息。此外，方案需要大量的 通讯做支持，其中无线电通信或电话线是最常用的方式，在无线电信号覆盖不到的区域或电话线到达不了 的地方，该方案无法实施u j 。 传输断路器跳闸信号方法对有着同定拓扑结构的馈电线来说有效并且简单，并且在故障清除后，还可 以用同一个中央控制单元提供分布式发电装置的重连接信号。然而其成本高、执行复杂。这是因为系统中 所有可能的分离点都需要安装信号发送器，并且通讯必须覆盖分布式发电装置所在的区域【2 j 。 3 1 2 电力线路载波通信 电力线载波通讯采用输电线传输信号：连接在变电站二次侧的信号发送器连续不断地向所有配电线路 上的分布式发电装置发送信号。每个分布式发电装置都装配有信号监测器，如果监测器没有接收到信号( 由 变电站与发电装置间断路器的跳开导致的) ，就说明变电站和该d g 设备之间的任何一个断路器可能跳闸， 则d g 处于孤岛运行状态。分布式发电装置立即停止运行1 2 j 引。 当电网中分布式发电装置连接的数量较多时，电力线载波通讯方案仅需要一个信号发生器，连续的信 号发送也使得方案很可靠。由于不必考虑馈电线拓扑结构的改变，该方案很容易执行并且发送的信号不 会干扰系统的正常运行，对输出电能质量和系统的暂态响应没有不利影响l 引。然而，信号发生器是一个中 压装置，连接时需要降压变压器，如果仅有少量的分布式发电装置使用该装置，花费不合理。同时，载波 信号可能与其它电力线通信如自动读表装置产生干扰【3 】。 3 2 基于并网逆变器的本地检测法 上文已经提及，并网逆变器系统的反孤岛策略可以分为被动法和主动法。被动法通过检测并网逆变器 与电网连接的公共藕合点a 处( 如图3 1 所示) 电压的异常来检测孤岛效应。而主动法通过有意地引入 扰动信号，米监控系统中电压、频率以及阻抗的相应变化，以确定电网的存在与否： 为了便丁分析，作出如一卜假设：( 1 ) 并网逆变器运行丁单位功率因数止弦波的控制模式；( 2 ) 并网逆变器 近似为电流源；( 3 ) 局部负载为并联r l c 负载；( 4 ) 电网维持稳定的电压和频率。 图3 1 是图2 2 的简化图，突出了并网逆变器系统的 二作原理，由并网逆变器、电网、并联r l c 负 载以及逆变器侧开关k 1 和电网侧开关k 2 组成。工作原理如2 2 1 节同理，变量的物理含义及工作过程在 2 2 1 节中已有详细的阐述，在这里将直接使用上文提及的变量，不再赘述。 1 0 第3 章光伏发电并网系统孤岛检测方法 图3 1并网逆变器系统电压、频率分析原理电路 3 2 1 基于逆变器的被动检测法 并网逆变器的被动式反孤岛方案