（电气工程专业论文）分布式并网发电系统孤岛检测研究.pdf

硕l ? 学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er a p i d l yi n c r e a s i n go fp o w e rd e m a n da n dm o r ea n dm o r es e r i o u s e n v i r o n m e n tp r o b l e mh u m a nf a c i n g ，d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p sf a s t i nt h ew o r l dr e c e n ty e a r s ，a n dw i l lb ea ni m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h e f u t u r ep o w e ri n d u s t r y d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yn o to n l yc a ns o l v et h e e n e r g ya n de n v i r o n m e n ti s s u e s ，b u ta l s o c a nr e d u c ec o s t sa n dp o w e rl o s s e sa n d i m p r o v et h es t a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo fp o w e rs y s t e m h o w e v e r ，h u m a nw i l lf a c ea g r e a tt e c h n o l o g yc h a l l e n g e ，w h i l ee n j o y i n g t h eb e n e f i t sb r o u g h tb yd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n t h e r ew i l lb eb i gc h a n g ew i t ht h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o no fd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o ni t s e l fa n d t h ew h o l ep o w e rs y s t e m ，w h e nd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o no p e r a t e s c o n n e c t e dt og r i d s oh o wt oe n s u r et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h en e ws y s t e mw i l l b ei m p o r t a n ta s p e c to fr e s e a r c ho nd g i s l a n d i n gd e t e c t i o na n dr e l a t e dt e c h n o l o g yi s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fi t s om a n yi s l a n d i n gd e t e c t i o nm e t h o d sh a v eb e i n gp r e s e n t e d ，a n dt h e yc o n s i s to f l o n g - r a n g em e t h o d sd e t e c t i n gf r o mg r i d s i d ea n dl o c a lm e t h o d sd e t e c t i n gf r o m d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns i d e l o n g r a n g ed e t e c t i o nm e t h o d sa r en o tl i m i t e db yt h e k i n do fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n a n dl o c a ld e t e c t i o nm e t h o d sa r en o tc o m p l e t e l yt h e s a m ei na c c o r d a n c et ot h et y p e so fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n b e c a u s ei ti sd i f f i c u l tt o r e a l i z et h et e c h n o l o g ya n dt h ec o s t sa r es oh i g h ，l o n g r a n g em e t h o d sa r es e l d o mu s e d a n dl o c a lm e t h o d sa r ea l w a y ss e l e c t e d l o c a ld e t e c t i o nm e t h o d sc a nb ed i v i d e di n t o a c t i v ea n dp a s s i v ed e t e c t i o na s s a y a c t i v em e t h o d sh a v eh i g hd e t e c t i o ns e n s i t i v i t y ， b u tt h es t a b i l i t ya n dp o w e rq u a l i t yo ft h es y s t e mw i l le f f e c t w h i l e ，n o n d e t e c t i o n z o n eo fe x i s t i n gp a s s i v em e t h o d si sl a r g e a i m i n ga tt h es h o r t c o m i n g s o fe x i s t i n gm e t h o d s ，an e wm e t h o dd e t e c t i n g i s l a n d i n gb ym o n i t o r i n gt h ev a l u eo f, 圪i sp r o p o s e db a s e do na n a l y z i n gt h e b a s i cp r i n c i p l eo fp a s s i v ei s l a n d i n gd e t e c t i o nm e t h o d d i s t u r b a n c eo ft h es y s t e mi s i d e n t i f i e db yt h ec h a n g eo fa m p l i t u d eo rf r e q u e n c yo ft h ev o l t a g e ，t h e nc a l c u l a t et h e v a l u ea f l a v , i iandc o m p a r e tw i t ht h et h r e s h o l di ft h ec a l c u l a t e dv a l u esl a r g e r t h a nt h et h r e s h o l d w et h i n ki s l a n d i n gh a p p e n o r ，i ti sc o n s i d e r e dt h a t o t h e r d i s t u r b a n c eh a p p e n s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s a r ed o n ea s g r i d c o n n e c t e d i n v e r t e rd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o na n dl o w p o w e rs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rt oe x a m p l e ，b a s e do nc o n s i d e r i n g t h ei m p a c t so fc h a n g eo fl o c a ll o a d ，v o l t a g es a go fg r i d ，h a r m o n i cp o l l u t i o na n d p o w e rm i s m a t c ho ni s l a n d i n gd e t e c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h mi s s i m p l e a n df e a s i b l e ，f a s ta n dr e l i a b i e ，a n di th a sh i g hs e n s i t i v i t y ，g o o d a n t i i n t e r f e ：r e n c ea b i l i t y ，a n dv e r ys m a l l “n o n d e t e c t i o nz o n e ”，a n di ti sn o tl i m i t e d i i l 分布式并嘲发电系统孤岛检测研究 b yt y p eo fd is t r i b u t e dg e n e r a t i o n 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 g r i d - c o n n e c t e d i n v e r t e r ；i s l a n d i n gd e t e c t i o n ； n o n d e t e c t i o nz o n e i v 硕 学位论文 插图索引 图1 1 分布式发电系统的结构图2 图2 1 典型分布式发电系统示意图1 3 图2 2 检测盲区对孤岛检测的影响1 8 图2 3 孤岛效应的危险性分析“故障树”1 9 图3 1 电力线路载波通信检测法的原理图2 1 图3 2 电压相位突变检测原理图2 4 图3 3 负载和相位差的频率响应曲线2 6 图3 4 主动频率偏移检测法原理图2 7 图4 1 孤岛检测的等效模型3 0 图4 2 滞环控制电流瞬时值比较方式原理图3 4 图4 3 定时控制的电流瞬时值比较方式原理图3 4 图4 4 实时电流控制的三角波比较方式原理图3 5 图4 5 功率p i 调节示意图3 8 图4 6 考虑电流解耦补偿和电压前馈补偿的电流p i 调节示意图3 9 图4 7 逆变器输出功率曲线4 0 图4 8 逆变器输出电压、电流波形4 1 图4 9 并网逆变器孤岛检测仿真模型4 l 图4 1 0 逆变器并网控制系统的结构图4 2 图4 1 1 情形1 下p c c 处频率变化曲线4 3 图4 1 2 情形1 下p c c 处电压变化曲线4 3 图4 1 3 情形1 下d l = a f l 觚的变化曲线4 3 图4 1 4 情形1 下d 2 = a f v l 的变化曲线4 4 图4 1 5 情形2 下d 1 三厂的变化曲线4 4 图4 1 6 情形2 下d 2 = a f a v , 的变化曲线4 4 图4 图4 图4 图4 同步发电机孤岛检测仿真模型4 9 同步发电机的恒定功率并网控制结构图一4 9 情形1 下p c c 处电压变化曲线4 9 情形l 下p c c 处频率变化曲线5 0 v i l 分布式并网发电系统孤岛柃测研究 附表索引 表4 1 不匹配量为1 时孤岛检测实验数据4 6 表4 2 不匹配量为0 5 时孤岛检测实验数据4 6 表4 3 不匹配量为0 2 时孤岛检测实验数据4 7 表4 4 不匹配量为1 时孤岛检测实验数据5 0 表4 5 不匹配量为0 5 时孤岛检测实验数据5 1 表4 6 不匹配量为0 1 时孤岛检测实验数据5 1 v i i l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：嗜；九 日期：川7 年歹月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 ：伊) 年；具 b ：卅年厂月石日 原帆h刚w 汶懈 m 枇 硕一l j 学位论文 第1 章绪论 自2 0 世纪初以来，电力行业普遍把“大机组、大电厂和大电网 作为现代电 力工业的发展方向。经过百年发展，这种电力系统已具有相当规模，为世界经济 的繁荣和人民生活水平的提高做出了巨大的贡献。然而随着经济的发展和社会的 进步，人类对电能的需求量越来越大，并且对供电的电能质量和安全可靠性提出 了越来越高的要求，当前的这种电力系统的不足也逐渐显现出来。 当前电力系统的主要弊端有：不能灵活跟踪负荷的变化，随着负荷峰谷差的 不断增大，电网的负荷率正逐年下降，发电及输电设施的利用率都有下降的趋 势；对于偏远地区的负荷不能进行理想的供电，一种情况是距离现有电力系统太 远，输配电系统的投资较大，而另一种情况是由于自然条件太恶劣，现有电力系 统到用户的输电线路根本无法架设或建成后会经常出现故障；大型互联电力系统 中局部事故极易扩散，导致大面积的停电。因此可以说，现有的电力系统是既 “笨拙 而又“脆弱的，迫切需要找到一种更为灵活、稳定的发电方式。由于 目前世界范围内的能源危机和环境问题，高效和环保也是新型发电方式的重要特 点。正是在这种背景下引发了社会各界对分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 的关注。 大电网与分布式发电系统相结合即分布式发电系统的并网运行被世界许多 能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高系统可靠性和灵活性的 供电方式，是2 1 世纪电力行业发展的重要方向【2 】。然而，分布式发电在给人们带 来各种利益的同时，也将面临巨大的技术挑战。分布式发电系统与大电网的并网 运行，将使分布式发电系统本身以及电网的结构和运行方式都发生重大变化【3 】。 因此，如何保证新的复杂电力系统安全可靠运行将成为分布式发电技术研究的重 要内容，孤岛检测及相关技术的研究就是其中非常重要的一个组成部分。 本章简单介绍了分布式发电的定义、分类以及国内外分布式发电技术的发展 现状及应用前景，针对分布式发电对电力系统带来的影响，提出了孤岛检测的研 究意义并介绍了其国内外的研究现状。 1 1 分布式发电 1 1 1 分布式发电的概念 至今为止，世界各国对分布式发电都没有统一的定义。19 7 8 年美国公共事业 管理政策法对“分布式发电做出了明确定义，即：分布式发电是相对于传统的 集中式供电方式而言的，是指将发电装置以小规模( 几千瓦至5 0 兆瓦的小型模块 分布式并网发屯系统孤岛柃测研究 式) 、分散的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热和( 或) 冷能的系统。这 个概念从公布后正式在美国推广，后面逐渐被其它先进国家接受【4 j 。国际大型电 力系统委员会( c i g r e ) 将分布式发电定义为“非经规划的或中央调度型的电力生 产方式，通常与配电网连接，发电规模一般在5 0 - - - 10 0 m w 之间”p j 。2 0 0 2 年1 1 月，欧洲电力研讨会在布鲁塞尔召开，会议的论题之一是“分布式发电：过渡到 未来电力系统的挑战者”【6 】。 在近几十年的研究中，分布式发电系统有两种被大多数学者所认可的定义方 式。一种指出：分布式发电系统只包括小型的、有利于环境的发电装置，例如太 阳能发电系统、燃料电池、微型水电机或小型风力发电机等，这些装置的设计和 安装通常是为了满足偏远地区用户的需要；而另一种指出：分布式发电系统也指 所有靠近用户端的电力设施，而不论其规模和能源形式。后一种定义可包括大型 的联合发电装置，这些装置可以向电网输送几百兆瓦的电力。 目前的分布式发电系统通常是指分散地布置在电力负荷附近、容量在几千瓦 至几十兆瓦之间的、环保的、节能的发电装置，如燃气轮机、内燃机以及以太阳 能、生物能、化学能或风能为能源的发电装置等。分布式发电系统的结构如图1 1 所示。由于发电装置靠近用户，从而提高了服务的可靠性和供电的电能质量。另 外，技术的发展、公共环境政策的实施和电力市场的扩大等诸多因素的共同作用， 使得分布式发电成为新世纪电力行业发展的重要方向。 分布式电源； 分布式电源 ；局部电网1l ；局部电网2i ； 局部电网3 图1 1 分布式发电系统的结构图 根据所使用一次能源的不同，分布式发电系统可分为基于化石能源的发电系 统、基于可再生能源的发电系统以及混合式发电系统【7 j 。 ( 1 ) 基于化石能源的分布式发电系统主要由以下三种发电装置构成 往复式发动机：用于分布式发电的往复式发动机采用四冲程的点火式引擎 或压燃式引擎。它是以汽油或柴油为燃料的，是目前应用最广的分布式发电装置， 但是该装置会造成对环境的影响，最近通过对其技术上的改进，已经大大减少了 2 硕卜学位论文 噪音和废气的排放污染。 微型燃气轮机：它是指功率为几百千瓦以下的，以天然气、甲烷、汽油或 柴油为燃料的超小型燃气轮机。与现有的其它分布式发电装置相比，效率较低， 满负荷运行时效率只有3 0 ，半负荷运行时效率只有1 0 1 5 ，所以目前多采 用家庭热电联供的办法利用该装置废弃的热能，以提高效率。目前国外研究已进 入了示范阶段，其技术关键主要是高速轴承、高温材料和部件加工等。 燃料电池：它是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的电化学 装置。燃料电池在工作时不需要燃烧，也不污染环境。其阳极上通过富氢燃料， 阴极上通过空气，并由电解液分离这两种物质，在电化学反应中产生电能。在获 得电能的过程中，一些副产品仅为热、水和二氧化碳等。富氢燃料可由各种碳氢 源在压力作用下通过蒸汽重整过程或由氧化反应生成，因此燃料电池发电是一种 很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为2 1 世纪的分布式发电技术。 ( 2 ) 基于可再生能源的分布式发电系统主要由以下几种装置构成 太阳能光伏发电装置：它是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换 为电能的发电装置，可分为独立运行和并网运行两类。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，但是该分布 发电装置的成本非常高，所以现阶段利用太阳能发电还需要进行技术改进，以降 低成本从而能够广泛应用。 风力发电装置：它是将风能转化为电能的发电装置，也可分为独立运行与 并网运行两类，前者为微型或小型风力发电机组，容量为10 0 瓦l o 千瓦，而后 者的容量通常超过1 5 0 千瓦。近年来，风力发电技术进步很快，单机容量在2 兆瓦 以下的技术已经很成熟。 ( 3 ) 混合式分布式发电系统通常是指由两种或多种分布式发电装置及蓄能装 置组合起来形成的复合式发电系统。目前已有多种形式的复合式发电系统，其中 研究最广泛的是热、电、冷三联产的多目标分布式供能系统，通常简称为分布式 供能系统。它在生产电力的同时，也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的 需求。与传统供电系统相比，分布式供能系统的主要优点在于：可以大幅度提高 能源利用率、降低环境污染和改善系统的经济性。 分布式发电系统主要有两种运行模式，即独立运行模式( 孤岛运行模式) 以及 与电力系统并联运行模式( 并网运行模式) 。所谓孤岛运行模式是指负荷由分布式 发电系统单独供电的运行模式。而并网运行模式是指分布式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。在这两种运行模式中，前 者主要用于电网没有到达的地方，后者主要用于电网中负荷增长快速的区域和重 要的负荷区域。 分布式发电系统与传统的集中供电式电力系统的配合应用，即分布式并网发 3 分布式并| 叫发电系统孤岛榆测研究 电有以下优点【8 j ： ( 1 ) 分布式发电系统中各电站相互独立，由于用户可以自行控制，不会发生 大规模停电事故，所以安全可靠性比较高； ( 2 ) 分布式发电可以弥补大电网安全稳定性的不足，在意外灾害发生时继续 供电，已成为集中供电方式不可缺少的重要补充； ( 3 ) 分布式发电系统可对区域电力的质量和性能进行实时监控，非常适合向 农村、牧区、山区以及发展中城市或商业区的居民供电，大大减小了环保压力； ( 4 ) 分布式发电的输配电损耗很低，甚至没有，无需建配电站，可降低或避 免附加的输配电成本，同时土建和安装成本低； ( 5 ) 分布式发电系统可以满足特殊场合的需求，如用于重要集会或庆典的( 处 于热备用状态的) 移动分散式发电车； ( 6 ) 分布式发电系统调峰性能好，操作简单，由于参与运行的系统少，启动 和停用快速，便于实现全自动。 分布式发电系统的主要作用是提高供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害情 况下保证重要用户的安全工作。与大型计算机一一微机的关系类似，分布式发电 系统将是未来“微电网”( m i c r o g r i d ) 的重要组成部分，在未来电力市场中是一种 极有竞争力的发电方式。 1 1 2 分布式发电的应用及前景 随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电网的规模迅速膨胀，这种发展所 带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对广大经济欠发达的 农村地区特别是农牧地区和偏远山区来说，要形成一定规模的、强大的集中式供 电网需要巨额的投资和很长的时间周期，能源供应的不足严重制约了该地区的经 济发展。而分布式发电则刚好可以弥补这些集中式发电的局限性，例如我国西北 部广大农村地区的风力资源十分丰富，像内蒙古己经形成了年发电量1 亿千瓦时 的电量，在能保证本地区充足用电的同时，还可向北京地区送电，这种无污染的 绿色能源可以减轻当地的环境污染。在基于可再生能源的分布式发电系统中，除 风力发电外，还有太阳能发电、中小型水电等，都是解决我国偏远地区缺电的良 好办法，应引起足够的重视 9 。 在我国城镇，分布式发电作为集中供电不可缺少的重要补充，将成为未来能 源领域的重要发展方向。而在分布式发电技术中应用最为广泛、前景最为明朗的， 应该首推热、电、冷三联产技术。因为对于中国大部分地区的住宅、商业大楼、 医院、公用建筑和工厂来说，都存在供电、供暖和( 或) 制冷需求，很多地方都配 有备用发电装置，这些场所都是热、电、冷三联产的多目标分布式供能系统的广 阔市场。 4 硕十学位论文 目前，国内分布式发电在电力系统中所占的份额还比较小，但是随着电力负 荷的快速增长，电力市场化的推行，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，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 为城市配电网的工业、商业、企事业以及居民等用户提供电力，主要发 电形式为小型燃气轮机、燃料电池以及太阳能发电等； ( 2 ) 为农业、山区、牧区以及偏远用户提供电力，主要发电形式为小型燃气 轮机、风力发电、化学能发电以及太阳能发电等； ( 3 ) 用于能源的综合利用，在城市主要表现在为居民小区、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；在农村主要表现在为住户实现废物 处理利用、供气以及供电等生态能源循环体系的建立和完善； ( 4 ) 乖l j 用分布式发电启动快、分布广，便于电力调度等特点，为电力系统的 紧急控制提供后备容量以及事故后的支撑点和启动点，通过分布式电源与大电网 的相互补充、协调，能够有效地提高系统的鲁棒性。 在美国，容量为1 k w 到1o m w 的分布式发电装置和储能装置正在成为未来分 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。由于新的能源需求与老 电厂的退役，预计美国国内到2 0 2 0 年要增加1 7 x 1 0 1 2 千瓦时的用电，这几乎是近 2 0 年增量的2 倍。为了解决这个巨大的缺口，以满足市场的需要，美国能源部提 出了以下几个涉及分布式发电的计划，包括燃料电池、微型燃气轮机以及燃料电 池和微型燃气轮机的混合装置等。下一个十年之后，美国的分布式发电市场装机 容量估计每年将达5 x 1 0 9 6 x 1 0 9 w 。可以预计在不久以后，分布式发电将在美 国得到相当的发展。 此外未来能源将形成私人电站大发展的分布式发电格局，例如美国人设想2 1 世纪将出现家庭小型发电站，每户家中都将装有两只电表，分别负责电力的“输 入”和“输出”【10 1 。显示电力“输入”的电表在绝大多数时间里都在转动，这 是来自大型中央发电站的电力。而当偶尔电力不足或电价上涨时，家中地下室里 的一台小型发电机就会运转起来，它发出的电力不仅能带动家中的所有用电设 备，而且还可以将多余的电力出售给当地的电网。拥有私人电站的个人可以报名 签订“边际成本供电的合约，当供电公司需要额外的电力时，就可以遥控开启 个人的发电设备。 如果说电力市场化是电力行业的重大策略改革，那么分布式发电可认为是电 力行业的重大技术改革，两者共同作用将使未来的电力行业呈现全新的面貌。随 着电力体制改革的发展，分布式发电也可以为一些用户提供一种“自立 的选择， 使其更能适应易变的电力市场。此外由于分布式发电装置的安装周期短，不需要 现存的基础设施，并且与大型的中央电站及发电装置相比总投资较少，因此在电 5 分布式并网发电系统孤岛柃测研究 力竞争性市场建立后分布式发电系统的作用将会日益明显和重要，从而可与现有 电力系统结合形成一个高效、灵活的电力系统，提高整个社会的能源利用率，提 高整个供电系统的稳定性、可靠性和电能质量。此时大型中央发电站就如同一些 大型主计算机一样，而发展趋势将是“分布式发电，即把发电站设在用户附近， 这样电力公司就可以拆除核电站和燃煤电站，也不必划分街区布置配电电缆。 1 1 3 分布式发电对电力系统的影响 虽然分布式发电系统一般安装在配电网络中，但是对整个电力系统都会产生 很大的影响，主要表现在： ( 1 ) 对电力市场的影响 电力工业解除管制和电力市场的兴起，使得各种分布式发电方式能够在统一 开放的交易市场上进行公平竞争，从而为电力用户提供多种选择的机会【ll 】： 不同的电力供应商；不同时段的用电；不同的供电质量；不同计量方式； 不同的费率结构；不同的付款方式；不同的用户侧管理计划；自己发电 或者蓄电【l2 1 。 、 配电网的开放，引入了电力零售市场，电力零售市场上电力供应竞争给企业 自备电厂和用户自己安装的分布式电源带来商机，拥有分布式电源的用户在电力 零售市场上面临三种选择：从电网受电；自己发电，自给自足；自己发电 并向电网卖电【】3 1 。根据发电竞争市场的电价信息和零售电力市场的需求信息， 用户完全可以用活自己的分布式发电装置，让它发挥更大的作用，产生更大的效 益，为自己或者附近用户提供供暖和供电服务。电力零售市场的建立将会确立电 力零售机制，任何形式的发电商都可以作为电力供应商向零售电力市场提供电力 产品，在零售市场上公平竞争【14 1 。 ( 2 ) 对电能质量的影响 分布式发电是建立在电力电子技术基础之上的，大量的电力电子转换器增加 了大量的非线性负载，将会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的谐波 污染，分布式发电对电能质量主要有两个方面的影响： 电压闪变分布式发电引起电压闪变的因素包括：某个大型分布式发电单 元的启动、分布式发电单元输出的短时剧变以及分布式单元与系统中电压反馈控 制设备相互作用而带来的不利影响。 引入大量谐波由于大量电力电子器件应用于分布式发电，所以不可避免 地给系统带来大量谐波，谐波的幅度和阶次受到发电方式以及转换器的工作模式 的影响。文献 15 分析了分布式电源对电能质量的影响，针对大型配电网讨论了 引入分布式电源后一些重要母线的谐波电压水平，提出了可以在谐波电压水平较 高的母线上安装特殊滤波器来抑制谐波的方法。 6 硕十学位论文 虽然分布式发电的引入会造成电压闪变，并引入大量谐波，但是分布式发电 也存在改善电能质量的潜力，当电网关联负载较大时，分布式发电可以快速投入 使用，使系统尽可能减少故障，提高整个电网的稳定性，从而保证了电能质量。 ( 3 ) 对可靠性的影响 如果分布式电源仅作为备用电源则可以提高系统供电的可靠性，但如果分布 式电源与电网并联运行，就可能降低系统的可靠性，例如：对于含有大量分布式 电源的系统，如果分布式电源间相互协调不好，就会降低整个系统的可靠性。另 外，在系统中出现扰动时，由于分布式电源的高度不确定性( 如光伏发电受太阳 辐射强度影响) ，也可能降低系统的可靠性。目前，实际系统一旦出现扰动，通 常会切除所有的分布式电源使系统恢复到原来的结构，但这并不是最佳解决方 案。文献 1 6 研究了当一个含有分布式电源系统的配电网发生大扰动且处于紧急 状态时的优化切负荷问题。文献 17 】提出了一种可以提高系统可靠性的分布式发 电系统孤岛运行策略。综合利用这两种方法，当配电网中发生大的扰动时，可以 切除一部分接有分布式电源单元的负荷以保证系统的稳定性i 同时保证相应的分 布式电源单元仍然能够向被切除的负荷供电，那么系统的可靠性将得到很大的提 高，用户方将得到持续供电。 ( 4 ) 引起非计划的孤岛效应 在某些情况下( 如跳闸、断线等) ，一部分电网突然与大系统断开，这部分小 电网内的分布式发电系统将临时向负荷独立供电，这种状态就是非计划的孤岛运 行。由于非计划孤岛的出现具有不可预知性，运行条件缺乏事先规划，因而绝大 多数不能满足电力系统安全可靠性的要求，将会带来许多问题【ls j ： 电能质量下降。孤岛小系统内功率不平衡，频率和电压都发生变化，很难 保证电能质量； 威胁公众及运行人员的安全。由于非计划孤岛效应的范围不确定，不能明 确系统元件、线路是否带电，造成了对维修人员、运行人员、公众的安全威胁； 影响自动重合闸。形成孤岛运行后，分布式电源可能仍对跳闸线路的另一 端供电，造成检无压重合闸失败，或因孤岛与主系统失步，检同期合闸失败，从 而引起不必要的停电。 无意中形成的孤岛，可能会对系统、用电设备、维修职员等造成危害，而且 低劣的电能质量会损害孤岛中的负荷。但是，随着孤岛控制技术的发展，孤岛能 保持足够的调节容量用来应付干扰，具有足够的动态有功无功调节能力和维持运 行能力的话，那么孤岛对于分布式发电系统所有者、一些重要负荷以及整个电力 系统的供电可靠性都是有利的。 本文将深入研究分布式发电系统的孤岛效应，并提出快速有效的孤岛检测方 法，以尽可能地消除非计划的孤岛效应的不利影响。 7 分布式并网发l 乜系统孤岛榆测研究 1 2 孤岛检测的研究意义 所谓“孤岛”是指：当电网供电因故障事故或停电维修而跳断时，用户端的 分布式发电系统未能即时检测出孤岛状态而将自身切离市电网络，而形成由分布 式发电系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛【l9 1 。 孤岛一旦产生，将会危及电网输电线路上维修人员的安全；影响配电系统上 的保护开关的动作程序，冲击电网保护装置；影响传输电能质量，电力孤岛区域的 供电电压与频率将不稳定；当电网供电恢复后会造成相位的不同步；单相分布式 发电系统会造成系统三相负载欠相供电 20 1 。因此，对于一个并网系统必须能够 进行反孤岛检测。 在北美，最新标准( 如u l l 7 4 l 或c s ac 2 2 2n o 1 0 7 1 0 1 等) 认可的逆变器， 应用在与大电网并网的分布式发电系统中时，都必须内置电压和频率阈值，如果 孤岛发生时，电压和频率的偏移超出继电器允许范围，则分布式发电系统停止供 电。 基于逆变器的分布式发电系统形成的孤岛是否对大电网自动重合闸带来危 险这一观点，不同国家持有不同见解，其差异取决于这些国家或地区自动重合闸 的实际应用情况。某些欧洲国家如荷兰主要把自动重合闸用在中、高压架空输电 线路上，他们不相信通常和低压配电网连接的基于逆变器的分布式发电系统形成 的孤岛能够延伸到输电线路上。因此，这些国家认为孤岛不会对自动重合闸造成 实质性的危害。但北美一些国家经过仔细研究认为孤岛是自动重合闸一个潜在危 害，至少有可能会对分布式发电系统中的逆变器造成损害。 孤岛的形成可能会干扰自动或手动恢复供电操作，其原因在于当分布式发电 系统输出功率和孤岛中负荷所消耗功率相接近时，孤岛能够持续下去，影响自动 或手动恢复供电操作。经研究发现分布式发电系统输出功率和负载所消耗功率随 时间而变化，持续时间较长的孤岛与短期孤岛相比出现的概率要小的多【2 1 | 。研 究人员在对基于逆变器的分布式发电系统孤岛研究时发现，孤岛持续几分钟几乎 是不可能的。因此综上所述，孤岛对恢复供电操作的影响主要应考虑供电自动恢 复的情况，如自动重合闸。 孤岛对电力线路维护人员或其它人员造成的危害通常被认为是最严重的。因 为其涉及人身安全而不再仅仅是考虑设备可能的损坏或故障。目前，人们对这种 危险的可能性己经做了广泛的分析。只有在同时具备以下四点时，孤岛才能对人 员安全造成危害：一是由于故障、维护或检修等原因保护设备打开；二是孤岛中 分布式发电系统的输出功率( 有功和无功) 和本地负荷所消耗的功率相接近；三是 当孤岛系统运行在检测盲区( n o nd e t e c t i o nz o n e ，n d z ) 内，或者孤岛检测原理 上存在问题，使得分布式发电系统没有检测到孤岛发生；四是必须在没有遵守带 硕i j 学位论文 电线路保护规程的情况下，触摸到一个非绝缘导体。 综上所述，孤岛虽然可能会对人员造成危害，但其发生率很低，为每年1 0 - 9 数量级。因此，鉴于以上几点因素，在对孤岛检测方法的选择上，要优先考虑其 在原理上合理、不容易失败，而不是一味地追求灵敏度高、理论上检测盲区小的 方法。 1 3 孤岛检测的研究现状 孤岛检测是近二十多年由于分布式发电快速发展而产生的安全保护措施，其 最初是从太阳能光伏并网发电系统研究开始的。随着d g 在发电系统中所占比重 越来越大，人们对孤岛检测方法的研究形成了新的研究热点。目前对于孤岛检测 方法的研究主要集中在日本、欧美和德国，且大多数研究都是针对并网逆变器型 分布式发电系统的。各国学者在研究过程中己提出了许多有效的孤岛检测方法。 文献 2 2 提出了光伏发电系统并网逆变器的锁相环控制电路动态数学模型。 当逆变器处于孤岛运行状态时，该模型可使逆变器的输出电压相位产生偏移，从 而检测出孤岛。文献【2 3 】分析了光伏发电系统并网逆变器侧电压、相位和谐波测 量，主动频率偏移、输出电压或电流偏移和功率偏移以及电网侧的电压检测和容 性无功注入等孤岛检测方法，并分析了谐波电压孤岛检测方法的有效性。 文献 2 4 提出了在d g 注入无功功率并测量电压幅值变化的主动式孤岛检测 方法。当测量到的电压变化小于1 ，而d g 与电网的连接点的注入无功功率没有 变化时，则说明d g 处于孤岛运行状态。文献 2 5 提出了光伏逆变器主动频率偏 移和滑模频率漂移的孤岛检测方法。对于电感性负荷，当逆变器处于孤岛状态时， 主动频率偏移可使逆变器的输出频率增加，而滑模频率漂移将使逆变器的输出电 流相位为输出电压频率偏移的函数。该文指出滑模频率漂移孤岛检测的鲁棒性更 强。然而，对于某些负荷，主动频率偏移和滑模频率漂移方法可能失效。 文献f 2 6 提出了针对此问题的自动相位偏移的孤岛检测方法。当分布式电源 处于孤岛状态时，相位偏移算法可持续保持逆变器端电压的频率偏移，直到保护 电路动作。文献 2 7 针对于孤岛运行时d g 功率不匹配量较小，常规孤岛检测方 法失效问题，提出了电压失衡和电流总谐波畸变( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 相结合的孤岛检测方法。此检测方法提高了孤岛检测的有效性。 文献 2 8 提出了d g 电压相位角偏差的孤岛检测方法。该方法采用企业内部 互联网和相位角测量技术，由两个单元组成：一个单元位于电网中的变电站；另 一个单元位于d g 与系统连接的公共连接点。两个单元通过广域网连接，该方法 可检测出当d g 功率不匹配小于1 时的孤岛状态。文献 2 9 提出了基于燃料电池 的分布式发电系统鲁棒孤岛检测方法。该方法通过向系统不断注入5 的无功功 9 分布式并网发电系统孤岛柃测研究 率扰动，并测量电压和频率的变化来检测孤岛。此方法甚至在谐振负荷情况下仍 能检测出系统是否处于孤岛状态。文献 3 0 阐述了基于同步发电机的d g 特点， 提出了采用正反馈或负阻尼的孤岛检测方法。当d g 处于孤岛运行状态时，正反 馈可使电压或频率不稳定，从而检测出孤岛。 文献 3 1 】综合评价了光伏并网发电系统各种孤岛检测方法的性能。文献 3 2 综述了目前d g 孤岛检测方法，并着重分析了基于旋转电机的主动式孤岛检测方 法，讨论了多d g 情况下，孤岛检测的灵敏性问题。文献 3 3 基于孤岛检测的检 测盲区( n d z ) 的概念，评价了三种最常用的被动式孤岛检测方法：过欠电压、高 低频率和电压相位突变检测方法的性能，并指出采用n d z 的概念，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。 基于通信的孤岛检测方法由于需要的设备多、投资比较大，性能价格比不高。 因此目前所提出的方法主要为本地检测方法。本地孤岛检测方法中，被动式检测 方法主要通过监测系统中的参数如电压、频率和相位等是否偏离正常值实现。该 方法投资最小，但具有n d z 大的缺点。主动式检测方法是向连接的线路中引入 微小的扰动，然后检测其响应，根据检测到的响应参数的变化来确定孤岛是否发 生。某些主动式孤岛检测方法n d z 很小，甚至可做到无n d z ，但由于要在系统 中引入扰动信号，这将使系统中的电能质量降低，并对系统的稳定性有一定的影 响。 1 4 本文的研究内容 进行孤岛检测研究的主要目的在于保证分布式并网发电系统的安全可靠性， 消除并网系统和电力人员由于孤岛带来的不利。针对目前的孤岛检测方法所存在 的一些问题，本文提出了一种简单实用的新型孤岛检测方法，并在理论分析基础 上，通过仿真实验研究验证了该方法具有简单可靠，快速有效，灵敏度高，抗干 扰能力强，检测盲区小，且不受分布式电源类型限制的优点。 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 简单介绍分布式发电技术的定义、分类以及国内外分布式发电的发展现 状及应用前景，并针对分布式发电对电力系统带来的影响，提出孤岛检测的重要 意义并介绍其国内外的研究现状。 ( 2 ) 详细分析孤岛效应发生的机理，孤岛检测的关键点，各种孤岛情况发生 的可能性及其危害性。 ( 3 ) 介绍目前常用的孤岛检测方法，包括远程检测法、并网逆变器的本地检 测法和同步发电机的本地检测法，并阐述各种方法的优缺点。 1 0 硕十学位论文 ( 4 ) 首先简单分析被动式孤岛检测的原理，并在已有文献基础上提出新的孤 岛检测算法，然后分别以并网逆变器和同步发电机为例，在m a t l a b 建模基础 上对分布式并网发电系统作孤岛检测仿真实验研究，论证该方法的有效性和优越 性。 ( 5 ) 对本文进行总结和展望。 分布式并网发 乜系统孤岛榆测研究 第2 章孤岛效应的基本问题 当主电网跳闸时，分布式发电系统的非计划孤岛运行将会对用户以及配电设 备造成严重损害，因此实际并网系统中分布式发电装置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能力。分布式并网发电系统的孤岛 效应主要带来以下几个不利的影响【3 4 】： ( 1 ) 孤岛效应会使电压及其频率失去控制。如果分布式并网发电系统中的分 布式电源没有电压和频率的调节能力且没有安装电压和频率保护继电器来限制 电压和频率的偏移，孤岛后分布式电源的电压和频率将会发生较大的波动，从而 对区域配电网造成影响以及对用户设备造成损坏； ( 2 ) 孤岛的分布式