（电路与系统专业论文）光伏并网逆变器孤岛检测方法研究.pdf

摘要 近年来，人们对能源的需求日趋增加，传统的发电方式受能源短缺和环境污染的影 响而面临改革，因此，分布式发电应运而生。光伏发电就是其中一种备受关注的分布式 发电技术，以其零污染、可再生、资源的普遍性、机动灵活等优势，在全球范围内开展 了深入研究，并获得广泛应用。然而，光伏发电并网系统潜藏着一种对电网、设备和人 身都影响很大的危害孤岛效应，对其检测和防护是目前颇受关注的一个课题。 根据课题背景，在传统被动式孤岛检测方法和主动电流幅值偏移法的基础上，本文 提出了一种新的复合式孤岛检测方法，该方法的主要思想：一方面，实时检测公共点电 压频率、相位的变化；另一方面，每隔n 周期主动对逆变器输出的电流施加幅值偏移信 号，通过实时检测公共点电压幅值的变化来检测孤岛的发生。该孤岛检测方法避免了单 一传统孤岛检测方案的不足，可以快速检测出孤岛、实现无检测盲区、不会对电网产生 谐波污染。 其次，为了能够减小对光伏发电系统输出功率的影响，并快速检测出孤岛现象，提 出了一种新的主动电流幅值偏移法的思想。这种思想，通过适当地选取光伏发电系统输 出电流偏移的频率值以及光伏发电系统输出电流在偏移周期内的幅度值，相对减小了对 光伏发电系统输出功率的影响，同时缩短了孤岛检测的时间，提高了系统的性能。 最后，搭建了孤岛检测仿真模型，使用m a t i ，a b s i m u l i n k 软件对新方法进行模 拟仿真。为了验证新方法的可靠性，本文基于d s p t m s 3 2 0 c 3 2 搭建了系统实际结构图， 对新方法进行了小功率实验。通过分析仿真结果和实验结果，可知，本文提出的这种复合 式孤岛检测方法能够有效地检测出孤岛现象。 关键词：光伏发电，逆变器，并网，孤岛检测 a b s t r a c t r e c e n t l yp e o p l e sd e m a n do ne n e r g yi si n c r e a s i n gd a yb yd a y b e c a u s eo fp o w e rs h o r t a g e sa n d e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，t r a d i t i o n a lw a yo fg e n e r a t i n gp o w e rf a c e st h er e f o r m ，d i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o n a r i s e sa tt h em o m e m p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ni so n eo ft h ec o n c e m e dd i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o n t e c h n o l o g y , w h i c hh a sz e r op o l l u t i o n ，r e n e w a b l e ，u n i v e r s a l i t yo fr e s o u r c e s ，f l e x i b l ea n do t h e ra d v a n t a g e s 1 1 1t h eg l o b a lr a n g e p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o nr e s e a r c hi sd e e p e n e da n da c c e s s e st oaw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n s h o w e v e r , 鲥d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m s c o u l dp r o d u c et h ei s l a n d i n ge f f e c t w h i c hh a sg r e a th a r mt ot h ep o w e rg r i d ，e q u i p m e n t sa n dp e r s o n s n o w a d a y si s l a n d i n gd e t e c t i n ga n d p r o t e c t i o ni sav e r yp o p u l a rp r o j e c t a c c o r d i n gt ot h eb a c k g r o u i l do ft h es u b j e c t , b a s e do nt r a d i t i o n a lp a s s i v ei s l a n d i n gd e t e c t i o n m e t h o d sa n da c t i v ec u r r e n ta m p l i t u d eo f f s e tm e t h o d ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wc o m b i n e di s l a n d i n g d e t e c t i o nm e t h o d a n dt h em a i ni d e a so ft h es c h e m ea r ea sf o l l o w s ：o no n eh a n d ，r e a l - t i m ed e t e c t i n gt h e c h a n g eo nf r e q u e n c ya n dp h a s eo ft h ep u b l i cp o i n tv o l t a g e ； o nt h eo t h e rh a n d ，e v e r ync y c l e st h es y s t e m c h a n g e si n i t i a t i v e l yi n v e r to u t p u tc u r r e n ta m p l i t u d es i g n a l ，a n dd e t e c t i n gt h eo c c u r r e n c eo f t h ei s l a n d i n g t h r o u g ht h er e a l - t i m ed e t e c t i o no ft h ec h a n g eo ft h ep u b l i cp o i n tv o l t a g ea m p l i t u d e t h en e wi s l a n d i n g d e t e c t i o ns c h e m en o to n l yc a na v o i dt h ei n s u f f i c i e n to ft h es i n g l et r a d i t i o n a li s l a n d i n gd e t e c t i o ns c h e m e ， q u i c k l yd e t e c ti s l a n d i n g ，b u ta l s oc a nr e a l i z en on o n d e t e c t i o nz o n e ，n oh a r m o n i cp o l l u t i o no n t h ep o w e r q u a l i t y s e c o n d ，i no r d e rt or e d u c et h ei n f l u e n c eo np h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e mo u t p u tp o w e ra n d d e t e c tt h ei s l a n d i n gf a s t , t h i sp a p e rp r o p o s e san e wp l a na b o u tt h ea c t i v ec u r r e n ta m p l i t u d eo f f s e t t h i sp l a n w h i c hc h o o s e sa p p r o p r i a t e l yp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m so u t p u tc u r r e n ta m p l i t u d ei nt h eo f f s e tc i r c l e s a n dt h ef r e q u e n c yo fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m so u t p u tc u r r e n to f f s e t ，r e d u c e sr e l a t i v e l yt h ee f f e c to n p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e mo u t p u tp o w e r , s h o r t e n st h ei s l a n d i n gd e t e c t i o n t i m ea n di m p r o v e st h e p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m f i n a l l y , s i m u l a t i o nm o d e l sa r e b u i l ta n ds i m u l a t i o n so ft h en e wm e t h o da r ec a r r i e d o u tb y m a t l a b s i m u l i n k i no r d e rt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h en e wm e t h o d ，t h ea c t u a ls t r u c t u r es y s t e m s i i i b a s e do nd s pt m s 3 2 0 c 3 2a r eb u i l t e x p e r i m e n t so ft h en e wm e t h o da r ec a r r i e do u t b ya n a l y z i n go ft h e s i m u l m i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ec a ns e et h a tt h en e w l yp r o p o s e di s l a n d i n gd e t e c t i o nm e t h o dc a n e f f e c t i v e l yd e t e c tt h ei s l a n d i n gp h e n o m e n o n k e y w o r d s ：p h o t o v o l m i cg e n e r a t i o n , i n v e r t e r s ，g d d c o n n e c t e d ，i s l a n d i n gd e t e c t i o n i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于河南省重点科技攻关基金项目( 编号：1 0 2 1 0 2 31 0 0 4 1 ) 1 2 光伏发电背景及意义 随着中国经济的飞速发展，人类对能源的消耗量也在日益增加，全球化石能源( 主 要是煤、石油、天然气、铀等) 的储量已经日益枯竭【l 】。放眼世界范围内，根据目前已 经勘探的化石能源储量，并按照当今的开采技术水平进行统计，全球剩余石油可开采的 年限已不容乐观，据相关权威机构统计，仅剩3 8 7 年的开采量；对于占据全球能源每年 总使用量达2 7 5 的天然气，也仅仅剩余5 8 年的开采量；而储量相对较大的煤炭，也 仅仅剩余2 2 5 年的可开采量；人们寄予厚望的核能原材料铀，按照目前人类的技术， 可以分离开采的也只能持续6 7 年。相较于世界范围的统计，中国国内状况更加不容乐 观，中国国内天然气剩余2 8 年的储量；煤炭只有短短的7 9 年，铀的储量只有4 7 5 年一 一中国是个极度贫铀的国家。面对这些数据，经济社会发展的压力不可谓不重，有远见 的科学家已经开始着手解决这个影响人类发展的问题。 另外，大量开采、使用化石能源已经是造成全球环境污染的主要原因。基于此，相 关研究部门发现了发展可再生能源的重要性。可再生能源的种类有很多，目前人们主要 关注的方向相对比较集中，比较常见的有清洁的太阳能【2 j ，成本较高的风能，技术比较 成熟的水力发电，以及小而精尖的生物发电等。这些方向中，水力发电以严重影响水生 生态而一直受到诟病【3 1 ，风能以其不稳定性，远程传输时的较高成本受到制约【4 1 ，生物质能 以其发电量较小且污染高，未能获得推广【5 】，发展前景广阔的太阳能给人类带来了新的 解决能源的手段。太阳能转换成电能的优势特别显著，在应用之初，影响效率的硅技术 的发展瓶颈也被一一突破，以其取之不尽的特性，融合人类的辉煌科技，太阳能将会得 到一个全新的诠释，其角色正在发生显见的转变。可再生、清洁的能源太阳能，正 在逐步替代传统的常规能源。 太阳能技术发展异常迅速，在上世纪7 0 年代，石油输出国组织成立，石油定价成 为国家战略规划的一部分，连续爆发了三次影响世界经济命脉的石油危机，这严重刺激 1 光伏并网逆变器孤岛检测方法研究 了贫油国，也引起了世界经济的不安，从而大大促进了人们寻找新能源的热情，太阳能 技术取得突飞猛进的发展。经过四十多年的努力，太阳能光和热的应用技术日趋成熟， 太阳能成为能源工业中的后起之秀1 6 。相较于传统能源利用方式及其获得能量所付出的 环境代价，太阳能以其低污染、二氧化碳的零排放等特点，正在倍受青睐。 1 3 光伏发电的国内外研究现状及发展 光伏发电按照工作方式分为离网光伏发电和并网光伏发电。在硅技术发展不太成熟 的时候，由于制造太阳能电池所需的硅的成本太高，导致太阳能电池制造成本极其昂贵， 适用范围也受到限制。起初，光伏发电对于偏远地区的电力供应有着很大作用，这些离 网光伏发电系统也常常以中小光伏发电系统为主，大大缓解了偏远地区对日常生活用电 的需求压力1 7 j 。 自从1 9 8 0 年以来，太阳能光伏发电产业一直稳固、飞速地发展，每年以3 0 一 4 0 的发展速度递增1 8 。1 9 9 0 年以后，世界上一些发达的国家掀起了“屋顶光伏并网系 统”的高潮，这- - 仓t j 新理念的提出与应用，让人们充分地认识到太阳能的清洁性、经济 性1 9 j 。世界各国一致认为光伏并网发电是光伏利用的主要发展趋势，并且一定会成为光 伏发电走向产业化的必然发展方向【1 0 】。 在1 9 9 5 2 0 0 5 年之间，短短十年内，全球太阳能企业增长了1 7 倍，到2 0 0 5 年，世 界光伏电池产量达到1 6 5 千万w ，装机容量累计达到5 g w f l l 】。为了促进光伏发电产业 与市场的开发，美、日、德以及意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙等国家都积 极制定各种各样的优惠政策来推进太阳能光伏发电的发展，不惜投巨资来研发太阳能相 关技术和加速光伏发电产业化进程【1 2 】。 我国是从研发航空用光伏电池开始起步的，但是发展速度很快1 3 d4 1 。2 0 世纪6 0 年 代初，为了发展航空事业，我国开始初步研发太阳能光伏电池。但由于光伏电池的成本 一直居高不下，地面上很少能够用到光伏电池。直到7 0 年代初，我国研发出了低成本 生产光伏电池的新技术，并在8 0 年代中期投入了生产【1 5 】。从此，我国光伏电池的发展 上升到一个崭新的阶段。2 0 0 2 年，我国制定了一项计划一西部省区无电乡通电计划”， 这项光伏发电计划的总投资额达到了2 6 亿元，最重要的是，该计划的光伏发电组件安 装后能够产生多达1 6 5 m w 的能量，这一举措极大地促进了光伏发电产业和太阳能市场 在中国的发展。2 0 0 6 年1 月1 日，一项关于能源开发的法律中华人民共和国可再 2 第一章绪论 生能源法 1 6 - 1 8 】开始在我国执行，这一法律的实施表明政府部门的责任已经与社会的支 持、市场运作相结合【1 9 】，将会更加鼓励和支持太阳能光伏发电技术的发展。2 0 0 8 年， 为了体验“绿色奥运”的理念，北京奥运会在鸟巢、国家游泳中心等各个方面广泛应用 了光伏发电技术2 0 1 ，这体现了我国光伏发电技术已经取得了很大的进步。 虽然我国的光伏发电技术已经取得了辉煌的成果，但是，为了能够超越国际光伏发 电水平，更好地改善人民的生活水平【2 1 1 ，则必须在以下几个方面努力【2 2 】：首先，要全面 提高我国的光伏产品的质量和国际竞争力，保持我国在光伏发电产品的世界占有率；其 次，要熟练地掌握光伏发电产业链中的关键技术，比如电池冷却技术、硅材料技术等。 只有这样，我国光伏发电产业才能在国内外市场上长有稳固的地位【2 3 】。 1 4 光伏发电系统的分类 如今，根据光伏发电系统是否与电网连接2 4 】，将光伏发电系统分为独立光伏发电系 统，光伏并网发电系统以及前两者混合系统。 ( a ) 独立光伏发电系统。这是一种比较常见的太阳能发电方式。很多年以前，在 国内外已有应用。该系统利用蓄电池将光伏系统发出的电能储存起来，原理比较简单， 而且适应性灵活。但由于蓄电池的体积偏大和维护困难，该系统的使用受到了限制。 ( b ) 光伏并网发电系统。当负载所需电量较多时，光伏发电系统和电网同时向负 载供应电量。当负载所需电量较少时，或用不完太阳能提供的电量时，光伏发电系统就 可将多余的发电量供给电网。在与电网并联的前提下，该系统省掉了蓄电池，降低了造 价，从而扩大了它的应用范围和灵活性。 ( c ) a 、b 两者混合系统。这是介于上述两个方案之间的方案。该方案具有很强 的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。但是其造价和运行成 本比上a 、b 两种方案都高。 1 5 孤岛效应 1 5 1 孤岛效应的含义、研究目的与意义 随着光伏并网发电系统的发展，人们越来越追求更高效、可控、稳定、安全的传输 电网系统。制约电力传输的因素有许多，孤岛效应( i s l a n d i n g ) 是其中一个不可忽视的 现象。商用电网一般都有监控系统，电力公司通过监控系统可以监控电网状况，当发生 第一章绪论 生能源法 1 6 - 1 8 】开始在我国执行，这一法律的实施表明政府部门的责任已经与社会的支 持、市场运作相结合【1 9 】，将会更加鼓励和支持太阳能光伏发电技术的发展。2 0 0 8 年， 为了体验“绿色奥运”的理念，北京奥运会在鸟巢、国家游泳中心等各个方面广泛应用 了光伏发电技术2 0 1 ，这体现了我国光伏发电技术已经取得了很大的进步。 虽然我国的光伏发电技术已经取得了辉煌的成果，但是，为了能够超越国际光伏发 电水平，更好地改善人民的生活水平【2 1 1 ，则必须在以下几个方面努力【2 2 】：首先，要全面 提高我国的光伏产品的质量和国际竞争力，保持我国在光伏发电产品的世界占有率；其 次，要熟练地掌握光伏发电产业链中的关键技术，比如电池冷却技术、硅材料技术等。 只有这样，我国光伏发电产业才能在国内外市场上长有稳固的地位【2 3 】。 1 4 光伏发电系统的分类 如今，根据光伏发电系统是否与电网连接2 4 】，将光伏发电系统分为独立光伏发电系 统，光伏并网发电系统以及前两者混合系统。 ( a ) 独立光伏发电系统。这是一种比较常见的太阳能发电方式。很多年以前，在 国内外已有应用。该系统利用蓄电池将光伏系统发出的电能储存起来，原理比较简单， 而且适应性灵活。但由于蓄电池的体积偏大和维护困难，该系统的使用受到了限制。 ( b ) 光伏并网发电系统。当负载所需电量较多时，光伏发电系统和电网同时向负 载供应电量。当负载所需电量较少时，或用不完太阳能提供的电量时，光伏发电系统就 可将多余的发电量供给电网。在与电网并联的前提下，该系统省掉了蓄电池，降低了造 价，从而扩大了它的应用范围和灵活性。 ( c ) a 、b 两者混合系统。这是介于上述两个方案之间的方案。该方案具有很强 的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。但是其造价和运行成 本比上a 、b 两种方案都高。 1 5 孤岛效应 1 5 1 孤岛效应的含义、研究目的与意义 随着光伏并网发电系统的发展，人们越来越追求更高效、可控、稳定、安全的传输 电网系统。制约电力传输的因素有许多，孤岛效应( i s l a n d i n g ) 是其中一个不可忽视的 现象。商用电网一般都有监控系统，电力公司通过监控系统可以监控电网状况，当发生 光伏并网逆变器孤岛检测方法研究 非指令型断电，即非正常断电时，监控系统通常无法做出反应，这样，光伏发电系统会 因为监控系统的无响应，继续工作，仍然向负载供电，这样，在公共点就会形成未处于 监控状态下的自供给孤岛，这就是孤岛现象2 5 。2 6 】。孤岛现象的存在，会对机器设备造成 损坏，更有甚者，严重时会危及检修人员的人身安全。因此，找出一种有效、迅捷的孤 岛效应检测手段具有十分重要的现实意义口7 2 8 1 。 1 5 2 孤岛效应国内外研究现状 目前，世界各国都在积极开展分布式发电孤岛检测方法的研究，尤其集中在日本、 欧美和德国【2 9 1 ，这些国家的研究水平远远高于世界其他国家，各国研究人员研发了很多 有效的孤岛检测方法1 3 0 】。我国在孤岛检测这一方面的研究尚处于起始阶段，且大多为基 于电压、频率的孤岛检测，研究主动孤岛检测法的文献并不多见。 根据调查，光伏发电系统输出功率与负载功率平衡时的孤岛现象最不易检测【6 j ，发 电设备和工作人员的生命安全在这种情况下容易受到损害。光伏发电系统输出功率与负 载功率不平衡时的孤岛现象较容易检测，孤岛检测率也比较高。至今，被人们广泛认可 的孤岛检测方法主要有被动式和主动式两种。 被动式检测法在光伏发电系统输出功率与负载功率平衡的情况下容易失败，检测盲 区比较大，而且被动式检测法对负载的类型要求比较高，比如相位突变法在负载呈阻性 时往往不能检测出孤岛的发生。 通过控制逆变器对光伏发电系统输出功率、公共点频率或相位施加一定的偏移信 号，在电网断开后，能够根据这些信号的变化来检测孤岛的发生【3 ，这种检测方法称为 主动式孤岛检测方法。该方法在光伏发电系统输出功率与负载功率平衡的情况下能够很 容易检测出孤岛，而且检测盲区很小，甚至有的主动式检测法没有孤岛检测盲区。但是， 当多个逆变器并联运行时，由于多个逆变器之间不能达到扰动信号的同步，该孤岛检测 法将不能检测到孤岛。因此，为了保证多个逆变器并联运行时，需要在多个逆变器系统 之间建立通信联系，这也许是孤岛检测方法未来发展的一个趋势。 1 6 本文的主要研究内容 本文采用m a t l a b s i m u l i n k 对光伏发电系统并网进行建模，首先，主要对新提出的 复合式孤岛检测方法进行仿真研究和性能分析。其次，为了进一步验证新方法的正确性， 基于d s pt m s 3 2 0 c 3 2 搭建了系统硬件结构，并对新方法进行了实验验证。 4 第一章绪论 本文主要章节的结构安排如下： 第一章绪论：重点陈述了光伏发电的背景、意义、国内外研究现状以及光伏发电 系统的分类，进而描述了孤岛效应的含义、研究目的以及该问题的研究现状。 第二章光伏并网系统中的孤岛效应研究：首先，简单描述了光伏并网发电系统的 系统框图与工作原理。然后，分析了孤岛效应的原理、危害，以及常用的几种孤岛效应 检测方法，重点对每种检测法的工作原理、优缺点、适用场合等做阐述。 第三章孤岛检测主动电流幅值偏移法：主要介绍目前国内用得比较多的一种主动 式孤岛效应检测方法主动电流幅值偏移法的原理以及具体实现过程，并搭建了光伏 并网系统模型，对其检测孤岛效应的性能进行仿真。最后，分析该方法的若干特性如检 测盲区n d z ，针对其缺限，提出可行的改进方向。 第四章基于主动电流幅值偏移法的孤岛检测方案的设计：首先对基于光伏并网发 电系统的孤岛检测算法的需求进行了分析，明确其设计要求、原则以及功能特点。然后 明确地指出了基于主动电流幅值偏移法的孤岛检测技术所具备的优势，给出了孤岛检测 算法中一些重要参数的取值。 第五章光伏并网逆变器复合式孤岛检测方法：为了充分地发挥传统被动式孤岛检 测方法和主动电流幅值偏移法的优点，并且使孤岛检测的非检测盲区达到最小，本文提 出一种实用、新颖的复合式孤岛检测方法，并详细介绍了该方法的工作原理与实现过程。 结合i e e e s t d 2 0 0 0 9 2 9 标准中的技术规范，采用搭建的光伏并网系统模型对新方法进 行了仿真和实验研究。 第六章总结与展望：主要是总结本论文的工作要点和存在的一些不足，并且展望 下一步将要做的工作。 第二章光伏并网系统中的孤岛效应研究 第二章光伏并网系统中的孤岛效应研究 2 1 光伏并网发电系统 2 1 1 光伏并网发电系统的原理及系统框图 利用太阳能电池的光生伏特效应即太阳能电池中的半导体在受到光照射时产生电 动势的现象，将太阳光辐射能直接转换为电能的发电系统被称为光伏发电系统【3 2 1 ( 也称 太阳能发电系统) 。按照其与电网的连接关系，可以分为太阳能独立发电系统和太阳能 并网发电系统。太阳能并网发电系统即光伏并网发电系统，该系统由光伏电池阵列和逆 变器构成【3 3 1 ，通过开关s 与电网直接相连，其工作的示意图如图2 1 。 图2 1 光伏并网发电系统示惹图 光伏电池阵列一般由硅等半导体材料构成，在受到太阳光照射时，能够产生电动势， 是光伏并网发电系统的核心【3 钔。逆变器的功能是将光伏电池发出的电能变换为符合电网 要求的交流电能，之后接入电网电路【3 5 】。由于光伏电池阵列产生的为直流电，因此，如 果负载是不是直流负载，引入逆变器将是至关重要的。当日照非常充分时，光伏并网发 电系统发出的电能除了供给交流负载之外，多余的能量会流入电网；当阴天或者夜晚时， 光伏并网发电系统发出的电能不足以负载的能量需求时，电网自动向负载补充电能p 6 | 。 2 1 2 逆变器 逆变器是将直流电变换成交流电的设备【3 7 1 ，即将太阳能电池产生的直流( d c ) 电压 转换成为电网兼容的交流( a c ) 电压输出。逆变器的种类按其工作方式可以分为两种： 独立逆变器、并网逆变器。前者用于太阳能独立发电系统，它将发出的电能为独立负载 供电。应用于光伏并网发电系统的是并网逆变器，它可以将光伏并网发电系统发出的电 能馈入电网。光伏并网发电系统一般要求逆变器具有可靠、效率高、波形畸变小、功率 第二章光伏并网系统中的孤岛效应研究 第二章光伏并网系统中的孤岛效应研究 2 1 光伏并网发电系统 2 1 1 光伏并网发电系统的原理及系统框图 利用太阳能电池的光生伏特效应即太阳能电池中的半导体在受到光照射时产生电 动势的现象，将太阳光辐射能直接转换为电能的发电系统被称为光伏发电系统【3 2 1 ( 也称 太阳能发电系统) 。按照其与电网的连接关系，可以分为太阳能独立发电系统和太阳能 并网发电系统。太阳能并网发电系统即光伏并网发电系统，该系统由光伏电池阵列和逆 变器构成【3 3 1 ，通过开关s 与电网直接相连，其工作的示意图如图2 1 。 图2 1 光伏并网发电系统示惹图 光伏电池阵列一般由硅等半导体材料构成，在受到太阳光照射时，能够产生电动势， 是光伏并网发电系统的核心【3 钔。逆变器的功能是将光伏电池发出的电能变换为符合电网 要求的交流电能，之后接入电网电路【3 5 】。由于光伏电池阵列产生的为直流电，因此，如 果负载是不是直流负载，引入逆变器将是至关重要的。当日照非常充分时，光伏并网发 电系统发出的电能除了供给交流负载之外，多余的能量会流入电网；当阴天或者夜晚时， 光伏并网发电系统发出的电能不足以负载的能量需求时，电网自动向负载补充电能p 6 | 。 2 1 2 逆变器 逆变器是将直流电变换成交流电的设备【3 7 1 ，即将太阳能电池产生的直流( d c ) 电压 转换成为电网兼容的交流( a c ) 电压输出。逆变器的种类按其工作方式可以分为两种： 独立逆变器、并网逆变器。前者用于太阳能独立发电系统，它将发出的电能为独立负载 供电。应用于光伏并网发电系统的是并网逆变器，它可以将光伏并网发电系统发出的电 能馈入电网。光伏并网发电系统一般要求逆变器具有可靠、效率高、波形畸变小、功率 光伏并网逆变器孤岛检测方法研究 因数高的特点，对逆变器性能的各种具体要求如表2 - 1 。 表2 - 1 逆变器性能要求简表 在可靠性方面逆变器应具有一定的抗干扰能力。 对于大功率的逆变器，其工作效率应该达到9 0 以上； 在工作效率方面对于中小功率的逆变器，其工作效率也务必在8 5 或 者9 0 以上。 为了能够保证光伏发电系统输出电流能够平滑地向 在输出波形方面电网供电，并网时，控制逆变器输出电压的幅值、频 率和相位与电网均保持一致。 应用于光伏并网发电系统的是并网逆变器，所以并网 在安全性方面逆变器必须具有孤岛保护能力。太阳能独立发电系统 不与电网连接，独立逆变器自然就不需要孤岛保护能 力。 2 2 孤岛产生的机理、原因及其产生的后果 2 2 1 孤岛效应产生的机理 光伏发电系统与本地负载r l c 连接，通过开关s 与电网连接，其功率示意图，如图 2 2 所示。 图2 - 2 光伏并网发电系统功率示意图 当电网正常工作时，光伏发电系统向负载输出的有功功率、无功功率为尸、q ，负 光伏并网逆变器孤岛检测方法研究 因数高的特点，对逆变器性能的各种具体要求如表2 - 1 。 表2 - 1 逆变器性能要求简表 在可靠性方面逆变器应具有一定的抗干扰能力。 对于大功率的逆变器，其工作效率应该达到9 0 以上； 在工作效率方面对于中小功率的逆变器，其工作效率也务必在8 5 或 者9 0 以上。 为了能够保证光伏发电系统输出电流能够平滑地向 在输出波形方面电网供电，并网时，控制逆变器输出电压的幅值、频 率和相位与电网均保持一致。 应用于光伏并网发电系统的是并网逆变器，所以并网 在安全性方面逆变器必须具有孤岛保护能力。太阳能独立发电系统 不与电网连接，独立逆变器自然就不需要孤岛保护能 力。 2 2 孤岛产生的机理、原因及其产生的后果 2 2 1 孤岛效应产生的机理 光伏发电系统与本地负载r l c 连接，通过开关s 与电网连接，其功率示意图，如图 2 2 所示。 图2 - 2 光伏并网发电系统功率示意图 当电网正常工作时，光伏发电系统向负载输出的有功功率、无功功率为尸、q ，负 第二章光伏并网系统中的孤岛效应研究 载的有功功率与无功功率为、q l 砌，电网流入公共点么的有功功率、无功功率凹、 q 。则么点处的功率平衡方程式可写出为： p 删= p + a p( 2 - 1 ) q 捌2q + a q( 2 - 2 ) 如果光伏发电系统输出功率与负载功率平衡即凹= 0 ，a q = 0 ，那么电网断开后， 公共点电压。的幅值、频率几乎不会发生变化【3 8 】，光伏发电系统向负载魁c 继续提供 电量，从而在公共点彳就会形成一个未处于监控状态下的自供给孤岛现象。 另外，公共点电压k 由光伏发电系统输出电流与负载的乘积决定，如果负载呈阻 性，那么孤岛发生后，公共点电压的相位将与光伏发电系统输出电流同频、同相，使得 公共点电压与光伏发电系统输出电流之间的相位差为零，即相位差几乎不会发生变化， 从而无法控制孤岛的产生。 故综上所述，孤岛产生的机理可以总结为： ( 1 ) 光伏发电系统输出功率与负载功率平衡即p = 0 ，a q = 0 。 ( 2 ) 负载r l c 呈阻性。 2 2 2 孤岛效应产生的原因与后果 由于自然或者人为因素导致电网突然断电，可是光伏发电系统并未监测到电网断 电，继续向负载输出电荷，从而在公共点4 形成孤岛效应，此时，公共点么的电压会产 生大的波动、频率也可能会有大的起伏、亦可能会出现一些谐波。孤岛产生后会造成一 系列严重的后果，这里给出常见的严重后剥3 9 】： ( 1 ) 对检修人员的人身安全造成威胁4 0 1 。 ( 2 ) 影响设备供电质量，可能对用户的设备造成损坏。 ( 3 ) 公共点电压的幅值、频率、相位和电网电压不一致时，会导致电网重合闸失败。 2 3 孤岛检测的基本原理、检测标准及特性分析 2 3 1 孤岛检测的基本原理 当电网正常运行时，光伏发电系统与电网在公共点彳相连接，共同为负载r l c 供 应电力，如图2 3 所示。 9 第二章光伏并网系统中的孤岛效应研究 载的有功功率与无功功率为、q l 砌，电网流入公共点么的有功功率、无功功率凹、 q 。则么点处的功率平衡方程式可写出为： p 删= p + a p( 2 - 1 ) q 捌2q + a q( 2 - 2 ) 如果光伏发电系统输出功率与负载功率平衡即凹= 0 ，a q = 0 ，那么电网断开后， 公共点电压。的幅值、频率几乎不会发生变化【3 8 】，光伏发电系统向负载魁c 继续提供 电量，从而在公共点彳就会形成一个未处于监控状态下的自供给孤岛现象。 另外，公共点电压k 由光伏发电系统输出电流与负载的乘积决定，如果负载呈阻 性，那么孤岛发生后，公共点电压的相位将与光伏发电系统输出电流同频、同相，使得 公共点电压与光伏发电系统输出电流之间的相位差为零，即相位差几乎不会发生变化， 从而无法控制孤岛的产生。 故综上所述，孤岛产生的机理可以总结为： ( 1 ) 光伏发电系统输出功率与负载功率平衡即p = 0 ，a q = 0 。 ( 2 ) 负载r l c 呈阻性。 2 2 2 孤岛效应产生的原因与后果 由于自然或者人为因素导致电网突然断电，可是光伏发电系统并未监测到电网断 电，继续向负载输出电荷，从而在公共点4 形成孤岛效应，此时，公共点么的电压会产 生大的波动、频率也可能会有大的起伏、亦可能会出现一些谐波。孤岛产生后会造成一 系列严重的后果，这里给出常见的严重后剥3 9 】： ( 1 ) 对检修人员的人身安全造成威胁4 0 1 。 ( 2 ) 影响设备供电质量，可能对用户的设备造成损坏。 ( 3 ) 公共点电压的幅值、频率、相位和电网电压不一致时，会导致电网重合闸失败。 2 3 孤岛检测的基本原理、检测标准及特性分析 2 3 1 孤岛检测的基本原理 当电网正常运行时，光伏发电系统与电网在公共点彳相连接，共同为负载r l c 供 应电力，如图2 3 所示。 9 光伏并网逆变器孤岛检测方法研究 光 伏 发 电 系 统 图2 - 3 孤岛现象等效分析电路 9 1 根据孤岛现象等效分析电路图2 - 3 ，可知： p 删2p + a p q l o a d2q + q v2 。 p 捌2q c r l o a d = - - v p 。2 ( 忑1 w c ) 其中：v p 。公共点彳处的电压值； p 、q 光伏并网发电系统输出的有功功率、无功功率； 、q l 删负载r l c 的有功功率、无功功率； p 、q 电网流入公共点a 的有功功率、无功功率h 1 1 。 因此可以得出： 国：1 _ ( 2 l c ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 其中：q f = r 三或者q ，= 7 1 、厨厄为负载的品质因数。 一旦孤岛发生，电网将不再向负载供应能量，由于光伏发电系统不能及时发现电网 断电状态，继续向负载输送电量，因此，孤岛发生瞬间，尸、, x q 均不等于零，从而使 得公共点的电压、频率会发生一些变化。见公式( 2 3 ) ，当有功功率变化时，会使电压 发生以下变化：若尸 p o a d ，则随着的增加，将增大；若尸 ，则随着的增加，将增 大，从而导致w 增加；若p q l 删，则随着q l 删的增加，形将减小；若 q q l 砌，则随着q l 砌的减小，形将增大。 ( 3 ) 有功功率、无功功率均不变，需要根据它们各自的变化幅度来决定【4 2 】。 2 3 2 孤岛效应检测标准 孤岛效应会对电力部f - i 作人员的人身安全以及电力系统的稳定性产生威胁【4 引，因 此，采取一些方法执行孤岛检测，并制定一些孤岛检测标准是至关重要的。早在2 0 世 纪9 0 年代，世界各国就开始探索孤岛检测标准的制定，起初制定的孤岛检测标准一般 是只能用于具体的某一种或者某几种孤岛检测方法。 目前，电气电子工程师协会( i e e e ) 制定的孤岛检测标准比如i e e es t d 9 9 9 - 2 0 0 0 、 i e e es t d l 5 4 7 2 0 0 3 等，可以适用于多种孤岛检测方法，在世界上已经占领主导地位， 被很多电力公司作为光伏发电系统并网的标准和并网逆变器设备的安全标准。 根据i e e es t d 9 9 9 2 0 0 0 标准的规定，逆变器应该具有孤岛保护的作用，同时也规 定了孤岛最大检测时间的限n t 4 4 ) 。本文的阐述与讨论均建立在i e e e s t d 9 9 9 2 0 0 0 标准的 基础上，此标准的具体内容【4 5 】如表2 - 2 所示。 光伏并网逆变器孤岛检测方法研究 表2 - 2i e e e s t d 9 2 9 2 0 0 0 对孤岛最大检测时间的限制 蚓 状态断电后公共点电压幅值断电后公共点电压频允许的最大检测 室 时间 l 0 5 t n o 1 2 s 2 o 5 v n y 0 8 8 t n 2 s 3 0 8 8 v n v 1 1 0 v n t n 正常运行 4 1 1 0 y 1 3 7 t n 2 s 5 1 3 7 v n v t n 2 s 6 n + q 5 h z 2 s 1 、为电网电压幅值的额定值，我国为交流2 2 0 v ( 有效值) 。 2 、f 为电网电压频率的额定值，我国为5 0 h z 。 2 3 3 孤岛检测的有效性指标 判定孤岛检测方法有效性的一个重要指标是检测盲区【4 6 1 ( n o nd e t e c t i o nz o n e ， n d z ) 。所谓检测盲区是指一个区域，光伏发电系统在这个区域内，利用某种孤岛检测 方法不能检测到孤岛的发生。因此，孤岛检测盲区越小，说明某种孤岛检测方法越有效。 孤岛检测盲区有很多描述方式，比如功率匹配区间，负载空间( l 木c ) 平面【4 7 1 等。一般 情况下，用功率匹配区间描述孤岛检测盲区的机会比较多。图2 4 是用功率匹配区间来 描述过压欠压与过频欠频法检测孤岛时检测盲区的示意图。 第二章光伏并网系统中的孤岛效应研究 jq o f 名犁 u 目臣 r o v 仝j u f 图2 - 4 过压欠压检测与过频欠频检测的检测百区 图2 4 中，横坐标轴p 和纵坐标轴q 分别代表电网流入公共点彳的有功功率、无 功功率见图2 3 。o v 、u v 、o f 、u f 分别表示过压、欠压、过频、欠频斟1 9 】。图中阴 影部分接近肿= 0 ，a o = 0 ，意味着该区间为检测盲区。也就是说，如果a p = 0 ，a q 2 0 即光伏发电系统输出功率与负载功率平衡，一旦电网断开，利用基于电压、频率的被动 式检测法检测孤岛会导致孤岛检测失败。目前，研究各种孤岛检测方法的目的就是让孤 岛检测盲区能够达到最小值，并且尽量不影响电网质量。 2 4 常用的孤岛检测方法 常用的孤岛检测方法一般情况下分为两类：被动式孤岛检测方法h 8 1 和主动式孤岛检 测方法【4 9 1 。被动式检测方法通过检测光伏并网发电系统与电网连接处电压或频率的异常 来检测孤岛效应【5 0 1 。该方法简单易行，对电能质量无影响【4 8 1 ，但是单独采用被动式孤岛 检测方法，存在较大的检测盲区( n o n d e t e c t i o nz o n e ，n d z ) 【5 1 1 。通过控制逆变器向光伏 发电系统输出功率、频率与相位施加一定的扰动5 2 1 ，从而在孤岛发生后根据公共点电压 的幅值、频率与相位的变化来检测孤岛的发生，这种方式被称为主动式孤岛检测法。该 方法检测盲区比较小，但是可能会影响电网的质量。 2 4 1 被动式孤岛检测方法 被动式孤岛检测方法主要为过压欠压、过频欠频检测，相位突变检测、电压谐波 检测。具体介绍如下。 第二章光伏并网系统中的孤岛效应研究 jq o f 名犁 u 目臣 r o v 仝j u f 图2 - 4 过压欠压检测与过频欠频检测的检测百区 图2 4 中，横坐标轴p 和纵坐标轴q 分别代表电网流入公共点彳的有功功率、无 功功率见图2 3 。o v 、u v 、o f 、u f 分别表示过压、欠压、过频、欠频斟1 9 】。图中阴 影部分接近肿= 0 ，a o = 0 ，意味着该区间为检测盲区。也就是说，如果a p = 0 ，a q 2 0 即光伏发电系统输出功率与负载功率平衡，一旦电网断开，利用基于电压、频率的被动 式检测法检测孤岛会导致孤岛检测失败。目前，研究各种孤岛检测方法的目的就是让孤 岛检测盲区能够达到最小值，并且尽量不影响电网质量。 2 4 常用的孤岛检测方法 常用的孤岛检测方法一般情况下分为两类：被动式孤岛检测方法h 8 1 和主动式孤岛检 测方法【4 9 1 。被动式检测方法通过检测光伏并网发电系统与电网连接处电压或频率的异常 来检测孤岛效应【5 0 1 。该方法简单易行，对电能质量无影响【4 8 1 ，但是单独采用被动式孤岛 检测方法，存在较大的检测盲区( n o n d e t e c t i o nz o n e ，n d z ) 【5 1 1 。通过控制逆变器向光伏 发电系统输出功率、频率与相位施加一定的扰动5 2 1 ，从而在孤岛发生后根据公共点电压 的幅值、频率与相位