第8章孤岛效应及反孤岛策略

1、1济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8第八章第八章 孤岛效应及反孤岛策略孤岛效应及反孤岛策略2济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8最大功率点跟踪技术最大功率点跟踪技术1. 为什么有最大功率点问题？为什么有最大功率点问题？光伏电池既光伏电池既非恒压源非恒压源，也，也非恒流源非恒流源，是一种，是一种非线非线性直流源性直流源。2. 最大功率点追踪有几种方法？最大功率点追踪有几种方法？恒定电压跟踪法恒定电压跟踪法; 图图7-37-3 光伏电池不同日照强度下的光伏电池不同日照强度下的P-VP-V特性曲线特性曲线3济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8图图7-67-6 扰

2、动观测法误判扰动观测法误判示例示例扰动观测法（爬山法）扰动观测法（爬山法）;基于变步长的扰动观测法基于变步长的扰动观测法1. 最优梯度法最优梯度法2. 逐步逼近法逐步逼近法4济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8基于功率预测的扰动观测法基于功率预测的扰动观测法5济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8导纳增量法导纳增量法; 6济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-88.1 孤岛效应的基本问题孤岛效应的基本问题8.2 被动式反孤岛策略被动式反孤岛策略8.3 主动式反孤岛策略主动式反孤岛策略第八章第八章 孤岛效应及反孤岛策略孤岛效应及反孤岛策略7济南大学物理学院济南大学物

3、理学院2022-4-88.1孤岛效应的基本问题孤岛效应的基本问题 光伏逆变器过电流、过热，电网过光伏逆变器过电流、过热，电网过/ /欠电欠电压的故障情况与处理。压的故障情况与处理。 电网跳闸故障时，电网跳闸故障时， 光伏系统未能及时光伏系统未能及时检测出停电状态而检测出停电状态而退出供电网络，形退出供电网络，形成并网发电系统和成并网发电系统和负载组成的负载组成的孤岛发孤岛发电系统电系统。8济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8 孤岛效应发生后的不良影响：孤岛效应发生后的不良影响：1. 孤岛效应使电压及其频率失去控制，对孤岛效应使电压及其频率失去控制，对电网和用户设备造成损坏。电网和用

4、户设备造成损坏。2. 孤岛系统被重新接入电网时，可能损坏孤岛系统被重新接入电网时，可能损坏孤岛系统中分布式发电系统。孤岛系统中分布式发电系统。3. 孤岛效应可能导致故障不能清除，对电孤岛效应可能导致故障不能清除，对电网设备造成损坏。网设备造成损坏。4. 孤岛效应可能会给相关人员带来电击的孤岛效应可能会给相关人员带来电击的危险。危险。9济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8图图8-28-2 光伏并网系统的功率流图光伏并网系统的功率流图8-9一、孤岛效应的发生机理一、孤岛效应的发生机理设：逆变器向负载提供的有功功率为设：逆变器向负载提供的有功功率为P，无功功，无功功率为率为Q；电网向负载

5、提供的有功功率为；电网向负载提供的有功功率为P，无功功率为无功功率为Q；负载需求的有功功率为；负载需求的有功功率为Pload，无功功率为无功功率为Qload。10济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8由能量守恒定律，公共连接点由能量守恒定律，公共连接点(Point of Common Coupling, PCC)处的功率满足处的功率满足: :8-10 Pload Qload P P Q Q 图图8-28-2 光伏并网系统的功率流图光伏并网系统的功率流图11济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-88-11通常由于通常由于当电网断电时，会引起当电网断电时，会引起系统的系统的电压电

6、压和和频率频率的较大的较大变化，因而通过对系统电压和频率的检测，可很变化，因而通过对系统电压和频率的检测，可很容易的检测到孤岛效应。容易的检测到孤岛效应。PPloadQQload图图8-28-2 光伏并网系统的功率流图光伏并网系统的功率流图12济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8而如果而如果 Pload =P、Qload =Q，当电网断电时，当电网断电时，PCC处电压和频率的变化很小，很难再通过对处电压和频率的变化很小，很难再通过对系统的电压和频率的检测来判断孤岛的发生，系统的电压和频率的检测来判断孤岛的发生，逆变器继续向负载供电，从而形成光伏系统和逆变器继续向负载供电，从而形成光

7、伏系统和负载组成的负载组成的孤岛发电系统孤岛发电系统。图图8-28-2 光伏并网系统的功率流图光伏并网系统的功率流图13济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8 孤岛形成后，孤岛形成后，PCC处电压瞬时值处电压瞬时值ua由负载欧姆定由负载欧姆定律确定，并受逆变器控制系统的监控，逆变器将律确定，并受逆变器控制系统的监控，逆变器将逐渐改变输出电流逐渐改变输出电流iinv的频率的频率finv ，以保持，以保持iinv与与ua 的的同步，直至同步，直至iinv与与ua的相位差等于的相位差等于0，从而使得，从而使得 finv到达一个唯一的稳态值，即到达一个唯一的稳态值，即负载的谐振频率负载的谐振

8、频率。图图8-28-2 光伏并网系统的功率光伏并网系统的功率流图流图14济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8这是电网跳闸后这是电网跳闸后RLC负载的无功功率需求只负载的无功功率需求只能通过逆变器提供（能通过逆变器提供（Qload=Q）的必然结果。）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相位平衡关系来描述关系来描述0invload其中：其中：load表示逆变器输出电流超前于端电压的表示逆变器输出电流超前于端电压的相位角。相位角。inv表示负载的阻抗角。表示负载的阻抗角。15济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-

9、8 孤岛效应的两个必要条件：孤岛效应的两个必要条件：有功功率匹配，无功功率匹配。有功功率匹配，无功功率匹配。PPloadQQload0invload16济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8二、孤岛效应的可能性分析二、孤岛效应的可能性分析图图8-38-3 分布式发电功率匹配状况示意图分布式发电功率匹配状况示意图8-1617济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8功率匹配是针对一定的功率匹配是针对一定的匹配误差带匹配误差带而言，孤而言，孤岛效应的发生则与功率匹配的持续时间有关。岛效应的发生则与功率匹配的持续时间有关。因此因此孤岛效应的可能性可定义为孤岛效应的可能性可定义为：可能

10、性可能性 =一年中功率匹配状况可能发生的相关时段一年中功率匹配状况可能发生的相关时段(s) 功率匹配的次数功率匹配的次数 持续时间持续时间次次/ /年年18济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-819济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8 通过对安装有光伏并网系统的典型居民通过对安装有光伏并网系统的典型居民小区的孤岛效应研究得出以下结论。小区的孤岛效应研究得出以下结论。8-1920济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8可能会造成因供电电压和频率不稳，造成用户的可能会造成因供电电压和频率不稳，造成用户的用电设备和电网设备损坏用电设备和电网设备损坏影响配电系统上保护开关

11、的动作程序，影响电网影响配电系统上保护开关的动作程序，影响电网手动或自动恢复运行手动或自动恢复运行危害输电线路维修人员及其他有关人员的安全危害输电线路维修人员及其他有关人员的安全三、孤岛效应的危害三、孤岛效应的危害21济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-81) 执行成本高；执行成本高；2) 需要光伏发电系统与电网之间的协调；需要光伏发电系统与电网之间的协调；3) 易误检测易误检测(误跳闸误跳闸)；4) 存在有孤岛效应而不能立即被检测出的工作区域；存在有孤岛效应而不能立即被检测出的工作区域；5) 降低电网供电质量以及电压和频率的稳定性。降低电网供电质量以及电压和频率的稳定性。针对孤岛效

12、应的危害针对孤岛效应的危害已有反孤岛策略，已有反孤岛策略，但存在局限性但存在局限性22济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-88-22四、孤岛检测方法四、孤岛检测方法23济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8 孤岛保护标准孤岛保护标准24济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-88.2 被动式反孤岛策略被动式反孤岛策略 被动式反孤岛策略：在不正常的电压、频率、被动式反孤岛策略：在不正常的电压、频率、相位、谐波产生了的情况下，通过检测得到孤相位、谐波产生了的情况下，通过检测得到孤岛效应的发生。岛效应的发生。25济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-81) 1) 电

13、压频率检测：电压频率检测：并网逆变器检测出并网逆变器检测出PCCPCC处的电压处的电压幅值或频率超出正常范围时，通过控制指令停止逆幅值或频率超出正常范围时，通过控制指令停止逆变器并网运行。变器并网运行。2) 2) 电压谐波检测：电压谐波检测：并网逆变器检测出逆变器输出并网逆变器检测出逆变器输出端电压谐波失真时，通过控制指令停止逆变器并网端电压谐波失真时，通过控制指令停止逆变器并网运行。运行。3) 3) 相位偏移检测：相位偏移检测：并网逆变器通过监控逆变器端并网逆变器通过监控逆变器端电压与输出电流之间的相位差来检测孤岛效应。电压与输出电流之间的相位差来检测孤岛效应。4) 4) 复合电量检测：复合

14、电量检测：并网逆变器同时监控并网逆变器同时监控PCCPCC处与逆处与逆变器输出的关键电量信号来检测孤岛效应。变器输出的关键电量信号来检测孤岛效应。孤岛检测包括：孤岛检测包括：26济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8一、过一、过/欠电压反孤岛策略欠电压反孤岛策略 过过/欠电压反孤岛策略是指当并网逆变器检测出逆欠电压反孤岛策略是指当并网逆变器检测出逆变器输出的电网公共连接点变器输出的电网公共连接点PCC处的电压幅值超处的电压幅值超出出正常范围正常范围（U1、U2）时，通过控制命令停止逆）时，通过控制命令停止逆变器并网运行以实现反孤岛的一种被动式方法。变器并网运行以实现反孤岛的一种被动式

15、方法。U1、U2为并网发电系统标准规定的电压最小值和最为并网发电系统标准规定的电压最小值和最大值。大值。27济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8二、过二、过/欠频率反孤岛策略欠频率反孤岛策略 过过/欠频率反孤岛策略是指当并网逆变器检测出逆欠频率反孤岛策略是指当并网逆变器检测出逆变器输出的电网公共连接点变器输出的电网公共连接点PCC处的电压频率超处的电压频率超出出正常范围正常范围（f1、f2）时，通过控制命令停止逆变）时，通过控制命令停止逆变器并网运行以实现反孤岛的一种被动式方法。器并网运行以实现反孤岛的一种被动式方法。f1、f2为电网频率正常范围的上、下限值。我国标准为电网频率正常

16、范围的上、下限值。我国标准电网频率为电网频率为50Hz，频率上、下限为，频率上、下限为f1=49.4Hz，f2=50.4Hz。28济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8三、基于相位跳变的反孤岛策略三、基于相位跳变的反孤岛策略 相位跳变反孤岛策略是通过监控并网逆变器端电相位跳变反孤岛策略是通过监控并网逆变器端电压与输出电流之间的压与输出电流之间的相位差相位差来检测孤岛效应的一来检测孤岛效应的一种被动式反孤岛策略。种被动式反孤岛策略。 为实现单位功率因数运行，正常情况下并网逆变为实现单位功率因数运行，正常情况下并网逆变器总是控制输出电流与电网电压同相，而跳闸后器总是控制输出电流与电网电压

17、同相，而跳闸后逆变器的端电压将不再由电网控制，此时，逆变逆变器的端电压将不再由电网控制，此时，逆变器的端电压的相位将发生跳变。器的端电压的相位将发生跳变。29济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8四、基于电压谐波检测的反孤岛策略四、基于电压谐波检测的反孤岛策略 电压谐波检测反孤岛策略是通过监控并网逆变器电压谐波检测反孤岛策略是通过监控并网逆变器端电压端电压谐波失真谐波失真来检测孤岛效应的一种被动式反来检测孤岛效应的一种被动式反孤岛策略。孤岛策略。 当电网连接时，电网可以看作是一个很大的电压源，当电网连接时，电网可以看作是一个很大的电压源，并网逆变器产生的谐波电流将流入低阻抗的电网，并

18、网逆变器产生的谐波电流将流入低阻抗的电网，这些很小的谐波电流与低值的电网阻抗在并网逆变这些很小的谐波电流与低值的电网阻抗在并网逆变器输出端处的电压相应仅含有非常小的谐波。器输出端处的电压相应仅含有非常小的谐波。 当电网跳闸后，谐波增加，主要是三次谐波，因当电网跳闸后，谐波增加，主要是三次谐波，因此，只要检测三次谐波即可。此，只要检测三次谐波即可。30济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8被动检测法的特点及适用场合被动检测法的特点及适用场合 检测方法检测方法特点特点适用场合适用场合电压频率检测电压频率检测1.对电网无干扰对电网无干扰,输出电输出电能质量无影响能质量无影响; 2.有些电量

19、不能直接测有些电量不能直接测量而需要通过比较复杂量而需要通过比较复杂算法计算算法计算, 如电压谐波如电压谐波,输出有功等等输出有功等等;3.当负载和逆变器输出当负载和逆变器输出功率匹配功率匹配,存在较大的检存在较大的检测盲区测盲区;4.检测时间长。检测时间长。1.应用于负载功应用于负载功率变动不大率变动不大,且与且与逆变器的输出不逆变器的输出不匹配的场合；匹配的场合；2.一般需要和主一般需要和主动检测方法结合动检测方法结合起来运用。起来运用。电压谐波检测电压谐波检测相位偏移检测相位偏移检测关键电量变化率检关键电量变化率检测测31济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8被动式孤岛检测法总

20、结被动式孤岛检测法总结32济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8 主动式反孤岛策略的几种方法主动式反孤岛策略的几种方法8.3 主动式反孤岛策略主动式反孤岛策略1) 主动频率偏移：主动频率偏移： 并网逆变器向电网中注入略微有点变形的电流，并网逆变器向电网中注入略微有点变形的电流， 以形成一个连续改变频率的以形成一个连续改变频率的趋势趋势。断网后，逆变器。断网后，逆变器输出端电压的频率被强迫向上或向下偏移，通过监输出端电压的频率被强迫向上或向下偏移，通过监控端电压频率的变化检测孤岛的发生。控端电压频率的变化检测孤岛的发生。 稀释效应：稀释效应：当有多台逆变器并网时，一些逆变当有多台逆变器

21、并网时，一些逆变器采用向上频移，一些逆变器采用向下频移，器采用向上频移，一些逆变器采用向下频移，其综合效果可能会抵消。其综合效果可能会抵消。33济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8 并网逆变器工作于单位功率因数时，逆变器的并网逆变器工作于单位功率因数时，逆变器的输出端电压与电流的相位差被控制为零，电网输出端电压与电流的相位差被控制为零，电网提供固定的相位和频率参考使工作点稳定于电提供固定的相位和频率参考使工作点稳定于电网频率。断网后，逆变器的相位网频率。断网后，逆变器的相位-频率工作点将频率工作点将 改变，通过监控相位改变，通过监控相位-频率工作点的偏移检测孤频率工作点的偏移检测孤

22、岛的发生。岛的发生。2) 主动相位偏移：主动相位偏移： 这种方法可以消除稀释效应。这种方法可以消除稀释效应。34济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8 并网逆变器通过基于有功功率和无功功率的并网逆变器通过基于有功功率和无功功率的扰动来检测孤岛效应。扰动来检测孤岛效应。3) 功率扰动：功率扰动： 逆变器控制器将逆变器控制器将周期性周期性改变逆变器输出改变逆变器输出电流电流的幅值，亦即改变了逆变器输出的有功功率，的幅值，亦即改变了逆变器输出的有功功率，从而在电网断电时打破逆变器输出有功功率从而在电网断电时打破逆变器输出有功功率与负载消耗的有功功率平衡以影响公共节点与负载消耗的有功功率平衡

23、以影响公共节点的电压，使其超出过的电压，使其超出过/ /欠电压保护阈值，从而欠电压保护阈值，从而检测出孤岛。检测出孤岛。35济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8主动检测法的特点及适用场合主动检测法的特点及适用场合36济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8主动检测法的特点及适用场合主动检测法的特点及适用场合37济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8主动式孤岛检测法总结主动式孤岛检测法总结38济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8习题习题1.1.简述光伏并网系统孤岛效应的发生机理。简述光伏并网系统孤岛效应的发生机理。2.2.说明什么是被动式反孤岛策略和主动

24、式说明什么是被动式反孤岛策略和主动式反孤岛策略，并分析各自的特点。反孤岛策略，并分析各自的特点。39济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8第九章第九章逆变器的并联技术逆变器的并联技术9.1 概述概述9.2逆变器并联运转的系统架构及控制策略逆变器并联运转的系统架构及控制策略40济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8 单个逆变器的容量是有限的，当光伏发电系单个逆变器的容量是有限的，当光伏发电系统总容量增加时，常采用逆变器并联技术。统总容量增加时，常采用逆变器并联技术。 在并网模式下在并网模式下, 电源通过逆变器并联在一起向电源通过逆变器并联在一起向电网注入电能。并网注入电流的质

25、量受到高电网注入电能。并网注入电流的质量受到高度的重视。度的重视。并联后要实现有功、无功负载功并联后要实现有功、无功负载功率甚至谐波负载功率的均分。率甚至谐波负载功率的均分。9.1 概述概述无输出隔离变压器结构的光伏并网逆变器不能无输出隔离变压器结构的光伏并网逆变器不能自动抑制直流注入自动抑制直流注入, ,直流注入直流注入可能引起电网中可能引起电网中配电变压器的饱和配电变压器的饱和, ,导致电能质量变差导致电能质量变差, ,电力系电力系统产生大的损耗和过热。统产生大的损耗和过热。41济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8多模块并联有以下特点多模块并联有以下特点: :1)1)多个电源模

26、块单元并联分担负载功率多个电源模块单元并联分担负载功率, ,各个各个模块中主开关器件的电流应力小模块中主开关器件的电流应力小, ,从根本上保从根本上保证了可靠性证了可靠性; ;2)2)每个模块的容量较小每个模块的容量较小, ,功率密度高功率密度高, ,从而使整从而使整个电源体积、重量减小个电源体积、重量减小; ;3)3)多模块并联可以灵活扩充电源容量、易安装、多模块并联可以灵活扩充电源容量、易安装、维护费用低维护费用低; ;4)4)可以实现冗余并联运行方式。可以实现冗余并联运行方式。42济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8并网时要解决并网时要解决2 2个问题：个问题：1.1.抑制直

27、流注入抑制直流注入2.2. 各模块承受的电流能自动均衡各模块承受的电流能自动均衡, ,实现均流。实现均流。43济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8国际上对分布式发电系统制定了相应的并网标准。国际上对分布式发电系统制定了相应的并网标准。由于无输出隔离变压器结构的光伏并网逆变器不能由于无输出隔离变压器结构的光伏并网逆变器不能自动抑制直流注入自动抑制直流注入, ,直流注入可能引起电网中配电直流注入可能引起电网中配电变压器的饱和变压器的饱和, ,导致电能质量变差导致电能质量变差, ,电力系统产生电力系统产生大的损耗和过热。因而大的损耗和过热。因而, ,国际上一些国家已经制定国际上一些国家已

28、经制定了抑制光伏并网逆变器注入电网直流分量的标准了抑制光伏并网逆变器注入电网直流分量的标准, ,如表如表1.11.1所示。所示。一、抑制直流注入一、抑制直流注入44济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-845济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8抑制并网逆变器直流注入的控制方法，主要包括抑制并网逆变器直流注入的控制方法，主要包括:采用采用电容隔断电容隔断直流注入方法；自身带有直流抑制直流注入方法；自身带有直流抑制能力的能力的电路拓扑电路拓扑；采用；采用检测电流检测电流的控制方法；采的控制方法；采用用检测电压检测电压的控制方法。的控制方法。应用自身带有直流抑制能力的电路拓扑方法

29、应用自身带有直流抑制能力的电路拓扑方法的原理是靠自身的拓补结构来阻断并网逆变的原理是靠自身的拓补结构来阻断并网逆变器注入电网直流分量的通路，不需要额外增器注入电网直流分量的通路，不需要额外增加直流分量检测电路。加直流分量检测电路。46济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8电容隔断直流注入方法的原理是在逆变器输出电容隔断直流注入方法的原理是在逆变器输出和电网之间串联一个电容，用来隔断注入电网和电网之间串联一个电容，用来隔断注入电网的直流分量，如图的直流分量，如图1.11所示。这种方法需要一所示。这种方法需要一个大的隔直电容，会增加成本和附加损耗。个大的隔直电容，会增加成本和附加损耗。4

30、7济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8采用检测电流控制方法的原理是利用电流传感器采用检测电流控制方法的原理是利用电流传感器来检测流入电网中的直流分量来检测流入电网中的直流分量,可是由于霍尔电流可是由于霍尔电流传感器自身存在显著的零漂特性使这种检测方法传感器自身存在显著的零漂特性使这种检测方法的有效性受到了限制的有效性受到了限制, 为了解决霍尔电流传感器的为了解决霍尔电流传感器的零漂问题零漂问题,Armstrong提出了一种自动校正的逆变提出了一种自动校正的逆变器，然而这种方法需要根据器，然而这种方法需要根据H桥的开关状态来测量桥的开关状态来测量系统的零漂问题。系统的零漂问题。48济

31、南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-849济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8利用电压传感器检测逆变器输出电压，再用利用电压传感器检测逆变器输出电压，再用差分放大器和低通滤波器检测出输出电压中差分放大器和低通滤波器检测出输出电压中的直流分量，通过把直流分量反馈到控制器的直流分量，通过把直流分量反馈到控制器来抑制直流分量。来抑制直流分量。50济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8二、逆变器并联运行的原理与分析二、逆变器并联运行的原理与分析图表示逆变器并联结构等效电路模型图表示逆变器并联结构等效电路模型其中其中U U1 1和和U U2 2分别是两个逆变器输出分别是两个

32、逆变器输出SVPWMSVPWM电压波中所含的基波分电压波中所含的基波分量量,U,U1111,U,U2222则分别是各自输出端电压则分别是各自输出端电压,U,Uo o是并联结点电压是并联结点电压( (即负载即负载电压电压;C;C1 1,C,C2 2,L,L1 1,L,L2 2分别代表两个逆变器的输出滤波电感分别代表两个逆变器的输出滤波电感, ,电容电容, ,滤滤波电感连接电阻及其内阻分别波电感连接电阻及其内阻分别r rLILI和和r rL2L2表示表示, ,而和而和r r1 1, r, r2 2表示并联表示并联连接连接( (导线导线) )电阻电阻,Z,Zo o公共负载。公共负载。51济南大学物理学院济南大学物理学院2022-4-8为了简化分析忽略。为了简化分析忽略。r rL1