孤岛运行下的光伏发电技术Word文档下载推荐.docx

1、 （3）孤岛运行可能会对电力线路的维修人员造成伤害，降低电网安全性。（4）电力孤岛区域如果过载运行可能会损坏逆变电源。因此，及时检测出孤岛运行状态并将光伏并网发电系统的逆变器从公共点断开是很有必要的，这就是所谓的孤岛检测。 孤岛检测标准 IEEE Std.2000-929 和 UL1741 提出分布式供电系统必须具有检测孤岛效应的功能，并给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并将逆变器与电网断开的时间要求2，如表 1.1 所示。1.2 孤岛检测基本原理光伏并网系统孤岛检测原理如图 1.2 所示。正常情况下，光伏系统和电网同时向负载供电。当电网出现故障断开后，光伏系统独立向负载供电。如果光伏

2、逆变器输出功率和负载功率近似匹配，如P=0，Q=0，这时很难检测到电网断开故障，从而形成孤岛。 图 1.2 并网发电系统孤岛效应原理图P 是电网的有功功率输出，Q 是电网的无功功率输出，Pinv是光伏的有功功率输出，Qinv是电网的无功功率输出，Pload是负载的有功功率，Qload是电网的无功功率。因此，功率平衡是指 Pinv=Pload-P; Qinv=Qload-Q （1.1） 如果 Pinv=Pload，那么在光伏系统输出的功率和电网输出的功率之间将不存在有功功率失配的问题。同样的，如果 Qinv=Qload，那么在光伏系统输出的功率和电网输出的功率之间将不存在无功功率失配的问题。 在

3、发电系统和电网断开的时刻，系统的响应时间将取决于孤岛形成之前P和Q 的瞬时值。如果 RLC 负载的谐振频率与电网频率一致，那么线性负载将不吸收或者消耗无功功率，而有功功率将与电压成比例。在负载与电网断开之后，负载消耗的有功功率将与光伏系统产生的功率一致，电网电压将变为： V=KV （1.2）式中 （1.3）当 PinvPload时，电压幅值将会增大，如果 PinvPload，电压幅值将会减小。无功功率将取决于电压的频率和幅值： （1.4）用这种方式可计算出孤岛情况下的变化： （1.5） 电网在运行期间，会受到各种各样的扰动影响，如电网电压跌落、过电压、谐波畸变和频率变化等。为避免这些不利因素的

4、影响，电网运营商必须要制定出孤岛保护策略。根据 EN 50160（公共低压配电网要求），表 1.2 给出了电网电压幅值频率的限值。 表1.2 EN 50160 中电网电压和频率的最大变化量 孤岛检测最难以实现的情况是系统有功和无功功率平衡，这时电网电压不存在频率和幅值的变化，即P=0 和Q=0。很明显，如果P 太小，电压幅值将不会有太大的变化，同样，如果Q 太小，频率值也不会有太大的变化，这样将无法有效地使光伏系统与电网分离，阻止孤岛情况发生。 通过计算光伏发电系统与电网之间的有功和无功功率的失配量可获得检测区，同时可以设置电压频率和幅值变化的阈值。P 和Q 有很大机会落入检测盲区，因为该区域

5、没有电压和频率异常。因此，仅仅通过监测电压和频率来实现反孤岛效应保护是比较困难的，要想实现有效的保护，必须结合其他孤岛检测方法。1.3 孤岛检测方法概述当电力系统中含有分布式电源（DG）时,孤岛检测的及时性、有效性对整个并网系统意义重大,孤岛问题研究的基础在于可靠的孤岛状态检测。通常要综合考虑分布式电源（DG）的特点、应用场合、并网系统拓扑结构等问题选择适当孤岛检测方法,某一种检测法或某几种检测法配合使用。随着孤岛检测方法研究的逐步深入,已经形成了多种孤岛检测方法,概括起来,主要包括电网端孤岛检测方法和逆变器端孤岛检测方法,逆变器端的检测法又包括被动和主动两类检测法,表示如下: 被动式检测方法

6、是通过检测并网处的电压幅值、频率、谐波含量是否发生突变并偏离并网标准的规定范围来确定是否发生孤岛。常用方法有:电压幅值检测法、电网频率检测法、电压谐波及无功检测法等。其工作原理简单,易于实现,但在逆变器输出功率与负载功率相近时失效。这里不作详细分析。二、光伏系统主动检测与防护孤岛功能研究主动式检测方法是指通过主动、定时地对逆变器给定信号的某个量,如对频率、幅值设置一个小的定时扰动,电网正常工作时,由于电网的钳制作用,这些扰动带来的影响非常小,可以忽略。一旦电网出现故障,逆变器输出的扰动将快速累积并超出并网标准允许的范围,从而触发孤岛效应的保护电路。下面介绍几种常用的主动式孤岛检测方法。2.1

7、频率漂移法 这种方法通过使用正反馈的手段来扰动参考频率，以此达到电网频率漂移的目的。当电网处于正常情况时，电网频率不会发生漂移，但是当电网断开时，系统扰动将使频率发生漂移直到触发频率异常保护，对应的措施如下所述。 （1） 主动频移法（ADF） 如果逆变器输出的电流波形有轻微的畸变，那么该电流将产生零序电流分量导致频率偏移。通过迫使电流频率稍大于电压频率 并且从电流波形负半周波的结尾到正半周波过零点之间保持逆变器的输出电流为零，可实现逆变器输出电流畸变。AFD 斩波因数定义为： （2.1） 式中，Tz是 AFD 信号的零值时间，T 是电网电压的周期。稳态下，对应该方法的逆变器输出电流幅值和相位的

8、参考值为 （2.2） 然而，电网的存在将阻止频率改变的趋势。但在孤岛情况下，频率将会发生偏移，同时电网将由于频率异常保护而跳闸。这种方法会使检测盲区减少到零，这将依赖于 LC 负载的品质因数和 ，这与用于测高品质因数负载的 OUF-OUV 检测方法非常近似。（2） 滑动模式频率偏移法（SMS）在这种方法中，在公共接入点电压相位上施加一个正反馈来短时间内使逆变器频率变得不稳定4。逆变器的相位定义为一个以频率为变量的函数，合理设计逆变器的相位响应曲线，使逆变器的相位比单位功率因数的 RLC 负载相位在电网频率附近增加更快。如果电网发生跳闸并且公共接入点电压的频率发生畸变，逆变器相位响应曲线的相位误

9、差将增加，进而造成频率的不稳定。这种不稳定性将进一步放大公共接入点电压的频率扰动，同时，频率将完全发生偏移直到触发频率异常保护。稳态时，对应逆变器输出电流幅值和相位的参考值： （2.3）式中，fm是最大相移出现时的频率。在这种方法中，对于一个给定的品质因数 Q，通过选择满足下式的 fm和值5，有可能使检测盲区为零。 （2.4） （3） Sandia 频移法（SFS）该方法也叫做带有正反馈的主动式频移，这是主动频移方法的扩展，也是另一种使用正反馈的方法。在这种方法中，运用正反馈使公共接入点的电压频率发生偏移。为实施正反馈，主动频移的斩波部分定义为电网频率的误差函数6： （2.5）式中，k 是加速

10、增益，当没有频率误差时cf0 是斩波系数，f-fn是频率估计值和额定值之差。 当逆变器与公用电网连接时，该方法能检测出很小的频率变化，且试图增大频率变化；当系统并网时，电网的稳定性会阻止频率变化。当电网断开并且 f 增大时，频率误差会增大，斩波部分会增加，光伏逆变器频率也会增加。逆变器起到了加强频率偏移的作用，这一过程一直持续到频率达到频率异常的阈值。根据参考文献7，对于 Q4.8，通过选取Cf0=0.05和 k= 0.01，可使检测盲区减少到零。该方法将使逆变器输出电流发生畸变，但取上述参数时，电流的 THD 能保持在 5%的限制范围之内。 这种方法通常与其互补方法 SVS（sandia 电

11、压偏移法）相结合，使孤岛检测性能最大化。 （4） 结合脉动斩波因数的主动式频移法（AFDPCF） 在参考文献8中，提出了一个运用斩波因数，而不是用增益系数的改进型SFS 方法，在孤岛期间形成交替的脉冲波形，导致更快的频率偏移。 （2.6）式中，cf max和cfmin分别是 cf 的最大值和最小值。 实际上，该方法迫使频率在第一个周期内增加，然后在第二个周期内减小。通过施加一个如标准所要求的某个电网电流 THD，使用分析计算方法可获得正序和负序斩波因数值。因此，该方法可以保证电网电能质量符合要求。该方法使逆变器并行工作的能力比之前基于主动频移的方法要高。在参考文献9中提出了将主动频移和滑动模式

12、频移相结合的方法，其中使用了软件锁相环技术来同时改变频率和电流的初始相位。通过采用最小 PQ 梯度法实现检测盲区的自定义，得到一个鲁棒性更强的方法，从而提供了更灵活的设计。但该方法设计过程更加复杂，实施起来比较困难。（5） GE 频移法（GEFS）这是另一种与 Sandia 频移法类似，以正反馈为基础的频移孤岛检测方法。该方法基于频率估计的正反馈来增大无功电流参考值，并通过滤波及增益系数设计保证系统稳定性。而增加无功电流参考值将导致更大的无功功率，这种方法使在孤岛情况下的 RLC 负载进一步增大系统频率，使其快速超过频率异常的限制。通过与电压正反馈方法结合来实施频率正反馈方法，当向电网注入被限

13、制在基波频率周围很窄范围内的连续反馈信号时，电流 THD 值的降低可被忽略。因此，GEFS 的正反馈增益并不会被 Sandia 频率法中电能质量约束所限制，这有可能获得很小的检测盲区。GEFS 同样有可能使逆变器并行连接工作。在参考文献10中，通过 1Hz 频率来调制电压和电流之间的相位偏移值。当系统并网时，相位偏移带来的影响仅是使得电流在其平均值附近较慢变化，而不改变传输给电网的功率。当系统和电网脱开，负载将产生振荡，相位调制将产生不平衡振荡负载，并且改变了振荡电压频率。通过频率异常或者电压异常可检测出电压或频率变化，并且立即生成一个停机信号传送到逆变器系统。（6） 无功功率变化（RPV）这

14、个方法要求在无功电流参考值处增加一个谐波扰动信号（通常为低频）。当系统并网时，该扰动信号试图结合扰动变量来调节电压频率，但由于该变量具有很强的刚性而难以实现。在孤岛情况下，电压与电流呈线性关系，同时电压频率将出现变化，能被检测出来。参考文献11提到了，通过将 1Hz1%的谐波电流加入到无功电流参考值中，可获得准确的检测，且对电网阻抗并不敏感。频率偏移检测模块用于计算两个过零点之间的半周期时间和基准频率之间的偏移。经过一定时间后，将产生一个跳闸信号。同时，该方法通过增大谐波电流的频率来缩短检测时间，但需要保持较低的电流幅值。在参考文献12中，即便是像 0.5Hz-0.33%这样更小更慢的谐波电流

15、，也可以加入到无功电流的参考值中。该方法的检测机制是以孤岛期间电流电压之间产生的一个小的相角变化为基础，通过被动式相位检测方法测量两个锁相环的相位差，可将这个小的变化量检测出来：用于电流的锁相环速度较快，而用于电压的锁相环速度较慢。这种孤岛检测方法几乎不会造成电能质量降低。在参考文献13中，运用在 2.5%额定功率范围内无功功率的步进变化来代替谐波畸变量。这种周期性的无功分量变化将在孤岛状态产生系统输出电压和输出电流的相位差。相位差将促使负载电压频率增加或减少，这将可能完全触发频率异常保护。参考文献14介绍了一种使用无功功率变化进行电网频率变量分析的方法，其中有一种分析法根据特定谐波要求来优化

16、设计无功功率变化。2.2 电压漂移法该方法通过电流正反馈或者改变无功功率达到电网电压偏移的目的。只要电网处于正常运行状态，电压就不会发生偏移，但是当电网断开时，系统扰动会使电网电压发生偏移，直到触发电压异常保护。Sandia 电压偏移法（SVS）法中，电压幅值将作为正反馈输入电流参考值。因此，如果公共接入点的电压幅值有所下降（通常情况下是测量有效值），光伏逆变器将减少其电流输出和功率输出。如果系统处于并网状态，功率减少对电压几乎没有影响。当电网断开且电压减小时，根据欧姆定律，通过负载阻抗的电流幅值减小，那么电压幅值将进一步减小。电压幅值的减小将导致光伏逆变器输出电流的进一步减小，这将最终造成电

17、压异常方法检测出孤岛。该方法有可能增加或者减少逆变器的输出功率，并且导致对应的过电压保护或者欠电压保护跳闸。然而，使功率减小和欠电压保护跳闸是较好的选择，因为这样不容易损坏负载设备。2.3 电网阻抗估算法该方法符合之前的 VDE 0126 标准或者是 VDE 0126-1-1（ENS）标准中的第一选项要求，当本地负载为完全对称负载时，要求检测出数值为 0.5的电网阻抗增加，同时还有其他可准确估计阻抗的复杂方法。这些方法的核心是，向电网施加扰动，例如谐波注入或者 PQ 变化，基于电网的响应来估计电网阻抗值。下面主要介绍谐波注入法（HI）。HI 是以非特征频率谐波电流的注入和最终谐波电压的提取为基

18、础的，这取决于该频率处的电网阻抗值。假定电网电压中不存在以上频率电压，那么在这些频率处检测出的电压将仅是对应于电网阻抗的电压降。在参考文献15中，使用了两个等距离注入频率谐波（对于一个 50Hz 电网，两端的频率为 40Hz 和 60Hz），在这些频率处使用线性化方法来估计电网阻抗值，然后对 50Hz 频率信号运用插值。参考文献16提出了另一种仅使用一种频（75Hz）的方法。参考文献17 提出了该方法的改进策略，如采用更高频率（400500Hz）谐波注入，并结合过零点检测方法来形成更小的电网扰动。通过除去基波频率，并使用调谐谐振滤波器来估计出谐波电压值和谐波电流值。当使用具有谐波补偿功能的比例

19、谐振电流控制器时，该方法所选择的非典型频率谐波信号与电流控制器将不会相互作用，同样要保证该频率不靠近输出滤波器谐振频率。由于电网阻抗的非线性特征，在 400Hz 和 600Hz 频率处推算的低频电网阻抗绝对值的估计值可能不太精确。然而，对于如 VDE 0126-1-2006 所要求的 0.5跳变的检测，却能达到精度要求。2.4 主动式检测法比较根据以上所描述的方法，表2.1显示了一个与主动式孤岛检测方法相关的性能综合比较，主要涉及检测可靠性、电能质量降低、逆变器并行工作的适应性以及潜在的标准化问题。 表2.1主动式孤岛方法的比较2.5主动式孤岛检测方法研究现状文献18对孤岛检测的研究现状进行了

20、总结研究,分析了孤岛检测的原理,介绍了孤岛检测盲区的描述方法,对比了现有孤岛检测方法的优缺点。文献19设计在加周期性主动电流扰动之前,先将此时的输出电压与上一次采样时的电压进行比较,观察输出电压的变化状况,施加与输出电压变化方向相同的主动电流扰动,通过电压相位突变检测与改进型主动电流扰动相结合的检测方法检测孤岛运行状态,这种检测算法弥补了主被动检测算法的缺陷,降低了对并网电能质量的影响,减小了检测盲区。文献20对有源频率扰动孤岛检测法中的扰动量C/进行了理论研究,改进型了周期性扰动正反馈有源频率漂移法,消除了传统检测算法对负载特性的依赖。文献2122在多机系统中对主被动孤岛检测算法进行了仿真研

21、究,通过理论分析和仿真结果表明被动孤岛检测方式在多级系统检测有效性会降低,主动式孤岛检测算法在多机系统的孤岛检测特性基本不受影响。文献23提出了间歇性频率扰动正反馈孤岛检测方法,检测到系统一旦出现功率不平衡时则启动频率扰动正反馈,该方法有效降低了传统频率正反馈扰动对逆变器输出电能质量影响。文献24提出了间歇性双边无功功率扰动孤岛检测策略,通过仿真验证表明该孤岛检测方法满足孤岛检测的要求,检测盲区较小,对逆变器并网输出电能功率因数影响明显减小。文献252627 将基于无功-频率正反馈扰动法应用到孤岛检测中,设置逆变器输出无功功率为公共親合点（PCC）电压频率对电网额定频率偏差值的正反馈扰动函数,

22、该检测方法检测速度快、对并网电能质量影响小、没有检测盲区,但是对并网电能功率因数有一定的影响。综上所述,传统的主动式孤岛检测方法对分布式电源并网电能质量影响较大,检测算法阈值难以确定且存在一定的检测盲区。因此,有必要对新的孤岛检测算法进行研究。2.6 新的孤岛检测算法的研究文献252627提出了无功-频率孤岛检测算法,利用孤岛时系统无功频率特性引入频率正反馈检测出孤岛运行状态,对并网电能质量影响小且不存在检测盲区,但是对输出电能功率因数有一定的影响。本节利用孤岛时系统有功电压特性采用有功-电压正反馈孤岛检测算法对孤岛检测进行研究,目标是减小对并网电能质量的影响,加快孤岛检测速度。负载有功功率与

23、电压响应特性曲线为一条二次曲线,如图2,1所示。图2.1负载有功功率与电压响应特性曲图2.1中所示的是孤岛运行时,系统电压和负载有功功率特性关系,横坐标代表电压,纵坐标代表有功功率。图中A、B、C分别为RLC负载电阻为不同值的负载有功-电压特性曲线。当分布式电源输出有功为参考值时,其输出有功为电压特性曲线图中的那条直线,分别与系统有功-电压特性曲线相交于A、B、C点,认为此3点为孤岛发生后系统电压稳定运行点,三条特性曲线之内的范围系统电压幅值稳定后均在过/欠电压阈值之内,被动式孤岛检测失败。孤岛发生后,电压幅值最终会稳定,使负载消耗功率和逆变器输出功率匹配处,孤岛发生瞬间,电压幅值会朝“稳态电

24、压”波动。加入电压正反馈的效果是改“稳态电压”由固定值到朝着一个方向不断变化,则系统电压幅值也会不断朝这个方向波动,直至超出孤岛检测阈值。加入无功-频率孤岛检测正反馈算法后,逆变器输出无功功率为频率的正反馈函数: （2.7） 其中, 为电网额定电压, 为分布式电源给定的有功功率参考值,为加入扰动算法后的有功参考值,即为图2.1中曲线所示。若使系统电压幅值不断朝着一个方向波动,则应设置电压正反馈函数曲线斜率始终大于系统频率和负载无功功率特性曲线,式（5-9）电压幅值U对逆变器输出有功功率P求导可得: （2.8）比较式（2,7）和式（2.8）可得反馈系数应大于。以B点为例,若孤岛发生瞬间,分布式电

25、源提供的有功功率比负载所需有功小,则系统电压降低u,电压的降低扰动使分布式电源提供的有功功率减小,使系统电压进一步降低,直至超出检测阈值;若孤岛发生瞬间,分布式电源提供的有功功率比负载所需有功大,则系统电压升高u,电压的升高使分布式电源提供的有功功率增大,则系统电压进一步升高,直至超出检测阈值。同样原理适用于A、C两点,使系统电压幅值快速地朝着一个方向波动,最后达到孤岛电压保护的阈值,其原理框图如图2.2所示:图2.2基于电压正反馈的有功扰动检测方法图2.7 本章小结与展望本章分析了各种主动式检测方法的原理，并对其性能进行了比较（检测盲区、可靠性及其是否适用于逆变器并行工作）。在分析已有主动式

26、孤岛检测文献的基础上，改进了有功-电压扰动孤岛检测算法, 在系统并网运行时对逆变器输出的电能质量和功率因数基本没有影响;在孤岛检测最差情况下可以有效地检测出孤岛运行状态,没有检测盲区,检测速度较快。由于时间仓促和个人能力有限，本章仅从理论上阐释分析，没有对各种孤岛检测方式进行仿真测试比较，验证方法的有效性。本论文所涉及的研究内容尚有诸多问题需要进一步研究，包括利用MATLAB/Simulink搭建了含光储能系统的微电网仿真模型。分别对微电网孤岛、并网和运行方式之间的平滑切换以及断电状态下的孤岛检测进行了仿真研究。3、电网侧对光伏系统孤岛检测技术的研究电网端的孤岛检测方法（也称远程检测法或幵关状

27、态监测法）主要基于现代通信手段，检测出断路器的开断状态，或在电网侧发出信号，而安装在光伏发电装置上的接收器将根据这些信号的变化来确定是否发生了孤岛。这种检测方法的性能与各种发电装置的类型无关。3.1 电力载波线通信 电力线载波通信方案（PLCC）采用电力线输送信号，图3.1所示为检测的原理示意图。此种检测方法主要利用连接在变电站25KV次级母线侧的信号发送器，发送器连续不断地向所有光伏发电等分布式发电装置发送信号。每个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，就判断为孤岛运行状态，分布式发电装置则停止运行。电力线载波信号应该具有以下特点：（1）信号要求连续的。这是因为一旦载波中断，

28、就失去了它连续检测监控监控电网的能力。（2）载波信号要能够得到很好的传送。因为变压器的串联电感可以中断高频信号，所以要使用低频信号进行传输。电力载波线通信的优点：在正常负载范围内没有检测盲区，孤岛检测非常有效，对逆变器的输出质量没有影响，对系统的暂态响应也无影响，而且某些情况下，基于PLCC的孤岛检测方法还会提高系统运行特性28。缺点：主要是费用问题。电网中需要PLCC发送器才能给逆变器发送信号。但是目前发送器还没有得到普遍，对于某些规模较小的系统，性价比较低。此方法在某种极端情况下也会存在检测盲区，这是因为孤岛中的负荷可能会吸收PLCC信号，也可能会产生各种谐波分量。如果PLCC信号被负荷吸

29、收，那么将不能有效的检测出孤岛，如果负荷产生的谐波恰好在电力载波信号频带内，将会导致误检。 图3.1 电力线载波通讯方案原理图 3.2 传输断路器跳闸信号孤岛检测 传输跳闸信号是监控系统中所有可能导致孤岛形成的断路器或自动开关的状态。若某个开关动作产生逆变系统与电网分离，中央控制单元便能够将确定孤岛的范围，并发送信号是孤岛运行的逆变电源断开。优缺点：这种孤岛检测方法在现有的固定电网上比较容易实现，因为电网的结构已经固定的话，对于断路器的确定比较容易。此法能够加强电网对分布式发电装置的控制，使整个系统更加协调。在故障消除后，中央控制单元还可以根据信息进行重合闸操作。缺点主要是成本高、操作比较复杂。这是因为整个电网系统中所有可能产生孤岛的点都需要安装信号发送器，且通讯药能覆盖逆变发电装置的整个区域。并且电网的扩建和拓扑结构改变也会很麻烦。3.3 基于监控与数据采集方式（SCADA）的孤岛检测 基于SCADA的检测法