第九章并網(wǎng)逆變器的孤島效應(yīng)與檢測(cè)方法

孤島效應(yīng)是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)存在的一個(gè)基本問題，孤島檢測(cè)與防護(hù)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必須考慮的功能，是人員和設(shè)備安全的重要保證，也是并網(wǎng)逆變器面臨的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本章從孤島效應(yīng)產(chǎn)生的原理、危害及防護(hù)要求出發(fā)，重點(diǎn)介紹和分析目前常用的被動(dòng)式孤島檢測(cè)法，如過/欠電壓和高/低頻率檢測(cè)法、相位突變法和電壓諧波檢測(cè)法；以及主動(dòng)式孤島檢測(cè)法，如主動(dòng)頻率偏移法、模頻漂檢測(cè)法和自動(dòng)移相法，并給出數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第九章并網(wǎng)逆變器的孤島效應(yīng)與檢測(cè)方法孤島9.1.1孤島效應(yīng)的定義所謂的“孤島”是指電力系統(tǒng)的一部分（含負(fù)載和正在運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備）與其余部分隔離，能獨(dú)立供電運(yùn)行的一種狀態(tài)。光伏逆變器連接到公共電網(wǎng)上運(yùn)行，由逆變器和電網(wǎng)共同向負(fù)載供電，當(dāng)電網(wǎng)因故障事故或停電維修等原因停電時(shí)，各個(gè)用戶端的逆變器未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而將自身切離市電，并以其自身的輸出頻率和電壓向周圍負(fù)載供電，這樣就形成由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍負(fù)載形成的一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電的“孤島”，并稱此時(shí)的逆變器運(yùn)行在孤島狀態(tài)。孤島效應(yīng)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特有的現(xiàn)象，具有相當(dāng)大的危害性，不僅會(huì)危害到整個(gè)配電系統(tǒng)及用戶端的設(shè)備，更嚴(yán)重的是會(huì)造成輸電線路維修人員的生命安全。目前，對(duì)孤島效應(yīng)的研究可以分為兩種情況，即反孤島效應(yīng)和利用孤島效應(yīng)。反孤島效應(yīng)（可簡(jiǎn)稱為反孤島）是指禁止非計(jì)劃孤島效應(yīng)的發(fā)生，由9.1.1孤島效應(yīng)的定義所謂的“孤島”是

于這種供電狀態(tài)是未知的，將造成一系列的不利影響，并且隨著電網(wǎng)中分布式發(fā)電裝置數(shù)量的增多，造成危險(xiǎn)的可能性更大，而傳統(tǒng)的過/欠電壓、過/欠頻保護(hù)已經(jīng)不再滿足安全供電的要求。因此，ULl741、IEEEStd．929-2000中規(guī)定，分布式發(fā)電裝置必須采用反孤島方案來禁止非計(jì)劃孤島效應(yīng)的發(fā)生。利用孤島效應(yīng)是指按預(yù)先配置的控制策略，有計(jì)劃地發(fā)生孤島效應(yīng)，具體是指在因電網(wǎng)故障或維修而造成供電中斷時(shí)，由分布式發(fā)電裝置繼續(xù)向周圍負(fù)載供電，從而減少因停電而帶來的損失，提高供電質(zhì)量和可靠性。本章主要對(duì)光伏并網(wǎng)中的反孤島效應(yīng)進(jìn)行研究。于這種供電狀態(tài)是未知的，將造成一系列的不利影9.1.2孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與本地負(fù)載相連，通過投閘開關(guān)連接到配電網(wǎng)上，其撲如圖9-1所示，當(dāng)電網(wǎng)停電或其他原因?qū)е峦堕l開關(guān)斷開時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)完全有可能與其周圍本地負(fù)載一起形成孤島。1．孤島效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因孤島效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因有以下幾個(gè)方面：1）公共電網(wǎng)檢測(cè)到故障，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)投閘開關(guān)跳開，但是并網(wǎng)發(fā)電裝置或者保護(hù)裝置沒有檢測(cè)到故障而繼續(xù)運(yùn)行。2）由于電網(wǎng)設(shè)備故障而導(dǎo)致正常供電的意外中斷。3）電網(wǎng)維修造成的供電中斷。4）工作人員的誤操作或蓄意破壞。5）自然災(zāi)害（風(fēng)、雨、雷電等）。9.1.2孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與本地

以上幾種情況都是電網(wǎng)非正常運(yùn)行時(shí)所引發(fā)的孤島效應(yīng)。此時(shí)由于負(fù)載需求功率與發(fā)電裝置輸出功率的不匹配以及缺乏適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率控制，所導(dǎo)致的不確定狀況將會(huì)給電網(wǎng)和用戶設(shè)備等帶來一系列不利影響。圖9-1孤島研究的電網(wǎng)拓?fù)湟陨蠋追N情況都是電網(wǎng)非正常運(yùn)

2．孤島檢測(cè)的基本原理電流控制型并網(wǎng)逆變器發(fā)電系統(tǒng)的功率圖如圖9-2所示，DG表示分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。逆變器工作于單位功率因數(shù)正弦波控制模式，也即所帶的本地RLC負(fù)載的諧振頻率為電網(wǎng)頻率，局部負(fù)載用并聯(lián)RLC電路表示。負(fù)載功率與逆變器輸出完全匹配的負(fù)載參數(shù)為R、L、C，不匹配的負(fù)載由R+ΔR，L+ΔL，C+ΔC來表示。圖9-2斷網(wǎng)前后孤島區(qū)域等效電路圖a)并網(wǎng)運(yùn)行等效電路圖b)斷網(wǎng)后等效電路圖2．孤島檢測(cè)的基本原理圖9-2斷網(wǎng)前后孤當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)如圖9-2a所示，逆變器向負(fù)載提供的有功功率為P、無功功率為Q，電網(wǎng)向負(fù)載提供的有功功率為P、無功功率為Q，負(fù)載需求的有功功率為Pload、無功功率為Qload，U、f為公共耦合點(diǎn)a的電壓和頻率，根據(jù)能量守恒定律，a處的功率為

（9-1）

（9-2）

（9-3）

（9-4）

（9-5）當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)如圖9-2a所示，逆變器向負(fù)載提供的有功功率

式（9-4）中，f為諧振頻率；Qf為負(fù)載品質(zhì)因數(shù)。Qf等于諧振時(shí)每周期最大儲(chǔ)能與所消耗能量比值的2p倍，Qf的值越大，負(fù)載諧振能力越強(qiáng)。如果諧振負(fù)載包含具體數(shù)值的并聯(lián)電感L、電容C和有效電阻R，Qf的大小定義為或當(dāng)電網(wǎng)掉電以后的等效電路如圖9-2b所示，節(jié)點(diǎn)a處的電壓變?yōu)閁'，RLC負(fù)載的諧振頻率為

（9-6）

由此可得

（9-7）式（9-4）中，f為諧振頻率；Qf為負(fù)載品質(zhì)

如果逆變器過頻（OFR）、欠頻（UFR）繼電器的動(dòng)作值是fmax、fmin，則當(dāng)斷網(wǎng)后負(fù)載的不匹配程度滿足下面不等式時(shí)，頻率的變化沒有越限，頻率繼電器不動(dòng)作。

（9-8）

令ΔCΔL=0，則

（9-9）

由此可得ΔL、ΔC和ΔQ三者之間的關(guān)系為

（9-10）

如果逆變器過頻（OFR）、欠頻（UFR）繼電

由式（9-9）、式（9-10）可以得出

（9-11）

IEEEStd.1547-2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：額定電網(wǎng)頻率fnor=60Hz，fmin=59.3Hz，fmax=60.5，其中fnor為電網(wǎng)額定基波頻率。我國(guó)額定電網(wǎng)頻率采用的是fnor=50Hz，所以根據(jù)比例計(jì)算，fmin=49.417Hz，fmax=50.417Hz。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器輸出的有功功率為

（9-12）電網(wǎng)斷開后，負(fù)載的有功功率變?yōu)?/p>

（9-13）

假設(shè)并網(wǎng)系統(tǒng)采用的是恒定功率控制，則有由式（9-9）、式（9-10）可以得出 （9

（9-14）

簡(jiǎn)化上式，得

（9-15）并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，AP由電網(wǎng)提供，即

（9-16）則

（9-17） （9-14）簡(jiǎn)化上式，得 （9-15）

9.1.3孤島效應(yīng)的危害1）當(dāng)電網(wǎng)無法控制孤島發(fā)生區(qū)域中的電壓和頻率，可能發(fā)生供電電壓與頻率不穩(wěn)定的現(xiàn)象，電源的電壓和頻率可能會(huì)對(duì)孤島系統(tǒng)中的用電設(shè)備產(chǎn)生一定的損害。2）如果負(fù)載容量大于逆變電源容量，導(dǎo)致逆變電源過載運(yùn)行，逆變電源容易被燒毀。3）孤島的電壓相量會(huì)相對(duì)于主網(wǎng)產(chǎn)生漂移，如果兩者相位相差很大，當(dāng)電網(wǎng)快速恢復(fù)時(shí)，可能引起孤島系統(tǒng)并網(wǎng)重合閘時(shí)再次跳閘，甚至損壞發(fā)電設(shè)備和其他連接設(shè)備。4）當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島時(shí)，與逆變電源相連的線路仍然帶電，可能會(huì)危及電力線路的維護(hù)人員的安全，降低電網(wǎng)的安全性。5）妨礙供電系統(tǒng)正?；謴?fù)供電。孤島發(fā)生后，逆變電源的輸出與電網(wǎng)失去了同步時(shí)序，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)可能因出現(xiàn)大的沖擊電流而導(dǎo)致該線路再次跳閘（重合閘失?。?，導(dǎo)致?lián)p壞逆變器和設(shè)備。9.1.3孤島效應(yīng)的危害1）當(dāng)電網(wǎng)無法控制孤島發(fā)生區(qū)域中9.2.1孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)9.2.1孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

9.2.2孤島檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀1．遠(yuǎn)程檢測(cè)

遠(yuǎn)程檢測(cè)是利用通信、電力載波等方法，在電網(wǎng)側(cè)對(duì)孤島狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。2．本地檢測(cè)

（1）被動(dòng)式檢測(cè)法

被動(dòng)式檢測(cè)法是利用電網(wǎng)斷電時(shí)逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波的變化進(jìn)行孤島效應(yīng)檢測(cè)。

（2）主動(dòng)式檢測(cè)法

主動(dòng)式檢測(cè)法是指通過控制逆變器，使輸出的功率、頻率或相位存在一定的擾動(dòng)，然后檢測(cè)它的響應(yīng)，根據(jù)檢測(cè)到的響應(yīng)參數(shù)的變化來確定孤島是否發(fā)生。3．其他檢測(cè)方法9.2.2孤島檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀1．遠(yuǎn)程檢測(cè)9.3.1過/欠電壓和高/低頻率檢測(cè)法1．檢測(cè)原理對(duì)于圖9-2，電網(wǎng)正常（開關(guān)S1閉合）時(shí)，逆變電源輸出功率為P+jQ，負(fù)載功率為，電網(wǎng)輸出功率為。此時(shí)，公共耦合點(diǎn)a的電壓幅值和頻率由電網(wǎng)決定，OVP/UVP、OFP/UFP不會(huì)動(dòng)作，即不會(huì)干擾系統(tǒng)正常運(yùn)行。如果P≠0，逆變器輸出有功功率與負(fù)載有功功率不匹配，則公共耦合點(diǎn)電壓將發(fā)生變化；如果Q≠0，逆變器輸出無功功率與負(fù)載無功功率不匹配，則公共耦合點(diǎn)電壓的頻率將發(fā)生變化。如果它們的變化超出了正常范圍，就會(huì)使OVP/UVP、OFP/UFP動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)孤島狀態(tài)檢測(cè)從而防止孤島發(fā)生。2．有效性評(píng)估盲區(qū)描述是評(píng)判孤島檢測(cè)有效性的常用工具之一。9.3.1過/欠電壓和高/低頻率檢測(cè)法1．檢測(cè)原理

由圖9-4可知：1）在Qf=2.5時(shí)，在恒功率控制方式下，在近7％的無功差異和近40%的有功差異時(shí)，孤島才能被檢測(cè)到。這強(qiáng)調(diào)了孤島產(chǎn)生的機(jī)率不可忽略，且隨著光伏并網(wǎng)系統(tǒng)容量越來越大，功率失配的范圍越來越小，孤島發(fā)生的可能性將越大，危害也更嚴(yán)重。單純依賴被動(dòng)式孤島檢測(cè)不能滿足實(shí)際需求。2）Qf的值越大，NDZ覆蓋的無功失配的范圍也越大。3）無功不匹配檢測(cè)敏感性大于有功不匹配檢測(cè)（6.89%<38.4%），因此頻率檢測(cè)方法比電壓檢測(cè)更靈敏。由圖9-4可知：9.3.2電壓相位突變檢測(cè)法9.3.2電壓相位突變檢測(cè)法

9.3.3電壓諧波檢測(cè)法電壓諧波檢測(cè)法（VoltageHarmonicDetection，VHD）是通過檢測(cè)并網(wǎng)逆變器輸出電壓的總諧波失真（TotalHarmonicDistortion，THD）是否超過一定的界限，來判斷孤島現(xiàn)象的發(fā)生。通常確定被動(dòng)檢測(cè)方法判據(jù)的閾值需要考慮以下幾點(diǎn)：1）分布式電源自身輸出并不穩(wěn)定。2）實(shí)際電網(wǎng)電壓幅值與頻率不夠穩(wěn)定。3）負(fù)載的突增、突減會(huì)造成電壓、頻率的波動(dòng)。9.3.3電壓諧波檢測(cè)法電壓諧波檢測(cè)法（Volt9.4主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法

主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的原理是通過引入干擾打破孤島運(yùn)行下逆變系統(tǒng)和負(fù)載之間的平衡。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)這種擾動(dòng)并不明顯，但在孤島運(yùn)行時(shí)，該擾動(dòng)可以加速a點(diǎn)的電壓幅值或者頻率越限超出閾值范圍。由逆變器輸出電流的表達(dá)式

可以看出，可施加擾動(dòng)的量有電流幅值Im、電流頻率f、電流相位φ，由此產(chǎn)生了基于幅值的擾動(dòng)，代表算法為Sandia電壓偏移（SVS）法；基于頻率的擾動(dòng)，代表算法為主動(dòng)頻率偏移（AFD）法、正反饋主動(dòng)頻率漂移（AFDPF）法；基于相位的擾動(dòng)，代表算法為滑模頻漂檢測(cè)（SMS）法；自動(dòng)移相（APS）法等。其中SVS法對(duì)能量有損失，而AFD法和APS法在對(duì)輸出電能質(zhì)量干擾較小的情況下即可有效檢測(cè)出孤島，且在多機(jī)運(yùn)行下同樣有效，本節(jié)將重點(diǎn)介紹。9.4主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法主動(dòng)式孤島檢9.4.1頻率偏移檢測(cè)法

1．AFD的基本原理逆變器正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，輸出電流與公共點(diǎn)電壓同頻同相，由鎖相環(huán)檢測(cè)公共點(diǎn)電壓的頻率作為輸出電流的頻率，每個(gè)電壓過零點(diǎn)為電流新半波的開始，這樣保證電流與電壓同頻同相。主動(dòng)頻率偏移法是通過采樣公共節(jié)點(diǎn)處的頻率，進(jìn)行偏移后作為逆變器的輸出電流頻率，造成對(duì)負(fù)載端電壓頻率的擾動(dòng)，如圖9-8所示。圖9-8

主動(dòng)頻率偏移法的電流波形9.4.1頻率偏移檢測(cè)法1．AFD的基本原理

2．AFD檢測(cè)失敗原因下面從AFD的工作機(jī)理出發(fā)，分析孤島檢測(cè)失敗的原因。孤島檢測(cè)成功的關(guān)鍵是公共點(diǎn)頻率在失壓后能有較大的偏移，而AFD就是通過人為增加電流頻率偏移來達(dá)到使電壓頻率偏移的目的。設(shè)檢測(cè)到的電壓頻率為fv（kT）（假設(shè)擾動(dòng)信號(hào)cf=5%），則電流給定頻率為fi（kT＋T）＝mfv（kT），其中m>1，電網(wǎng)失壓后的公共點(diǎn)頻率變化情況如下：1）如果負(fù)載呈阻性，則電壓與電流同頻同相，電流頻率的變化被完全傳遞到電壓上，頻率每個(gè)周期都能在上一周期的基礎(chǔ)上持續(xù)不斷地單向偏移，所以AFD對(duì)純電阻負(fù)載沒有檢測(cè)盲區(qū)。2）若負(fù)載呈容性，電壓將與電流同頻但滯后于電流一定的相位角，滯后的角度由負(fù)載相位角決定，電壓的滯后延緩了電壓過零點(diǎn)的到達(dá)時(shí)刻，使檢測(cè)到的電壓周期值增大。由此，AFD算法中電流給定使頻率加快的改變不能完全傳遞到電壓上，AFD對(duì)頻率的擾動(dòng)效應(yīng)被負(fù)載相位角抵消了一部分。如果兩者正好相抵，則相鄰周期間電壓過零時(shí)間間隔不發(fā)生變化，頻率不會(huì)偏移，孤島檢測(cè)失敗。2．AFD檢測(cè)失敗原因下面從AFD的工3）若負(fù)載呈感性，電壓將超前電流，加快了電壓過零點(diǎn)的到來，使頻率偏移在電流給定頻率偏移的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提速，電壓頻率被迅速增大，由此不會(huì)有檢測(cè)盲區(qū)。但若AFD算法使頻率反向擾動(dòng)，即算法中m<1，則感性負(fù)載有可能導(dǎo)致檢測(cè)失敗，而容性負(fù)載下孤島能被順利檢出。至于RLC負(fù)載，如果RLC諧振頻率與電網(wǎng)頻率相等、斷網(wǎng)時(shí)負(fù)載呈阻性，本周期AFD對(duì)頻率的擾動(dòng)會(huì)被完全傳遞，使頻率將升高（或降低），新頻率下負(fù)載呈容性（或感性）。在負(fù)載相位角不為零后，AFD對(duì)頻率的擾動(dòng)效應(yīng)會(huì)被負(fù)載相位角削弱（或增強(qiáng)）。頻率越高（低），容（感）性越強(qiáng)，負(fù)載相位角的影響越大，直到AFD與負(fù)載相位角兩者效果相抵，頻率不再變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。3．AFD法的缺陷當(dāng)孤島現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，逆變器的負(fù)載性質(zhì)對(duì)逆變器輸出電壓的頻率有一定的影響。主動(dòng)式頻率擾動(dòng)法中，無論傳統(tǒng)的AFD法還是AFDPF法，擾動(dòng)信號(hào)cf均按一個(gè)方向?qū)δ孀兤鬏敵鲭妷旱念l率進(jìn)行擾動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障且負(fù)載性質(zhì)不同時(shí)，逆變器輸出電壓的頻率變化方向有可能與擾動(dòng)信號(hào)方法相反，這會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出電壓的3）若負(fù)載呈感性，電壓將超前電流，加快了電壓過零點(diǎn)的

頻率誤差積累較慢從而延長(zhǎng)孤島檢測(cè)時(shí)間。特殊情況下，負(fù)載對(duì)逆變器輸出電壓頻率的平衡作用會(huì)抵消頻率擾動(dòng)的作用，這種情況下會(huì)出現(xiàn)孤島效應(yīng)的漏判。頻率誤差積累較慢從而延長(zhǎng)孤島檢測(cè)時(shí)間。特殊情9.4.2周期性檢測(cè)法

1．工作原理圖9-9周期性擾動(dòng)AFDPF孤島效應(yīng)檢測(cè)方法的控制原理框圖9.4.2周期性檢測(cè)法1．工作原理圖9-9

2．仿真分析2．仿真分析9.4.3滑膜頻率漂移法1．算法原理滑膜頻率漂移法檢測(cè)孤島的原理與AFD類似，兩者的主要區(qū)別在于：AFD通過tz引入頻率偏移，而SMS則是通過引入相位角偏移θSMS。相位的變化將在孤島形成后對(duì)入網(wǎng)點(diǎn)電壓相角起到類似正反饋的作用而使逆變電源失穩(wěn)。并網(wǎng)時(shí)電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流頻率并不受此反饋影響。通常，逆變電源工作在單位功率因數(shù)，逆變電源輸出電流和公共點(diǎn)電壓同頻同相，加入SMS孤島檢測(cè)算法后，逆變器輸出電流的頻率不變，但相位發(fā)生偏移，是頻率的函數(shù)，偏移大小由SMS移相算法決定。移相角θSMS表示為（9-42）式中，m為滑動(dòng)頻率偏移算法的最大相移；fm為產(chǎn)生最大相移時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率；fg為電網(wǎng)頻率；f為公共點(diǎn)頻率。9.4.3滑膜頻率漂移法1．算法原理（9-42）式中

移相角θSMS在電網(wǎng)頻率處相角為0，這是它并網(wǎng)時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)，如果脫離了這個(gè)平衡點(diǎn)，它將沿正弦曲線變化。SMS相頻曲線與負(fù)載相頻曲線如圖9-12所示。圖9-12逆變器SMS相頻曲線和負(fù)載相頻曲線移相角θSMS在電網(wǎng)頻率處相角為0，

正常情況下，電網(wǎng)提供固定的相角和頻率基準(zhǔn)，將工作點(diǎn)穩(wěn)定在工頻50Hz處。孤島形成后，負(fù)載和逆變電源的相頻工作點(diǎn)必須是負(fù)載線和相位響應(yīng)曲線的交點(diǎn)。圖9-12中，單位功率因數(shù)負(fù)載線和逆變電源SMS曲線在50Hz點(diǎn)處相交，相角為零。孤島形成后，如果節(jié)點(diǎn)a電壓頻率有微小波動(dòng)，逆變電源的S形相位響應(yīng)曲線會(huì)使相位誤差進(jìn)一步增加，這就是正反饋的機(jī)理，使它產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。逆變電源在工頻的這種不穩(wěn)定性使它的波動(dòng)加強(qiáng)并且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)到一個(gè)新的工作點(diǎn)（A點(diǎn)或B點(diǎn)）。如果逆變電源相位響應(yīng)曲線設(shè)計(jì)合理，A和B點(diǎn)頻率超出OFR/UFR的范圍值，從而檢測(cè)出孤島。2．檢測(cè)失敗原因

與主動(dòng)移頻法類似，電壓過零時(shí)刻的提前或推后受電流移相算法和負(fù)載相位角這兩個(gè)因素的影響，如果兩者大小相等、方向相反，頻率保持不變，達(dá)到失壓后的穩(wěn)定狀態(tài)。如果到達(dá)穩(wěn)態(tài)前頻率一直都在正常范圍內(nèi)，則孤島無法順利檢出。正常情況下，電網(wǎng)提供固定的相角和頻率

3．仿真分析3．仿真分析

9.4.4自動(dòng)相位偏移法1．工作原理針對(duì)SMS法的存在的問題，APS法做了如下改進(jìn)：1）設(shè)置初始相位θ0，使得斷網(wǎng)瞬間能可靠地觸發(fā)頻率偏移。2）令相角差隨頻率偏離幅度的增大而增大，從而既避免了穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)生，又加快了頻率偏移的速度。2．簡(jiǎn)化的APS9.4.4自動(dòng)相位偏移法1．工作原理2．簡(jiǎn)化的APS

3．仿真分析3．仿真分析

圖9-16簡(jiǎn)化APS法孤島檢測(cè)仿真波形及其并網(wǎng)電流THD圖9-16簡(jiǎn)化APS法孤島檢測(cè)仿真波形及其第九章并網(wǎng)逆變器的孤島效應(yīng)與檢測(cè)方法

孤島效應(yīng)是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)存在的一個(gè)基本問題，孤島檢測(cè)與防護(hù)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必須考慮的功能，是人員和設(shè)備安全的重要保證，也是并網(wǎng)逆變器面臨的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本章從孤島效應(yīng)產(chǎn)生的原理、危害及防護(hù)要求出發(fā)，重點(diǎn)介紹和分析目前常用的被動(dòng)式孤島檢測(cè)法，如過/欠電壓和高/低頻率檢測(cè)法、相位突變法和電壓諧波檢測(cè)法；以及主動(dòng)式孤島檢測(cè)法，如主動(dòng)頻率偏移法、模頻漂檢測(cè)法和自動(dòng)移相法，并給出數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第九章并網(wǎng)逆變器的孤島效應(yīng)與檢測(cè)方法孤島9.1.1孤島效應(yīng)的定義所謂的“孤島”是指電力系統(tǒng)的一部分（含負(fù)載和正在運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備）與其余部分隔離，能獨(dú)立供電運(yùn)行的一種狀態(tài)。光伏逆變器連接到公共電網(wǎng)上運(yùn)行，由逆變器和電網(wǎng)共同向負(fù)載供電，當(dāng)電網(wǎng)因故障事故或停電維修等原因停電時(shí)，各個(gè)用戶端的逆變器未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而將自身切離市電，并以其自身的輸出頻率和電壓向周圍負(fù)載供電，這樣就形成由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍負(fù)載形成的一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電的“孤島”，并稱此時(shí)的逆變器運(yùn)行在孤島狀態(tài)。孤島效應(yīng)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特有的現(xiàn)象，具有相當(dāng)大的危害性，不僅會(huì)危害到整個(gè)配電系統(tǒng)及用戶端的設(shè)備，更嚴(yán)重的是會(huì)造成輸電線路維修人員的生命安全。目前，對(duì)孤島效應(yīng)的研究可以分為兩種情況，即反孤島效應(yīng)和利用孤島效應(yīng)。反孤島效應(yīng)（可簡(jiǎn)稱為反孤島）是指禁止非計(jì)劃孤島效應(yīng)的發(fā)生，由9.1.1孤島效應(yīng)的定義所謂的“孤島”是

于這種供電狀態(tài)是未知的，將造成一系列的不利影響，并且隨著電網(wǎng)中分布式發(fā)電裝置數(shù)量的增多，造成危險(xiǎn)的可能性更大，而傳統(tǒng)的過/欠電壓、過/欠頻保護(hù)已經(jīng)不再滿足安全供電的要求。因此，ULl741、IEEEStd．929-2000中規(guī)定，分布式發(fā)電裝置必須采用反孤島方案來禁止非計(jì)劃孤島效應(yīng)的發(fā)生。利用孤島效應(yīng)是指按預(yù)先配置的控制策略，有計(jì)劃地發(fā)生孤島效應(yīng)，具體是指在因電網(wǎng)故障或維修而造成供電中斷時(shí)，由分布式發(fā)電裝置繼續(xù)向周圍負(fù)載供電，從而減少因停電而帶來的損失，提高供電質(zhì)量和可靠性。本章主要對(duì)光伏并網(wǎng)中的反孤島效應(yīng)進(jìn)行研究。于這種供電狀態(tài)是未知的，將造成一系列的不利影9.1.2孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與本地負(fù)載相連，通過投閘開關(guān)連接到配電網(wǎng)上，其撲如圖9-1所示，當(dāng)電網(wǎng)停電或其他原因?qū)е峦堕l開關(guān)斷開時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)完全有可能與其周圍本地負(fù)載一起形成孤島。1．孤島效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因孤島效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因有以下幾個(gè)方面：1）公共電網(wǎng)檢測(cè)到故障，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)投閘開關(guān)跳開，但是并網(wǎng)發(fā)電裝置或者保護(hù)裝置沒有檢測(cè)到故障而繼續(xù)運(yùn)行。2）由于電網(wǎng)設(shè)備故障而導(dǎo)致正常供電的意外中斷。3）電網(wǎng)維修造成的供電中斷。4）工作人員的誤操作或蓄意破壞。5）自然災(zāi)害（風(fēng)、雨、雷電等）。9.1.2孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與本地

以上幾種情況都是電網(wǎng)非正常運(yùn)行時(shí)所引發(fā)的孤島效應(yīng)。此時(shí)由于負(fù)載需求功率與發(fā)電裝置輸出功率的不匹配以及缺乏適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率控制，所導(dǎo)致的不確定狀況將會(huì)給電網(wǎng)和用戶設(shè)備等帶來一系列不利影響。圖9-1孤島研究的電網(wǎng)拓?fù)湟陨蠋追N情況都是電網(wǎng)非正常運(yùn)

2．孤島檢測(cè)的基本原理電流控制型并網(wǎng)逆變器發(fā)電系統(tǒng)的功率圖如圖9-2所示，DG表示分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。逆變器工作于單位功率因數(shù)正弦波控制模式，也即所帶的本地RLC負(fù)載的諧振頻率為電網(wǎng)頻率，局部負(fù)載用并聯(lián)RLC電路表示。負(fù)載功率與逆變器輸出完全匹配的負(fù)載參數(shù)為R、L、C，不匹配的負(fù)載由R+ΔR，L+ΔL，C+ΔC來表示。圖9-2斷網(wǎng)前后孤島區(qū)域等效電路圖a)并網(wǎng)運(yùn)行等效電路圖b)斷網(wǎng)后等效電路圖2．孤島檢測(cè)的基本原理圖9-2斷網(wǎng)前后孤當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)如圖9-2a所示，逆變器向負(fù)載提供的有功功率為P、無功功率為Q，電網(wǎng)向負(fù)載提供的有功功率為P、無功功率為Q，負(fù)載需求的有功功率為Pload、無功功率為Qload，U、f為公共耦合點(diǎn)a的電壓和頻率，根據(jù)能量守恒定律，a處的功率為

（9-1）

（9-2）

（9-3）

（9-4）

（9-5）當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)如圖9-2a所示，逆變器向負(fù)載提供的有功功率

式（9-4）中，f為諧振頻率；Qf為負(fù)載品質(zhì)因數(shù)。Qf等于諧振時(shí)每周期最大儲(chǔ)能與所消耗能量比值的2p倍，Qf的值越大，負(fù)載諧振能力越強(qiáng)。如果諧振負(fù)載包含具體數(shù)值的并聯(lián)電感L、電容C和有效電阻R，Qf的大小定義為或當(dāng)電網(wǎng)掉電以后的等效電路如圖9-2b所示，節(jié)點(diǎn)a處的電壓變?yōu)閁'，RLC負(fù)載的諧振頻率為

（9-6）

由此可得

（9-7）式（9-4）中，f為諧振頻率；Qf為負(fù)載品質(zhì)

如果逆變器過頻（OFR）、欠頻（UFR）繼電器的動(dòng)作值是fmax、fmin，則當(dāng)斷網(wǎng)后負(fù)載的不匹配程度滿足下面不等式時(shí)，頻率的變化沒有越限，頻率繼電器不動(dòng)作。

（9-8）

令ΔCΔL=0，則

（9-9）

由此可得ΔL、ΔC和ΔQ三者之間的關(guān)系為

（9-10）

如果逆變器過頻（OFR）、欠頻（UFR）繼電

由式（9-9）、式（9-10）可以得出

（9-11）

IEEEStd.1547-2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：額定電網(wǎng)頻率fnor=60Hz，fmin=59.3Hz，fmax=60.5，其中fnor為電網(wǎng)額定基波頻率。我國(guó)額定電網(wǎng)頻率采用的是fnor=50Hz，所以根據(jù)比例計(jì)算，fmin=49.417Hz，fmax=50.417Hz。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器輸出的有功功率為

（9-12）電網(wǎng)斷開后，負(fù)載的有功功率變?yōu)?/p>

（9-13）

假設(shè)并網(wǎng)系統(tǒng)采用的是恒定功率控制，則有由式（9-9）、式（9-10）可以得出 （9

（9-14）

簡(jiǎn)化上式，得

（9-15）并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，AP由電網(wǎng)提供，即

（9-16）則

（9-17） （9-14）簡(jiǎn)化上式，得 （9-15）

9.1.3孤島效應(yīng)的危害1）當(dāng)電網(wǎng)無法控制孤島發(fā)生區(qū)域中的電壓和頻率，可能發(fā)生供電電壓與頻率不穩(wěn)定的現(xiàn)象，電源的電壓和頻率可能會(huì)對(duì)孤島系統(tǒng)中的用電設(shè)備產(chǎn)生一定的損害。2）如果負(fù)載容量大于逆變電源容量，導(dǎo)致逆變電源過載運(yùn)行，逆變電源容易被燒毀。3）孤島的電壓相量會(huì)相對(duì)于主網(wǎng)產(chǎn)生漂移，如果兩者相位相差很大，當(dāng)電網(wǎng)快速恢復(fù)時(shí)，可能引起孤島系統(tǒng)并網(wǎng)重合閘時(shí)再次跳閘，甚至損壞發(fā)電設(shè)備和其他連接設(shè)備。4）當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島時(shí)，與逆變電源相連的線路仍然帶電，可能會(huì)危及電力線路的維護(hù)人員的安全，降低電網(wǎng)的安全性。5）妨礙供電系統(tǒng)正常恢復(fù)供電。孤島發(fā)生后，逆變電源的輸出與電網(wǎng)失去了同步時(shí)序，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)可能因出現(xiàn)大的沖擊電流而導(dǎo)致該線路再次跳閘（重合閘失敗），導(dǎo)致?lián)p壞逆變器和設(shè)備。9.1.3孤島效應(yīng)的危害1）當(dāng)電網(wǎng)無法控制孤島發(fā)生區(qū)域中9.2.1孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)9.2.1孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

9.2.2孤島檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀1．遠(yuǎn)程檢測(cè)

遠(yuǎn)程檢測(cè)是利用通信、電力載波等方法，在電網(wǎng)側(cè)對(duì)孤島狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。2．本地檢測(cè)

（1）被動(dòng)式檢測(cè)法

被動(dòng)式檢測(cè)法是利用電網(wǎng)斷電時(shí)逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波的變化進(jìn)行孤島效應(yīng)檢測(cè)。

（2）主動(dòng)式檢測(cè)法

主動(dòng)式檢測(cè)法是指通過控制逆變器，使輸出的功率、頻率或相位存在一定的擾動(dòng)，然后檢測(cè)它的響應(yīng)，根據(jù)檢測(cè)到的響應(yīng)參數(shù)的變化來確定孤島是否發(fā)生。3．其他檢測(cè)方法9.2.2孤島檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀1．遠(yuǎn)程檢測(cè)9.3.1過/欠電壓和高/低頻率檢測(cè)法1．檢測(cè)原理對(duì)于圖9-2，電網(wǎng)正常（開關(guān)S1閉合）時(shí)，逆變電源輸出功率為P+jQ，負(fù)載功率為，電網(wǎng)輸出功率為。此時(shí)，公共耦合點(diǎn)a的電壓幅值和頻率由電網(wǎng)決定，OVP/UVP、OFP/UFP不會(huì)動(dòng)作，即不會(huì)干擾系統(tǒng)正常運(yùn)行。如果P≠0，逆變器輸出有功功率與負(fù)載有功功率不匹配，則公共耦合點(diǎn)電壓將發(fā)生變化；如果Q≠0，逆變器輸出無功功率與負(fù)載無功功率不匹配，則公共耦合點(diǎn)電壓的頻率將發(fā)生變化。如果它們的變化超出了正常范圍，就會(huì)使OVP/UVP、OFP/UFP動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)孤島狀態(tài)檢測(cè)從而防止孤島發(fā)生。2．有效性評(píng)估盲區(qū)描述是評(píng)判孤島檢測(cè)有效性的常用工具之一。9.3.1過/欠電壓和高/低頻率檢測(cè)法1．檢測(cè)原理

由圖9-4可知：1）在Qf=2.5時(shí)，在恒功率控制方式下，在近7％的無功差異和近40%的有功差異時(shí)，孤島才能被檢測(cè)到。這強(qiáng)調(diào)了孤島產(chǎn)生的機(jī)率不可忽略，且隨著光伏并網(wǎng)系統(tǒng)容量越來越大，功率失配的范圍越來越小，孤島發(fā)生的可能性將越大，危害也更嚴(yán)重。單純依賴被動(dòng)式孤島檢測(cè)不能滿足實(shí)際需求。2）Qf的值越大，NDZ覆蓋的無功失配的范圍也越大。3）無功不匹配檢測(cè)敏感性大于有功不匹配檢測(cè)（6.89%<38.4%），因此頻率檢測(cè)方法比電壓檢測(cè)更靈敏。由圖9-4可知：9.3.2電壓相位突變檢測(cè)法9.3.2電壓相位突變檢測(cè)法

9.3.3電壓諧波檢測(cè)法電壓諧波檢測(cè)法（VoltageHarmonicDetection，VHD）是通過檢測(cè)并網(wǎng)逆變器輸出電壓的總諧波失真（TotalHarmonicDistortion，THD）是否超過一定的界限，來判斷孤島現(xiàn)象的發(fā)生。通常確定被動(dòng)檢測(cè)方法判據(jù)的閾值需要考慮以下幾點(diǎn)：1）分布式電源自身輸出并不穩(wěn)定。2）實(shí)際電網(wǎng)電壓幅值與頻率不夠穩(wěn)定。3）負(fù)載的突增、突減會(huì)造成電壓、頻率的波動(dòng)。9.3.3電壓諧波檢測(cè)法電壓諧波檢測(cè)法（Volt9.4主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法

主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的原理是通過引入干擾打破孤島運(yùn)行下逆變系統(tǒng)和負(fù)載之間的平衡。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)這種擾動(dòng)并不明顯，但在孤島運(yùn)行時(shí)，該擾動(dòng)可以加速a點(diǎn)的電壓幅值或者頻率越限超出閾值范圍。由逆變器輸出電流的表達(dá)式

可以看出，可施加擾動(dòng)的量有電流幅值Im、電流頻率f、電流相位φ，由此產(chǎn)生了基于幅值的擾動(dòng)，代表算法為Sandia電壓偏移（SVS）法；基于頻率的擾動(dòng)，代表算法為主動(dòng)頻率偏移（AFD）法、正反饋主動(dòng)頻率漂移（AFDPF）法；基于相位的擾動(dòng)，代表算法為滑模頻漂檢測(cè)（SMS）法；自動(dòng)移相（APS）法等。其中SVS法對(duì)能量有損失，而AFD法和APS法在對(duì)輸出電能質(zhì)量干擾較小的情況下即可有效檢測(cè)出孤島，且在多機(jī)運(yùn)行下同樣有效，本節(jié)將重點(diǎn)介紹。9.4主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法主動(dòng)式孤島檢9.4.1頻率偏移檢測(cè)法

1．AFD的基本原理逆變器正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，輸出電流與公共點(diǎn)電壓同頻同相，由鎖相環(huán)檢測(cè)公共點(diǎn)電壓的頻率作為輸出電流的頻率，每個(gè)電壓過零點(diǎn)為電流新半波的開始，這樣保證電流與電壓同頻同相。主動(dòng)頻率偏移法是通過采樣公共節(jié)點(diǎn)處的頻率，進(jìn)行偏移后作為逆變器的輸出電流頻率，造成對(duì)負(fù)載端電壓頻率的擾動(dòng)，如圖9-8所示。圖9-8

主動(dòng)頻率偏移法的電流波形9.4.1頻率偏移檢測(cè)法1．AFD的基本原理

2．AFD檢測(cè)失敗原因下面從AFD的工作機(jī)理出發(fā)，分析孤島檢測(cè)失敗的原因。孤島檢測(cè)成功的關(guān)鍵是公共點(diǎn)頻率在失壓后能有較大的偏移，而AFD就是通過人為增加電流頻率偏移來達(dá)到使電壓頻率偏移的目的。設(shè)檢測(cè)到的電壓頻率為fv（kT）（假設(shè)擾動(dòng)信號(hào)cf=5%），則電流給定頻率為fi（kT＋T）＝mfv（kT），其中m>1，電網(wǎng)失壓后的公共點(diǎn)頻率變化情況如下：1）如果負(fù)載呈阻性，則電壓與電流同頻同相，電流頻率的變化被完全傳遞到電壓上，頻率每個(gè)周期都能在上一周期的基礎(chǔ)上持續(xù)不斷地單向偏移，所以AFD對(duì)純電阻負(fù)載沒有檢測(cè)盲區(qū)。2）若負(fù)載呈容性，電壓將與電流同頻但滯后于電流一定的相位角，滯后的角度由負(fù)載相位角決定，電壓的滯后延緩了電壓過零點(diǎn)的到達(dá)時(shí)刻，使檢測(cè)到的電壓周期值增大。由此，AFD算法中電流給定使頻率加快的改變不能完全傳遞到電壓上，AFD對(duì)頻率的擾動(dòng)效應(yīng)被負(fù)載相位角抵消了一部分。如果兩者正好相抵，則相鄰周期間電壓過零時(shí)間間隔不發(fā)生變化，頻率不會(huì)偏移，孤島檢測(cè)失敗。2．AFD檢測(cè)失敗原因下面從AFD的工3）若負(fù)載呈感性，電壓將超前電流，加快了電壓過零點(diǎn)的到來，使頻率偏移在電流給定頻率偏移的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提速，電壓頻率被迅速增大，由此不會(huì)有檢測(cè)盲區(qū)。但若AFD算法使頻率反向擾動(dòng)，即算法中m<1，則感性負(fù)載有可能導(dǎo)致檢測(cè)失敗，而容性負(fù)載下孤島能被順利檢出。至于RLC負(fù)載，如果RLC諧振頻率與電網(wǎng)頻率相等、斷網(wǎng)時(shí)負(fù)載呈阻性，本周期AFD對(duì)頻率的擾動(dòng)會(huì)被完全傳遞，使頻率將升高（或降低），新頻率下負(fù)載呈容性（或感性）。在負(fù)載相位角不為零后，AFD對(duì)頻率的擾動(dòng)效應(yīng)會(huì)被負(fù)載相位角削弱（或增強(qiáng)）。頻率越高（低），容（感）性越強(qiáng)，負(fù)載相位角的影響越大，直到AFD與負(fù)載相位角兩者效果相抵，頻率不再變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。3．AFD法的缺陷當(dāng)孤島現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，逆變器的負(fù)載性質(zhì)對(duì)逆變器輸出電壓的頻率有一定的影響。主動(dòng)式頻率擾動(dòng)法中，無論傳統(tǒng)的AFD法還是AFDPF法，擾動(dòng)信號(hào)cf均按一個(gè)方向?qū)δ孀兤鬏敵鲭妷旱念l率進(jìn)行擾動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障且負(fù)載性質(zhì)不同時(shí)，逆變