并网逆变器孤岛检测研究——毕业论文

武汉理工大学毕业设计（论文）并网逆变器孤岛检测研究 学院（系）： 自动化学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 摘 要随着社会的发展，人口不断增多，资源利用率增长，随之也出现许多不良的现象，导致化石能源危机，并且会日益严重的危害自然环境，能源危机对消费者以及社会造成许多深远的影响。于是越来越多的可再生新能源和其利用技术开始不断出现和发展，太阳能、风能等清洁且存量巨大的可再生能源出现在人类的视野中。电能紧缺一直是一个非常严峻的问题，光伏并网发电有望在未来缓解这一紧张的局面，基于并网的分布式发电技术将会是电力行业发展的一个重要方向。但当越来越多的光伏发电系统并接入电网时，当电网由于故障或者其他问题而断网时，就会容易产生孤岛现象。一旦孤岛效应在分布式发电系统中发生，将会对维修人员产生伤害，同时会影响系统的稳定运行。所以研究怎样能够快速的检测到并网系统是否产生孤岛效应以及相对其作出反应就具有了非常重要的意义。本文首先对分布式发电系统进行了详细说明，进而引出分布式发电系统的孤岛问题，并对孤岛效应的危害，国内外的保护问题进行了阐述，接着重点说明了孤岛效应的检测问题以及各个保护方法的优缺点，最后对检测的评估方法进行了介绍并同时给出了主动式孤岛检测AFD的仿真。关键词：能源 分布式发电系统 孤岛效应 主动式ABSTRACTGrowing with the development of the society, population, resource utilization, then also appeared many undesirable phenomenon, cause the fossil energy crisis, and will be increasingly serious harm the natural environment, the energy crisis caused many profound influence to the consumers and society. So more and more new energy and renewable development began to appear constantly, and the use of technology, solar energy, wind energy and other clean and huge stock of renewable energy in the human vision. Electricity shortage has been a very serious problem, photovoltaic (pv) grid generation is expected to alleviate the tense situation in the future, based on the interconnection of distributed power generation technology will be an important direction of the electric power industry development.But when more and more of the photovoltaic power generation system and connected to the power grid, when the grid broken network, due to failures or other problems will be easy to generate island phenomenon. Once the islanding in distributed generation systems, will cause harm to maintenance personnel, at the same time will affect the stable operation of the system. So the research of how to quickly detect islanding grid system is and relative to its response has the very vital significance.Firstly the distributed generation system were described in detail, which leads to the silos of the distributed generation system, and the harm of islanding, protection at home and abroad are described, and then mainly explains the advantages and disadvantages of islanding detection and protection method, finally on the detection of the evaluation method are introduced and at the same time, we give the simulation of active islanding detection AFD.KEYWORDS：energy;the distributed generation system;island effects;Active type目 录第一章 绪 论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状11.2.1 分布式发电系统11.2.1.1 分布式发电系统的概念11.2.2.2 分布式发电的应用与发展前景21.2.2 孤岛效应的研究现状31.2.2.1 孤岛形成原因31.2.2.2 孤岛效应的危害31.2.2.3 孤岛效应检测标准41.3本文选题意义及主要研究内容5第二章 被动式检测法72.1 孤岛产生的机理研究72.1 现有被动式孤岛检测技术92.1.1 过/欠电压孤岛检测法1192.1.2 过/欠频率孤岛检测法112.1.3 基于相位跳变的孤岛检测法122.1.4 基于电压谐波测量的孤岛检测法12第三章 主动式孤岛检测技术143.2.1 有源频率偏移法（AFD）143.2.2 滑模频移检测法（SMS）153.2.3 Sandia频率漂移孤岛检测发（SFS）173.2.4 基于功率扰动的孤岛检测法173.2.4.1 有功功率扰动法173.2.4.2 无功功率扰动法18第四章 现有孤岛检测技术的评估分析和仿真194.3 检测盲区及有效性分析194.3.1 基于坐标系的有效性评估194.3.2 基于坐标系的有效性评估204.3.2.1 基于坐标系的孤岛检测相位判据204.3.2.2 主动移频式检测方案（AFD）的NDZ分析214.4 AFD仿真设计224.5 孤岛检测方案总结23结束语24参考文献25致 谢26IV武汉理工大学毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1 研究背景人类的生存和发展离不开能源。由于对能源的需求在不断增长，化石能源储量已难以满足人类的需要。1973年爆发全球石油危机后，传统的燃料能源已难以为继。据统计，目前全球有20多亿人得不到正常的能源供应，而在中国，如果能源保持目前的消费速度，50年后国内现有能源储量全部消耗完。预计到2020年后，中国每年有超过4亿吨的石油消耗量及2千亿立方米的天然气的消耗量，其中，一半以上的石油将依赖进口。另一方面，在开采、运输和使用过程中，传统的化石能源均会对空气和人类的生存环境造成严重污染1。据有关资料，化石燃料的大量使用已经给人类生存的环境带来了严重后果。目前，全世界每天产生的温室效应气体约1亿吨，造成了极其严重的大气污染，同时地球表面的温度也因温室效应在逐年升高；温室效应的加剧还使得今年来地球南、北极的冰雪融化开始加速，其罪魁祸首是能源燃烧时排放的二氧化碳气体。据专家分析，如果这种趋势不加以控制，未来若干年，海平面将上升几米，从而极大地威胁到人类四分之一的生活空间。另外，环境恶化产生的“黑洞”会使人类面临紫外线的直接照射。正是在这样的背景下，各种缓解能源危机及环境保护的政策在世界各国纷纷出台。1972年的6月5日，在瑞典的首都斯德哥尔摩，联合国召开了第一次关于环境保护的会议，并设立环境保护规划署，从此，环境保护成为联合国及各国政府的重要议题，每年六月五日被规定为世界的环境保护日，“世界上只有一个地球”，“地球是你我的共同家园”，“让地球充满生机”这些环保口号反应了全人类共同的心声2。1.2 国内外研究现状1.2.1 分布式发电系统1.2.1.1 分布式发电系统的概念现全世界供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统。虽然全世界90%的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电，但是当今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满足这种要求。由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果，这样的事故在国外时有发生；而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的安全，如科索沃战争和海湾战争等；另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷的变化，而为了短暂的峰荷建造发电厂其花费是巨大的，经济效益也非常低。根据西方国家的经验，大电网系统和分布式发电系统相结合是节省投资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法。分布式发电指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机组(一般低于30MW)，以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。这些小的机组包括燃料电池，小型燃气轮机，小型光伏发电，小型风光互补发电，或燃气轮机与燃料电池的混合装置。由于靠近用户提高了服务的可靠性和电力质量。技术的发展，公共环境政策和电力市场的扩大等因素的共同作用使得分布式发电成为新世纪重要的能源选择。在电力行业今后的发展过程中，分布式发电将成为一个重要的方向。分布式发电和集中供电系统的配合应用有很多优点3，分布式发电系统中各电站相互独立，用户由于可以自行控制，不会发生大规模停电事故，所以安全可靠性比较高；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；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，发展中的中、小城市或商业区的居民供电，可大大减小环保压力；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；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；调峰性能好，操作简单，由于参与运行的系统少，启停快速，便于实现全自动。1.2.2.2 分布式发电的应用与发展前景随着我国经济的快速发展，对供电质量提出了更高要求，我国集中式供电系统建设在规模和质量上都取得了很大的发展，这种法阵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，对于广大经济欠发达的农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强大的集中式供配电网需要巨额的投资和很长的时间周期，能源供应严重制约这些地区的经济发展。而分布式发电技术则刚好可以弥补集中式饭店的这些局限性。在我国西北部广大农村地区风力资源十分丰富，像内蒙古已经形成了年发电量1亿kWh的电量，除自用外，还可送往北京地区，这种无污染绿色能源可以减轻当地的环境污染。在可再生能源分布式发电系统中的除风力发电外，还有太阳能光伏发电系统、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的良好办法。因此，应引起足够的重视。在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电方式技术不可缺少的重要补充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向。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、工厂来说，都存在供电和供暖或制冷需求，很多都配有备用发电设备，这些都是热电冷三联产的多目标分布式供能系统的广阔市场。国外近年来分布式发电技术的发展更加迅速。在美国，容量为1kW到10MW分布式电源发电和储能单元正在成为未来分布式供能系统的有用单元。由于分布式电源的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，故可满足工业、商业、居住和交通应用的一系列要求。预计几年后，新一代的微汽轮机(10250kW)可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供了新机会。在丹麦、挪威、芬兰等北欧国家，分布式发电现有的装机容量已达到其装机总容量的30%。1.2.2 孤岛效应的研究现状1.2.2.1 孤岛形成原因孤岛问题是分布式发电系统中存在的一个基本的问题。所谓孤岛（也称孤岛效应）是指：在与电网并联的分布式发电系统中，当主电路应供电故障等原因而使电网与分布式发电系统断开时，各用户端的并网分布式发电系统不能及时检测出停电状态从而将自身切离主电网络，并形成由分布式并网发电系统及与其相联的本地负载所组成的自给供电的一个孤岛发电系统。这种因故障跳闸等偶然因素所形成的孤岛，称为非计划孤岛。非计划孤岛产生的原因很多，一旦发生所带来的危害也很大。1.2.2.2 孤岛效应的危害若分布式发电装置没有对电压和频率调节的能力，且没有安装限制电压及频率偏移的保护继电器，孤岛发生后电压和频率会失去控制，发电系统中的电压与频率将会产生较大的波动，从而损坏电网和用电设备；如果重合闸过程中系统内的分布式电源和电网不同步，则孤岛系统重新接入电网会导致电路中的断路器损坏，并且会产生很大的冲击电流，从而损害孤岛发电系统中分布式的发电装置，甚至会导致电网的重合闸失效；孤岛可能导致接地或相间短路等故障不能清除，从而导致电网设备损害，并电网供电系统的自动、手动恢复会受到干扰；孤岛状态下一些被认为已经和所有电源都断开的线路可能会带电，进而给电网的维修人员及用户带来被电击的危险。因此，从用电安全和用电质量等多方面考虑，孤岛状况是不允许出现的。所以，光伏并网发电系统都应具有检测出孤岛状况并能快速有效停止并网运行的能力。太阳能光伏并网发电系统对于缓解传统能源紧张状况，提高用户供电质量和可靠性具有双重意义，而孤岛效应的检测和研究其目的就在于充分保护和发挥分布式供电系统的这些优良特点，最大限度的减轻孤岛效应所带来的危害。1.2.2.3 孤岛效应检测标准国际通行的光伏系统入网标准IEEEStd.2000-9294以及UL17415和分布式电站入网标准IEEE15476，都对并网逆变器孤岛检测功能做出了要求。当逆变输出正常运行时，与市电交接处的电压所容许的误差范围应符合IEEE929规范。下表为美国规范IEEE929与UL1741的电压与频率范围限制表。表1-1 IEEEStd.2000-929/ UL1741对孤岛效应最大检测时间的限制条件电压/V频率/Hz最大限制时间欠压(a)V50%f6周期欠压(b)50%V88%f120周期正常88%V110%f正常操作过压(a)110%V137%f120周期过压(b)137%Vf2周期频率过低Vf60.56周期正常V59.3f60.5正常操作德国则要求采用阻抗测量方案或ENS装置，制定了标准G83，规定最大检测时间不超过5s7。电压与频率方位限制如表1-2所示。表1-2 G83对孤岛检测时间的规定状态电网断开后电压/V频率/Hz最大限制时间AV90%f1.5sB90%V114.7%f1.5sDVf56.40.5sEV59.3f60.60.5s日本也制定了孤岛检测标准C84.1-19958，如表1-3所示。表1-3 C84.1-1995对孤岛检测时间的规定状态电网断开后电压/V频率/Hz最大允许检测时间AV0.86f100周波B0.86V1.10f100周波DV58.259.822sEV59.8260.12正常运行FV60.1261.22s由于国内外用电频率和电压上的区别，都有各自的孤岛效应检测标准。当逆变电源与市电并网运行时，中国大陆市电频率是50HZ，我国的光伏系统并网技术要求（GB/T 19939-20059）规定光伏系统并网后的频率允许偏差值允许为Hz，当超出频率范围内，过/欠频保护应在0.2S内将逆变电源与市电断开，相应的系统对检测到宜昌电压时所做出的反应时间如表1-4所示。同时还规定，在电网的电压和频率恢复到正常范围后的20s5min，光伏系统不应向电网送电，这一点区别于北美标准的至少延迟5min和德国标准的延迟20s。表1-4 电压异常下的响应（GB/T 19939-2005）公共点电压最大分闸时间V50%0.1s50%V85%2.0s85%V110%继续运行110%V135%2.0s135%V0.05s1.3本文选题意义及主要研究内容并网光伏发电系统是新能源开发的热点，涉及到光电材料学、电力电子学、以及大规模应用时的电力工程学。本文针对分布式发电系统在并网条件下的孤岛检测技术进行了研究，重点分析了目前广泛使用的主动移频式并网孤岛检测技术和被动式并网孤岛检测技术，具体研究内容如下：1）对基于并网逆变器的孤岛检测方法进行了阐述，详细介绍了各种被动式本地孤岛检测法，重点分析了目前各种被动式孤岛检测法的原理及其优缺点。2）详细介绍了各种主动式本地孤岛检测法，重点分析了目前各种主动式孤岛检测法的原理及其优缺点。3）介绍了现有孤岛检测技术的评估分析，分析了基于和坐标系的孤岛检测性能评估方法，重点给出了主动频率偏移法的检测盲区边界曲线的求取方法；给出了主动式孤岛检测方法中的有源频率偏移法（AFD）的仿真。第二章 被动式孤岛检测技术2.1 孤岛产生的机理研究以图2.1所示光伏并网发电系统为例来分析孤岛产生的机理。图2.1 光伏并网发电系统图2.1中，光伏并网发电系统是由光伏阵列与逆变器所组成，该发电系统通过一个变压器和断路器K连到电网。电网正常运行时，假定图2.1系统中的逆变器处于单位功率因数的正弦波控制模式，本地负载用RLC并联电路来模拟，并假设：光伏系统经逆变器提供给本地负载的有功功率和无功功率分别是、，本地负载所需求的有功功率和无功功率分别是、。电网向负载提供的有功功率、无功功率分别为、。由能量守恒定理，图中公共耦合点（PCC点）处功率流满足： （2-1）由于逆变器采用单位功率因数控制模式，其输出的无功功率等于零。所以电网一方面向本地负载提供所需的全部无功功率；另一方面在逆变器输出有功功率比本地负载所需有功功率低时，向本地负载提供相应有功功率，在逆变器输出有功功率比负载所需有功功率高时，多余的有功功率被电网吸收。（1） 有功功率失配在电网跳闸后对PCC点电压幅值的影响光伏发电系统与本地负载有功功率匹配是指并网后本地负载所需有功功率均由逆变器提供，即，则处于有功功率失配状态。图2.1中光伏系统提供的有功功率为： （2-2）这里是PCC点电压，是从光伏系统角度看其供电负载的等效电阻。断网后，本地负载全部有功功率均有逆变器提供，若PCC点电压因电网跳闸而改变，则得： （2-3）这里是因孤岛而改变后的PCC点电压，是PCC点电压的该变量，是实际本地负载的电阻分量。由上面分析，可看成本地负载阻值、PCC点的电压及其变化量的函数，即： （2-4）所以，光伏发电系统与本地负载间的失配功率为： （2-5）将表达式带入该式，得： （2-6）由该式可知，只要光伏发电系统与本地负载间功率失配，即，则，也就是PCC点电压的幅值会因电网跳闸而产生改变。（2） 无功功率失配在电网跳闸后对PCC点电压频率的影响光伏发电系统与本地负载无功功率匹配是指并网后本地所需的全部无功功率均由逆变器提供，即。反之，若，则处于无功功率失配状态，且越大，失配越严重。在逆变器单位功率因数控制条件下，。若光伏发电系统与本地负载的无功功率失配，即，则并网时本地负载需要的无功功率全部由电网提供，即： （2-7）这里是PCC点电压的角频率，并网时即为电网电压角频率；是本地RLC负载的谐波角频率，由本地负载的L、C大小决定，由于，则。电网跳闸后，本地负载需要的无功功率只能由光伏发电系统提供，则可得： （2-8）（2-8）式表明若并网时逆变电源与本地负载无功功率失配，电网跳闸后PCC点电压的角频率将向方向偏移，知道等于，以迫使，使光伏系统与负载无功功率匹配。（3） 孤岛产生的条件由上面的分析可知，当并网时光伏系统与本地负载有功功率和无功功率失配，则在电网断路器跳闸后，分别使PCC点的电压的幅值与频率产生偏移。有功功率和无功功率失配越严重，则PCC点的电压的幅值和频率偏移量越大；反之，如果有功和无功功率只有轻微失配甚至完全匹配，则PCC点的电压幅值与频率偏移量难以越过设定的保护阈值，孤岛便会产生。由此可以得出，如果并网发电系统以电压幅值或频率的偏移量是否超过阈值来判断孤岛的存在，则产生孤岛的充要条件是分布式发电装置所提供的有功功率和本地负载有功功率相匹配和分布式发电装置提供的无功功率和本地负载无功功率相匹配。2.1 现有被动式孤岛检测技术被动式孤岛检测方法主要根据公共耦合点（PCC）电参量的变化来判断是否发生孤岛。2.1.1 过/欠电压孤岛检测法11过/欠电压孤岛检测法是指当检测出并网逆变器输出端PCC点处的电压幅值超过设定阈值范围（，）时，由控制命令使逆变器的并网运行停止以实现孤岛保护的一种被动式检测法，这里，是并网发电标准中规定的电压最小值与最大值。以图2.1所示的光伏并网发电系统为例，当电网运行正常时，断路器K时闭合的，则PCC点电压的幅值受电网电压钳制，不会有异常。断路器K断开瞬间，如果逆变器与本地负载的有功功率失配即，PCC点电压幅值将会改变，如果其偏移量足够大，则逆变器就能检测出孤岛状态，从而实现孤岛保护。采用电流控制策略的并网逆变器在孤岛产生前后的两个稳定状态下，不会改变逆变器的输出电流以及PCC点电压与输出电流之间的相差，由此可得下面两式： （3-1） （3-2）式中，为孤岛形成后逆变器输出电流的稳定值，为孤岛形成后的稳态下逆变器输出电流与PCC点电压间的相位差，、则是孤岛形成前与、分别对应的稳态值。由于采用单位功率因数控制的并网逆变器其相位差接近于0，所以电网正常运行时可得以下表达式： （3-3）式中，为孤岛产生前PCC点电压有效值。而电网断开并达稳态时，则有： （3-4）这里，是孤岛产生后且达到稳定状态时PCC点的电压。联立以下各式式可得： （3-5）该市说明只要，孤岛产生瞬间PCC点电压幅值会改变。当处于正常范围内，即 （3-6） 孤岛就会一直持续，检测失败。联立（3-5）和（3-6）式可得过/欠电压孤岛检测方法的检测盲区为 （3-7）2.1.2 过/欠频率孤岛检测法过/欠频率孤岛检测法是指当检测出并网逆变器在PCC点电压的频率超出设定阈值范围（，）时，由控制命令使逆变器的并网运行停止以实现孤岛保护的一种被动式检测法，这里，为电网频率在正常范围的上限、下限值，在并网标准IEEE Std1547-20037中规定：电网额定频率时，下限频率，上限频率。我国GB/T15945-19958规定：电网额定频率是，其上下限值分别是、。对于如图2-1所示的光伏发电系统，正常并网运行时，PCC点电压的频率不会发生异常。在电网断开瞬间，如果，即逆变器与本地负载无功功率失配，则PCC点的电压频率会产生偏移，如偏移出了正常范围，就能检测出孤岛状态。单位功率因数控制的并网逆变器在孤岛前与后的两个稳态下，逆变器的输出电流和PCC点电压间的相位差角都近似等于0，即： （3-8）图2.1中孤岛形成前满足一下各式： （3-9）其中，为本地负载的品质因数，为孤岛产生前PCC点处电压的角频率。当图2.1中断路器K断开并达到稳态时，可得： （3-10）式中，为孤岛产生后且达稳定时的PCC点电压角频率。联立式（3-8）式（3-10），解得： （3-11）式（3-11）表明：只要，孤岛产生后PCC电压的频率会改变。如果偏移量不大仍处正常范围内，即： （3-12）则孤岛状态持续，孤岛检测失败。联立（3-11）和（3-12）两式，可得过/欠频率孤岛检测法的检测盲区为 （3-13）过/欠压、过/欠频是两种低成本的孤岛检测法，不仅用于检测孤岛的发生，还用于设备的保护，并且其它依靠异常电压或频率进行孤岛检测的方案也是通过过/欠压和过/欠频孤岛检测发设定的阈值来触发逆变器，使其停止工作。由于属于被动式孤岛检测方案，过/欠压、过/欠频孤岛检测法对并网逆变器的输出电能质量不会造成影响。2.1.3 基于相位跳变的孤岛检测法基于相位跳变的孤岛检测法是通过对并网逆变器输出端电压与逆变器输出电流间的相位差实施检测来检测孤岛的一种方法。正常情况下由于并网逆变器实施单位功率因数控制，其输出电流和电网电压相位相同，电网跳闸后逆变器输出端电压将不再受电网电压钳制，使得逆变器输出端电压的相位产生跳变，所以当并网逆变器输出端电压和逆变器输出电流见相位差产生突变就意味着主电网跳闸。基于相位跳变的孤岛检测发的主要优点是容易实现，和过/欠压和过/欠频孤岛检测法一样，作为被动式孤岛检测发，该法对并网逆变器的输出电能质量不会造成影响。该法缺点是检测阈值设定叫困难，阈值设置过低，导致逆变器误跳闸，并且要根据安装地点对阈值进行相应调整，给实际的应用带来不便。2.1.4 基于电压谐波测量的孤岛检测法 基于电压谐波测量的孤岛检测法是通过对并网逆变器输出逆变器的输出端电压谐波实施检测来检测孤岛的一种方法。由于电网可近似看做理想电压源，具有很低的电源阻抗，所以并网运行时逆变器输出的谐波电流流入了低阻抗的电网，以至于逆变器输出的电压响应谐波分量非常小，的。电网跳闸后，逆变器输出的谐波电流流入了本地负载，而本地负载阻抗比电网阻抗大得多，所以中的谐波分量大大增加。基于电压谐波测量的孤岛检测法其优缺点与基于相位跳变的孤岛检测发类似，即具有不影响电能质量，但同样存在检测阈值设定困难的缺陷。另外，由于孤岛保护测试电路通常用RLC负载来代表本地负载，而实际的本地负载如果是非线性负载，将使电压的THD大大增加， 因此该孤岛检测方案无法广泛应用。第三章 主动式孤岛检测技术单纯依靠被动孤岛检测存在检测盲区大、误动的缺陷，因此主动孤岛检测方法应运而生。主动检测法是指通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常工作时，由于电网的平衡作用，检测不到这些扰动。一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超过允许范围，从而触发孤岛效应检测电路。该方法检测精度高，飞检测区小，但是控制较复杂，且降低了逆变器输出电能的质量。目前并网逆变器的反顾到策略都此阿勇被动式检测方案加上一种主动式检测方案相结合。3.2.1 有源频率偏移法（AFD）AFD是目前一种常见的输出频率扰动孤岛效应检测方法。AFD法工作原理是并网逆变器通过向电网注入稍微有点失真的电流，以使得逆变器输出端电压的频率在断网后形成一个连续向上或者向下改变的趋势，最终频率偏移超过设定阈值，则孤岛状态被检测出来。以向上移频为例，此时逆变器输出电流的给定信号是一种畸变的斩波波形，入图3.1所示，作为对照，图中给出了一个标准的正弦波。在图2.1中为电网电压的周期值，是逆变器输出电流给定的周期值。有图可见，电流波形在正负半周之间存在大小为的死区。电流波形的斩波系数定义为： （3-14）逆变器并网运行时，其输出端电压受电网电压钳制，的频率不会改变。而逆变器与电网分离后，的响应波形将跟随已失真的电流波形，以比正弦激励时的响应更少的时间达到向上过零点，这意味着的频率比上一个周期略微增大。由于每个周期跟随的都是这种畸变的斩波波形，所以的频率持续向上偏移，知道超过设定的保护阈值，从而检测出孤岛。图3.1 用于AFD反顾到方案的电流波形频率偏移检测法虽然可以减少无源孤岛检测的盲区，但是该方法引入的电流谐波会降低系统输出电能的质量。另外，当存在多个逆变器时，所有逆变器必须统一频率偏移的方向。如果频率偏移方向不一致，其输出会相互抵消，降低孤岛检测效率。3.2.2 滑模频移检测法（SMS）滑模频移检测法是控制并网逆变器输出电流使其与公共点电压间存在一定的相位差，以与期在电网失压后公共点的频率偏离正常范围而判断孤岛，电网频率不受反馈的影响。此方案中并网逆变器输出电流的相位定义为前一周期的频率与电网频率的偏差的函数即 （3-15）其中，是最大相位偏移，是最大相位偏移发生时的频率，为逆变器输出端电压的频率与电网电压频率偏差的函数。假定电压的初相位为0，则是逆变器的输出电流与输出电压间的相位差角。逆变器并网运行时，的频率被固定为电网电压频率，由式（3-15）可知，即逆变器的输出电流与输出电压间的相位差角为0。电网跳闸瞬间，由于逆变器与本地负载间的功率失配会导致的频率产生一个小的跳变，则不再为0,不妨建设此刻，即逆变器的输出电流的相位超前于输出电压的相位，这样，在响应跟随输出电流变化时，其波形到达向上过零点的时间提前，这意味着的频率在向上偏移。下一个周期，经锁相环是逆变器输出电流的初相位进一步增大，的频率也就进一步向上偏移。这是一个正反馈过程，最终的频率向上偏移超过设定阈值从而检测出孤岛的发生。要使SMS法能够有效移频，则本地负载阻抗角的变化必须小于逆变器的输出电流相位变化，即必须满足下面的不等式： （3-16）式中，为载阻抗角的负值，即。之所以必须满足该不等式，可用下面的图3.2加以解释。如图3.2所示，逆变器并网运行时，稳态工作点在图中的B点处，对应的工作频率为电网电压的频率50Hz。电网跳闸后，如果不满足（3-16）不等式，则分析可知此点为稳定工作点，任何频率的扰动是工作频率偏离50Hz后，工作点或向上移动到A点或向下移到C点重新进入稳态。如果A点或C点的频率在正常工作频率范围之外，则可检测到孤岛，逆变器停止运行。这里工作点是移到A点还是C点由本地负载性质决定。图3.2 MS法电流相位曲线与负载相位曲线SMS法的优点是易于实现，检测盲区小，其参数设计时可兼顾检测的有效性、逆变器输出电能的质量及对系统暂态响应造成的影响。SMS法与其他主动式孤岛检测方案有相似的缺点，即对电流相位的扰动一定程度上影响了电能质量，在并网逆变器有功出力较大时影响系统的暂态响应，在本地负载具有大的品质因数时，其检测效率降低，性能与被动式孤岛检测接近。另外，对不满足（3-16）式的本地RLC负载，会导致孤岛检测的失败。3.2.3 Sandia频率漂移孤岛检测发（SFS）SFS是频率偏移方法的扩展，是对逆变器输出电压应用正反馈的孤岛检测方法。为实现正反馈，斩波系数定义为： （3-17）式中为额定频率下的斩波率；K为加速增益；为逆变器输出端耦合点电压频率；为额定频率。正常情况下，电网的稳定性阻止频率的变化。孤岛形成后如果增加，频率误差也随之增加，增加，逆变电源也增加其自身频率，当输出频率超过规定阈值时，保护动作。反之如果减小，根据正反馈，将变小，将会导致逆变系统输出频率酌加变小，同样会实现孤岛检测。引入正反馈后，当频率发生波动时，相当于增大了AFD的死区时间，使得正常工作时相同输出电流THD的情况下，死区进一步减小，或者相同死区情况下，正常输出电流THD减小，从而缓解了检测效率与THD的矛盾。然而SFS法由于引入频率的正反馈扰动，使得并网逆变器输出电能的质量还是有所下降。另外，采用了SFS法的并网逆变器如果是与弱点网相连接，其不稳定的输出功率可导致系统的暂态响应很不理想，上述问题可通过减小正反馈增益K来缓解，但这又使得检测盲区增大。3.2.4 基于功率扰动的孤岛检测法3.2.4.1 有功功率扰动法有功干扰法是对于电流源控制型的逆变器，每隔一定时间，减少输出电流给定值，则改变其输出有功。当市电存在时，逆变器输出电压恒定为电网电压；当市电断电，逆变器输出电压由负载决定。一旦到达扰动时刻，输出电流幅值改变，则负载上电压随之变化，即可检测到孤岛发生。该方法原理简单，实现方便，对进网电流的质量没任何影响，但是为了准确的检测出孤岛现象，周期性扰动量比较大，将给进网功率的稳定带来影响，同时对于孤岛中存在多个分布式发电系统的情况，由于存在平均效应，单个并网逆变器的干扰对总体线路的影响将不明显。3.2.4.2 无功功率扰动法基于无功功率扰动的孤岛检测发原理是利用逆变器对输出无功功率的调节来改变电源和负载简单额无功功率匹配度，即通过对逆变器输出无功功率实施扰动，破坏系统电源与负载间的武功平衡，使得断网后频率持续变换以成功检测出孤岛。第四章 现有孤岛检测技术的评估分析和仿真分布式发电本身系统具有容量小、造价高的特点，因此不主张与电网控制系统通讯，其孤岛检测和保护技术主要立足于逆变器的组我检测而非远程通讯 技术。目前孤岛检测研究致力于将孤岛检测功能集成在逆变器内部，以对电能质量影响小。稳定性高、检测时间短、盲区小或无盲区为目标。4.3 检测盲区及有效性分析经过理论分析和相关实验，发现以上介绍的这些孤岛检测方法几乎都存在检测失败的情况，即检测盲区。但是我们可以用不匹配功率的大小和具体负载对检测盲区（NDZ）进行定量的描述，而反孤岛检测方案NDZ的大小反应了该方案检测孤岛效应的有效性，因此NDZ可以作为评估反孤岛方案有效性的一个性能指标。通常被动式反孤岛方案的有效性用功率不匹配坐标系11描述的不可检测区域来评估，为了评估主动式方案，主要用基于具体负载参数的坐标系和基于负载特征参数坐标系来评估反孤岛方案。为方便本文分析，现假设，并网逆变器运行了单位功率因数正弦波的控制模式；在孤岛发生的段时间内并网逆变器近似为电流源；局部负载为并联RLC负载；电网维持稳定的电压和频率。4.3.1 基于坐标系的有效性评估坐标系是基于孤岛效应的原理定义的功率不匹配坐标系，、放映的只是电网跳闸前后系统中功率流的变化情况，因此坐标系只是对被动式反孤岛方案的NDZ进行定量的描述。由图2.1描述的孤岛系统的原理电路由光伏系统、电网、并联RLC负载以及电网侧断路器组成。由前面的分析，如果功率不匹配较严重，即、比较大，则新的稳态工作点将超过电压、频率的正常工作范围，过/欠压过/欠频保护将切除光伏并网系统，阻止了孤岛效应的持续发生。如果功率不匹配较轻，即、比较小，则孤岛系统中的电压和频率变化较小，不注意是反孤岛保护在规定的时间内检测到电网断电的情况，孤岛效应将持续发生。以上情况用功率不匹配坐标系来描述，就是指在坐标系的原点即和的附近区域中，公共耦合出的电压和频率的变化不足以触发反孤岛保护，这种区域就定义为坐标系中的NDZ，如图4.1所示，其中有功功率不匹配可由电压正常范围的上下限反应，无功功率不匹配可由频率工作范围的上下限反映。图4.1 基于坐标系的NDZ4.3.2 基于坐标系的有效性评估各检测方案的NDZ曲线可在坐标系中利用相位判据及频率的工作范围得出，由得出的NDZ曲线即可判估各孤岛检测方案的检测性能。本小结将以主动移频式检测方案（AFD）的NDZ分析为代表来讨论、为变量的集中主动移频式孤岛检测方案。4.3.2.1 基于坐标系的孤岛检测相位判据由于本地负载的品质因数及谐波频率都会影响其阻抗角的大小，并且对给定的一组L和C，本地负载的电阻分量R的增加可通过的增大来反映，因此以本地负载的品质因数为横坐标而以本地负载的谐振频率为纵坐标的坐标系是对孤岛检测方进行性能评估的一个非常好的选择。在利用坐标系对孤岛检测方案的NDZ进行定量的描述时，需要用到相应的相位判据。在坐标系中，所采用的孤岛检测相位判据为 （3-18）式中，是由对应的孤岛检测方案所决定的逆变器输出端电压滞后于逆变器输出电流的相位角。如果（3-18）式中的频率处于孤岛检测标准设定的正常工作范围内，孤岛将持续发生。因此，中基于频率的孤岛检测方案可以用（3-18）式来评估其性能。由式（3-18）可知，对坐标系中的没一点，孤岛状态下系统频率的稳态值都能用特定的孤岛检测方案的相位判据公式来计算。如果孤岛状态下系统频率的稳态值在过/欠频保护所设定阈值的范围内，那么凶中具有该品质因数及谐振频率的本地RLC负载孤岛状态下的稳态工作点就处于才采用的孤岛检测方案的NDZ之内；反之，就处于NDZ之外。4.3.2.2 主动移频式检测方案（AFD）的NDZ分析假设采用向上恒频率偏移的扰动方案，则并网逆变器每一周期的输出电流频率总比前一周期输出电压频率高，即。当系统处于孤岛状态且进入稳态时，并网逆变器输出端电压滞后于输出电流的相位角可近似为 （3-19）将式（3-19代入式（3-18），可得主动频移检测方案的相位判据为： （3-20）当足够小时，接近于零，则且，式（3-20）可简化为： （3-21）由此可得孤岛状态下系统的频率稳态值的近似表达式： （3-22）变换（3-22）式可得本地负载的谐振频率为 （3-33）根据时（3-33），可分别计算及时与大小以获得坐标系中主动频移式检测方案的NDZ曲线。同理，根据本地负载谐振频率小于主电网频率即时，孤岛下稳定状态后逆变器输出端电压到达的频率满足，而谐振频率大于主电网频率即时，稳态时逆变器输出端电压到达的频率满足，主动频移式检测方案的NDZ曲线由下式确定 时 时4.4 AFD仿真设计图4.2为根据有源频率偏移法（AFD）所建立的并网逆变系统的仿真模型。图4.3位仿真结果。图4.2 孤岛效应AFD仿真模型图4.3 孤岛效应仿真波形图中紫色波形为耦合点的电压的四分之一，蓝色波形为耦合点的电流，黄色为并网电流。在0.1s时断开开关使系统与电网