（电力电子与电力传动专业论文）并网逆变系统反孤岛策略研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金魍王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签字： 佥殳 签字日期：f f 年年月砖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒魍互些太 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 金曼 导师签名： 签字日期：如f 7 年坪月劣日签字日期：勿1 年年月拍 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 并网逆变器系统反孤岛策略研究 摘要 能源紧缺、环境恶化是日趋严重的全球性问题，人类为了追求可持续发展 正积极发展可再生能源技术。在国内，能源紧缺已经是一个非常严峻的问题， 而分布式发电有望缓解这一局面。当越来越多的分布式发电系统并接到电网上 时，就带来了新的问题即孤岛问题。随着太阳能、风能以及其他的可再生能源 组成的分布式发电系统的规模不断增大，孤岛产生的可能性也随之加大，因而 孤岛问题日益引起人们的重视。 本文针对基于并网逆变系统的孤岛检测技术进行了深入的研究，主要的研 究内容如下： 1 介绍了孤岛检测的一些基本问题，包括孤岛效应的概念、产生孤岛效应 的原因、孤岛效应检测标准和孤岛检测电路，概述了孤岛效应的检测方法并详 细分析了孤岛效应产生的危害。 2 对目前基于并网逆变系统的各种反孤岛策略进行了分类，分别对远程孤 岛检测方法和本地孤岛检测方法中的各种孤岛检测方法的基本原理和优缺点进 行了分析。 3 针对目前的主流检测方法，重点研究了主动移频式孤岛检测方法和主动 移相式孤岛检测方法。分析了主动移频式孤岛检测方法和主动移相式孤岛检测 方法的原理、检测失败原因以及检测盲区，并且针对主动频率偏移法、带有正 反馈的主动频率偏移法和滑模频率偏移法进行了仿真验证。 4 重点研究了数字锁相环的基本原理，对基于二阶通用积分器的数字锁相 环进行了改进，深入研究了并网逆变器的控制以及基于该数字锁相环的主动移 相式孤岛检测方法，并进行了仿真验证。 关键词：并网逆变器；孤岛效应；反孤岛策略；品质因数；非检测区； r e s e a r c ho na n t i - i s l an d i n gm e t h o d sb a s e do n g r i d c o n n e c t e di n v e r t e rs y s t e m a b s t r a c t e n e r g ys h o r t a g e ，e n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o n i si n c r e a s i n g l ys e r i o u sg l o b a l p r o b l e m ，t h eh u m a np u r s u i to fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti sa c t i v e l yd e v e l o p i n g r e n e w a b l ee n e r g yt e c h n o l o g i e s i nc h i n a ，t h ee n e r g ys h o r t a g eh a sb e c o m eav e r y s e r i o u sp r o b l e m ，a n dd i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o ni se x p e c t e dt oe a s et h i ss i t u a t i o n a sm o r ea n dm o r ee l e c t r i c a lp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m sc o n n e c tt ot h eg r i d ，i th a s b r o u g h tn e wp r o b l e mo fi s l a n d i n g w i t hs o l a r ，w i n da n do t h e rr e n e w a b l ee n e r g y d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e mc o n s i s t i n go ft h es c a l ei si n c r e a s i n g ，t h ep o s s i b i l i t yo f i s l a n d i n ga l s ow i l li n c r e a s e ，a n dt h u si s l a n d i n gp r o b l e mh a sa t t r a c t e dm u c hm o r e a t t e n t i o n i s l a n d i n g d e t e c t i o nt e c h n i q u eb a s e do ng r i d c o n n e c t e di n v e r t e rs y s t e mi s i n v e s t i g a t e dd e e p l yi nt h i st h e s i s ，a n dt h em a i nc o n t e n t sa r e a sf o l l o w s ： i s o m eb a s i ci s s u e so fi s l a n d i n gd e t e c t i o n ，i n c l u d i n g t h e c o n c e p t o f i s l a n d i n g t h e r e a s o no ft h eo c c u r r e n c eo fi s l a n d i n g ，t h ei s l a n d i n g d e t e c t i o n s t a n d a r d sa n dt h ei s l a n d i n gd e t e c t i o n c i r c u i ti si n t r o d u c e d g e n e r a l i z e dt h e i s l a n d i n g d e t e c t i o nm e t h o d sa n da n a l y s i s e dt h e h a r mc a u s e d b yi s l a n d i n g d e t a i l e d l y 2 o nt h ec u r r e n ta n t i i s l a n d i n gm e t h o d sb a s e do ng r i d c o n n e c t e di n v e r t e r s y s t e m ，t h ev a r i o u ss t r a t e g i e sw e r ec l a s s i f i e dr e s p e c t i v e l y ，t h eb a s i cp r i n c i p l e so f i s l a n d i n gd e t e c t i o nm e t h o d sf o rr e m o t ea n dl o c a li s l a n d i n gd e t e c t i o nm e t h o d sa r e p r o p o s e da n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e s em e t h o d sa r ea l s oa n a l y s e d 3 f o c u so nt h el e a d i n ga c t i v ed e t e c t i o nm s e t h o d s ，t h ea c t i v ei s l a n d i n gm e t h o d s o ff r e q u e n c ys h i f ta n dt h ea c t i v ei s l a n d i n gd e t e c t i o nm e t h o d so fp h a s es h i f ta r e i n v e s t i g a t e d a n a l y s e dt h ep r i n c i p l e s ，t h er e a s o n so ff a i l i n gt od e t e c t i o ni s l a n d i n g a n dn o n d e t e c t i o nz o n eo ft h ea c t i v ei s l a n d i n gm e t h o d sa n ds i m u l a t e dt h ea c t i v e b e q u e n c yd e t e c t i o nm e t h o d ，a c t i v ef r e q u e n c yd e t e c t i o n m e t h o dw i t hp o s i t i v e f e e d b a c ka n ds l i p m o d ef r e q u e n c ys h i f tm e t h o d 4 i n v e s t i g a t e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fd i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o p ( d p l l ) ，a n d t h ed p l lb a s e do ns e c o n do r d e rg e n e r a l i z e di n t e g r a t o ri si m p r o v e d ad e t a i l e d s t u d yo ft h ec o n t r o l o ft h e g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r a n dt h ea c t i v ei s l a n d i n g d e t e c t i o no fp h a s es h i f t i n gm e t h o db a s e do nt h a td p l la r ep r o p o s e d ，a n d s l m u k e y m 致谢 在能源所学习的两年多的时间，是对我人生具有十分重要意义的日子，在 这里我首先要感谢我的导师苏建徽老师，导师在学习和生活上给予了极大的关 怀和宽容，在选题与研究上给予了足够的空间和帮助，导师严谨的作风、渊博 的学识、谦逊的为人以及勤勉的敬业精神，均令我深深景仰，并将成为我今后 工作时学习的榜样。在此，谨向导师表示最衷心的感谢和诚挚的祝愿，祝愿导 师身体健康、家庭幸福、工作顺利、万事如意! 感谢张国荣老师和茆美琴老师对我的帮助与指导。张老师严谨的治学态度， 渊博的学识和宽厚的师长作风，给了我深刻的启迪。茆老师精深的理论水平、 广泛的知识范围以及出色的外语能力令我敬佩不已。他们严谨求实的科学作风 和勤勤恳恳的工作态度，使我受益匪浅。 感谢能源所的汪海宁老师、杜雪芳老师、杜燕老师、刘宁老师、张健老师、 刘翔老师、陈林老师等多位老师给予我的帮助。 感谢给予我帮助，陪伴我学习的同学和好友。在能源所的两年多时间里， 我们共同学习和生活，留下了美好的回忆，也结下了深厚的友谊。他们是：冯 宝成、张亚玉、刘洋、罗皓泽、王其兵、刘元岗、宋刚及其他0 8 级同学，谢谢 他们的帮助和指导。 最后，我要感谢我的父母，感谢你们对我的教育以及对我的关爱，这份感 谢我无法用言语来表达，希望你们能够身体健康，我会一直努力，不会让你们 失望。 i v 作者：金曼 2 0 1 1 年4 月2 0 日 目录 第一章绪论1 1 1 分布式发电的概念1 1 2 孤岛检测的研究意义2 1 3 孤岛检测的国内外研究现状2 1 4 本文选题意义及主要内容4 第二章孤岛检测的基本问题5 2 1 孤岛效应的概念及产生的原因5 2 1 1 孤岛效应的概念5 2 1 2 孤岛效应产生的原因5 2 2 孤岛效应的检测及危害6 2 2 1 孤岛效应的检测6 2 2 2 孤岛效应产生的危害7 2 3 孤岛效应检测标准7 2 4 孤岛检测电路9 2 5 本章小结1 0 第三章并网逆变系统孤岛检测方法1 1 3 1 远程反孤岛策略1 1 3 1 1 传输断路器跳闸信号的孤岛检测1 1 3 1 2 电力线路载波通信的孤岛检测1 1 3 2 本地反孤岛策略1 2 3 2 1 被动式孤岛检测1 3 3 2 2 主动式孤岛检测1 5 3 3 本章小结1 9 第四章主动式孤岛检测方法分析l 2 0 4 1 主动移频式孤岛检测方法分析2 0 4 1 1 主动频率偏移法( a f d ) 分析2 0 4 1 2 带有正反馈的主动频率偏移法( a f d p f ) 2 3 4 1 3 主动移频式孤岛检测方法检测盲区2 3 4 1 4 系统仿真分析2 6 4 2 主动移相式孤岛检测方法分析3 0 4 2 1 滑模频率偏移法( s m s ) 分析3 0 4 2 2 自动相位偏移法( a p s ) 分析3 1 4 2 3 主动移相式孤岛检测方法检测盲区3 2 v v i 插图清单 图1 - 1 分布式发电系统结构图2 图2 1 分布式发电示意图5 图2 2 孤岛检测方法分类6 图2 3 孤岛危害故障树7 图2 4 孤岛检测电路9 图3 1 电力线路载波信号孤岛检测示意图1 2 图3 2 孤岛检测原理图1 3 图3 3 相位突跳法示意图1 4 图4 1a f d 孤岛检测法的电流波形2 1 图4 2 不同q ，、石下的负载相角对频率的曲线2 2 图4 3 逆变器控制环节示意图2 2 图4 。4a f d 方法盲区分布图2 5 图4 5a f d p f 方法盲区分布图2 6 图4 6a f d a f d p f 方法的仿真模型2 7 图4 - 7a f d 孤岛检测波形( q ，= 2 5 ，c a = 0 5 ) 2 8 图4 8a f d 孤岛检测波形( q ，= 2 5 ，矾= 1 ) 2 8 图4 - 9a f d 孤岛检测波形( q ，= 2 5 ，甄= 1 5 ) 2 8 图4 1 0a f d 孤岛检测波形( q ，= 1 , c f o = o 5 ) 2 8 图4 1 1a f d p f 孤岛检测波形( q ，= 2 5 ，矾= 0 0 2 ，k = o 0 5 ) 2 9 图4 - 1 2a f d p f 孤岛检测波形( q r = 2 5 ，矾= o 0 2 ，k = 0 0 7 ) 2 9 图4 1 3a f d p f 孤岛检测波形( q r = 2 5 ，矾= o ，k = o 0 7 ) 2 9 图4 1 4s m s 孤岛检测方法电流一电压相位曲线3 0 图4 1 5s m s 不同氏、厶下的电流一电压相位曲线3 1 图4 1 6s m s 检测盲区分布图3 3 图4 1 7s m s 方法的仿真模型3 4 图4 - 1 8s m s 孤岛检测波形( q f = 2 5 ，氏= 5 。，厶= 5 3 h z ) 3 4 图4 1 9s m s 孤岛检测波形( 研= 2 5 ，巩= 1l 。，厶= 5 3 h z ) 3 5 图4 2 0 s m s 孤岛检测波形( o f = 2 5 ，钆= 1 5 。，厶- - - 5 3 h z ) 3 5 图4 - 2 1s m s 孤岛检测波形( q f = 2 5 ，吒= l l 。，厶= 5 2 h z ) 3 5 图5 1d p l l 通用模型3 6 图5 2d p l l 工作原理示意图3 7 图5 3 基于二阶通用积分法的移相模块3 7 v 图5 4 移相模块输入输出离散域波特图3 8 图5 5 不同采样频率下移相模块输入输出相频曲线3 9 图5 - 6 改进方法的实现框图4 0 图5 7 陷波器数字实现框图4 0 图5 8 陷波器波特图4 1 图5 - 9 移相模块输入输出波形4 1 图5 1 0 未加陷波器时的锁相结果4 1 图5 1 1 加陷波器后的锁相结果4 2 图5 1 2 含1 5 5 次、7 7 次谐波输入时锁相结果4 2 图5 1 3 频率变化时锁相结果4 2 图5 1 4 幅值跌落到8 0 时锁相结果4 2 图5 1 5 单相并网逆变器主电路示意图4 3 图5 1 6 单相并网逆变器矢量图4 3 图5 1 7 并网逆变器双环控制示意图4 3 图5 1 8 电流内环控制结构图j 4 4 图5 1 9p i 调节器与p r 调节器对比4 4 图5 2 0 改进后p r 的b o d e 图4 5 图5 2 1 电流环根轨迹4 5 图5 2 2 电流环闭环b o d e 图4 6 图5 2 3 电流环阶跃响应4 6 图5 2 4 采用p i 调节器时电流环给定与反馈波形4 6 图5 2 5 采用p r 调节器时电流环给定与反馈波形4 7 图5 2 6 电流环阶跃响应4 7 图5 2 7 采用p i 调节器单位功率运行时电网电压与并网电流波形4 7 图5 2 8 采用p r 调节器单位功率运行时电网电压与并网电流波形4 8 图5 2 9 电压阶跃响应4 8 图5 3 0 基于数字锁相环的s m s 孤岛检测方法原理示意图4 8 图5 3 l 数字锁相环基础上的s m s 孤岛检测波形4 9 v m 表格清单 表2 1i e e es t d 9 2 9 2 0 0 0 规定的孤岛检测时间8 表2 2g b t 1 9 9 3 9 2 0 0 5 规定的孤岛检测时间8 i x 第一章绪论 全球经济迅速发展，化石能源的逐步消耗，能源危机已经展现在人类面前。 在2 1 世纪进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为3 9 9 年， 天然气可采量为6 1 年，煤炭可采量为2 2 7 年。目前电力生产主要方式是集中发 电，采用远距离输电的方式输送。通过大电网互联的电力系统，为世界上大部 分电力负载供电。但是这种集中式供电方式存在着一些缺点，如无法灵活的满 足负载变化的需求，发输电设施的利用率不高等缺点。局部事故在大型的电力 系统中容易扩散，会导致大面积停电发生。电力系统越庞大，事故发生的概率 越高【1 1 。在这种能源危机的背景下，进一步提高能源利用效率和解决单一的大 电网集中供电是亟待解决的问题，而分布式供电系统恰好可以在解决这方面问 题做贡献。不管是从电力运行的可靠性角度还是从能源的可持续发展角度出发， 分布式发电( d i s t r b u t e dg e n e r a t i o n ) 系统都已经成为了电力系统的有力补充， 在工业和生活用电系统中起到了非常重要的作用。 因此，大电网与分散的小型分布式供电方式的合理结合，被全球电力、能 源专家公认为是能耗低、节省投资、可靠性高和灵活性高的能源系统，成为2 l 世纪电力工业的发展方向【4 1 。d g 系统的大规模应用在带来很多好处的同时，也 给电力运行带来了新的挑战，其中孤岛检测就是关键问题之一。本章简要介绍 了分布式发电的概念，阐述了孤岛检测的研究意义、国内外研究现状、本文选 题的意义及主要内容。 1 1 分布式发电的概念 分布式发电是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以小 规模( 数千瓦至5 0 m w 的小型模块式) 、分散的方式布置在用户附近。这个概念 首先是在1 9 7 8 年美国公共事业管理政策法公布并推广，然后逐渐的被其它先进 国家所接受p j 。 国际大型电力系统委员会( c i g r e ) 对分布式发电的定义为“非经过规划 的或者中央调度类型的电力生产方式，通常与配电网相连接，其发电的规模一 般是在5 0 i o o m w 之间 。在2 0 0 2 年1 1 月份，在布鲁塞尔召开了欧洲电力 研讨会。其论题之一是“分布式发电：过渡到未来电力系统的挑战者 。 现今的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3 0 m w ) ，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、 风能和光伏电池的发电装置。d g 系统的结构图如图1 一l 所示，由于其靠近用户 提高了服务的可靠性和电能质量。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。 图1 1 分布式发电系统结构图 1 2 孤岛检测的研究意义 能源危机、环境问题是越来越受到人们关注的全球性问题，为了可持续发 展的需求很多国家都在积极的发展可再生能源技术。我国的能源紧缺已经是一 个非常严竣的问题，而分布式发电有望缓解这一局面。随着逐渐增多的并网发 电系统并接到电网上时，就带来了新的问题即孤岛问题。由于太阳能、风能以 及其他的可再生能源组成的分布式发电系统的规模不断增大，孤岛产生的可能 性也随之加大，因而孤岛问题日益引起人们的重视。分布式发电系统要并网运 行，必须满足并网的基本技术要求，并且确保电网的可靠性运行以及人员的安 全。所以为了大规模的应用分布式发电系统，实现安全可靠的并网，必须解决 由此带来的一系列问题。这些问题成为了研究的热点，而孤岛检测就是其中的 关键问题之一。 反孤岛的能力是指分布式发电设备检测其是否处于孤岛运行状态并及时地 从孤岛系统中断开的能力。并网发电系统如果处于孤岛运行状态，就会产生严 重的后果。例如孤岛中不受控制的电压和频率的变化，有可能会损坏用户设备 或者发电设备。孤岛中的线路是仍然带电的，可能会危害用户或者检修人员的 人身安全等。 由此，为了消除孤岛产生的危害，使得电网更可靠高效的运行，孤岛检测 的研究具有很重要的现实意义。 1 3 孤岛检测的国内外研究现状 孤岛效应的研究是由于近些年来分布式发电的广泛应用，对并网的可靠性 要求的不断增加而产生的一个研究热点。欧美等国已提出了衡量孤岛检测性能 和测试方法的国际标准体系，这些体系最初是为光伏逆变器指定的，目前已应 2 用于所有连接在低电压配电网的分布式发电系统。 然而并网的技术要求与配电网的结构和运作制度有关，不同的国家对并网 技术要求的规定不同t 6 】。一些国家仅要求使用过欠频保护来进行反孤岛保护， 其它一些国家则要求采用阻抗测量法或e n s 装置来进行孤岛检测【7 l 。不同的国 家对孤岛检测时间的规定也不相同，孤岛系统的重新并网的延迟时间相差也很 大，从北美的5 s 到德国的2 0 s 。 基于并网逆变器的孤岛检测技术是大多数学者研究的重点，各国学者在研 究过程中已提出了许多有效的孤岛检测方法。 具有过欠压( o v r u v r ) 和过欠频( o f r u f r ) 检测降j 的逆变器具备了 最基本的孤岛保护功能。一旦设备终端电压或者频率超过预设正常范围即认为 检测到孤岛，逆变器被断开以防止孤岛运行。但是当逆变器输出功率与负载消 耗的功率之间平衡的时候，终端电压和频率基本不变，这种情况下孤岛检测失 败。此时，必须应用其他方法提高检测能力。研究【9 】指出检测谐波变化法是一 个比较有效的检测方法，然而文献【1 0 】表明，该方法很难选择其阈值。文献j 提出了电压相位跳变检测法，以不同的方式监控终端电压，然而这种方法同样 难以选择阈值，在缩小孤岛检测盲区与减少误动作方面难以两全。 前面提到的所有的检测方法都依赖于某种形式的逆变器端电压监测，它们 都属于被动式检测方法。其孤岛检测能力是无法保证所有负载条件下，特别是 对源负载平衡的条件下检测成功。因此，越来越多的学者提出了不同的主动式 检测方法。有功功率扰动法【1 2 】是比较简单的主动式检测方法，通过定期的改变 逆变器的输出有功功率，有效的打破源负载平衡的条件。然而，文献j 研究结 果表明，该方法在多机并联的情况下是不切实际的，因为它必须使所有并联的 逆变器同步并且同时同方向的改变有功功率否则它会由于平均效应而无法检测 孤岛。 为了避免上述问题，两种频率偏移法近年来受到了越来越多的学者们的关 注。一种是主动频率偏移法( a c t i v ef r e q u e n c ym e t h o d ，a f d ) 0 3 1 1 4 j 。当电网 断开后，逆变器的电压和电流的相位差由负载决定，并由逆变器内部的锁相环 检测。为了消除相位差，逆变器输出电流的频率被迫向上或者向下偏移，直到 使得逆变器的输出电流频率偏移其正常值触发o f r u f r 。另一种方法时滑模频 率偏移法( s l i p m o d ef r e q u e n c ys h i f tm e t h o d ，s m s ) 【”j 。该方法与a f d 方法 很相似，不过这种方法使逆变器在每个电压过零点处，其输出电流的起始角仍 然可以发生偏移。但是也有文献研究证实该方法仍然存在“非检测区 ( n o n d e t e c t i o nz o n e s ，n d z ) 一。可以说上述两种频率偏移法在某些特定负载 条件下尤其是r l c 并联谐振负载下无效。由此，文献【l6 】提出了针对此问题的 自动相位偏移法( a u t o m a t i cp h a s e s h i f tm e t h o d ，a p s ) ，a p s 方法可以说对 s m s 方法的一种改良方法。当d g 系统发生孤岛时，a p s 可以打破稳定运行点 3 使得逆变器端电压的频率一直偏移，直到触发o f r u f r 保护。 文献【1 7 】综合评价了分布式发电系统各种反孤岛方法的性能。文献【”】提出了 使用相位判据以及n d z 方法来评价反孤岛方法的性能，并给出了几种常用的孤 岛检测方法如过欠频、相位突跳检测法、滑模频率偏移法、主动频率偏移法和 s a n d i a 频率偏移法的相位判据，并使用三q 佣区间分析了几种典型反孤岛方法 的盲区，得出了如下结论：1 ) s a n d i a 频移法( s f s ) 是最有效的：2 ) 最坏的负 载情况是负载的谐振频率接近线频率，并且具有大电容和小电感的特点( 即具 有高品质因数q ，) 。 远程孤岛检测方法是依靠无线电通信来进行报警和使分布式发电系统跳 闸，它们的性能通常与分布式发电系统的类型无关。但是此类方法具有费用高、 投资大和需要安装其他设备的缺点，性价比不高。因此，综上所述，现阶段的 孤岛检测方法以主动式检测方法为主要研究热点，本文也主要以主动式检测方 法为研究中的重点。 1 4 。本文选题意义及主要内容 并网逆变系统是新能源研究的重要基础，而孤岛检测是并网逆变控制中的 关键技术，对于新能源的应用具有重要的研究意义。本文针对基于并网逆变器 的孤岛检测技术进行了深入的研究，主要的研究内容如下： 1 介绍了孤岛检测的一些基本问题，包括孤岛效应的概念、产生孤岛效应 的原因、孤岛效应检测标准和孤岛检测电路，概述了孤岛效应的检测方法并详 细分析了孤岛效应产生的危害。 2 对目前基于并网逆变系统的各种反孤岛策略进行了分类，分别对远程孤 岛检测方法和本地孤岛检测方法中的各种孤岛检测方法的基本原理和优缺点进 行了分析。 3 针对现在的主流检测方法，重点研究了主动移频式孤岛检测方法和主动 移相式孤岛检测方法。分析了主动移频式孤岛检测方法和主动移相式孤岛检测 方法的原理、检测失败原因以及检测盲区，并且针对主动频率偏移法、带有正， 反馈的主动频率偏移法和滑模频率偏移法进行了仿真验证。 4 重点研究了数字锁相环的基本原理，并对基于二阶通用积分器的数字锁 相环进行了改进，并且深入研究了并网逆变器的控制以及基于该数字锁相环的 主动移相式孤岛检测方法，并进行了仿真验证。 4 第二章孤岛检测的基本问题 如第一章所述，随着可再生能源组成的分布式发电系统的规模不断增大， 孤岛产生的可能性也随之加大，孤岛检测问题已成为学者的研究热点，本章将 着重阐述孤岛检测中的一些基本问题。 2 1孤岛效应的概念及产生的原因 2 1 1孤岛效应的概念 孤岛现象是指当主电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，分布 式发电( d g ) 系统由于没有检测出停电状态，仍然以持续的电压和频率向周围 负载供电，从而d g 系统与本地负载形成一个电力公司无法控制的自给供电孤 岛的现象。孤岛的产生可能造成维修人员的安全危害，并且由于非同步重合闸 会对发电和电力供应设施造成危害，所以孤岛检测是并网逆变器系统必须具有 的功能，是并网系统的关键技术问题之一。 图2 - 1 分布式发电示意图 图2 1 是分布式发电示意图，图中d g l 、d g 2 为并联在电网上的分布式发 电系统，s l 、s 2 、s 3 、s 4 分别为4 个电闸。当电网由于某种原因跳闸，如s 2 断开时，d g l 、d g 2 将与电网断开，继续向本地负载1 和本地负载2 供电，形 成一个供电子系统，即为孤岛；而如果s 3 或者s 4 断开，则会分别形成d g l 与本地负载1 、d g 2 与本地负载2 的供电子系统。由上述的分析可知，孤岛的 形成会有多种可能，因而也要求孤岛检测方法能对各种孤岛情况有效。 2 1 2 孤岛效应产生的原因 孤岛产生的原因主要有以下几点【1 8 】： ( 1 ) 电网检测到故障，打开断路器，而分布式发电装置却没有检测到故障 仍然继续运行； ( 2 ) 由于设备故障而引起的系统正常供电中断； 5 虬争 一 调 广a 2 2 2孤岛效应产生的危害 孤岛是一个没有调节控制的电力系统，由于发电和供电之间的不平衡且孤 岛电网中没有电压、频率控制，其特性是不可预知的。孤岛产生的危害主要有 以下几个方面p 列： ( 1 ) 由于电网不再控制孤岛系统中的电压和频率，如果孤岛系统中的分布 式发电机不能提供电压和频率的控制，也没有限制电压和频率的继电保护装置， 则用户得到的电压和频率将会有很大的波动，可能引起用户设备的损坏。 ( 2 ) 非同步重合闸可能使d g 系统与大电网并联时相位不一致，因此会产 生大的冲击电流导致逆变设备的损坏。并且暂态的产生可能会损坏系统和其他 用户设备。如果非同相重合发生在电压峰值时，会产生非常严重的电容开关暂 态并且在小阻尼系统过电压峰值可以接近额定电压三倍。 ( 3 ) 孤岛可能干扰由电力设备进行的正常的手动或自动恢复供电操作。 ( 4 ) 孤岛的形成可能会对电力线路的工作人员或者其他人员造成触电的危 险。因为系统断电后，本不该带电的线路或者设备会因为分布式电源的作用而 带电。 通常认为孤岛对电力线路的维护人员或其他人员产生的危险是最严重的。 因此，对这种危险已经做了广泛的分析。为减少孤岛对电力线路的维护人员的 危险，可指定线路维护和修理的规程。然而，其他人员尤其是紧急援救人员可 能就没有时间或能力去遵循这些规程。因此，如果一个孤岛持续超过数秒就会 对这些人员产生潜在的危害。 与孤岛相关的人员安全危害可用图2 - 3 所示的故障树来分析。下列事件必 须同时发生才可能产生危害： ( 1 ) 由于故障、保护设备的打开，或维护和维修等，断开了电网的供电。 ( 2 ) 发生孤岛时，d g 系统的输出功率接近于本地负载所需的功率。 ( 3 ) 由于孤岛运行在孤岛检测的非检测区内，或者由于孤岛检测原理上的 问题，使得分布式发电系统没有检测到孤岛的发生。 ( 4 ) 人员没有遵守带电线路保护规程触摸到一个非绝缘导体。 图2 3 孤岛危害故障树 2 3 孤岛效应检测标准 2 0 世纪9 0 年代中早期制定的孤岛检测标准通常是针对于某种孤岛检测方 7 ( 3 ) 电网维修时的故意断线造成的供电中断； ( 4 ) 工作人员人为的操作失误或自然灾害的作用。 2 2 孤岛效应的检测及危害 2 2 1 孤岛效应的检测 当孤岛发生后，应该能被立即检测出来。要能检测到孤岛，基本要求i lj 为： ( 1 ) 孤岛检测方法应该能对任何一种可能发生的孤岛都有效。因为在系统 变电站与分布式发电机之间有可能会有很多的断路器和重合闸设备。其中任何 一个器件断开都可以产生孤岛。而由此产生的孤岛可能包含不同的分布式发电 机和负载，每次孤岛发生时其性能是不相同的。因而可靠的孤岛检测方法必须 能够适用于所有可能发生的孤岛状态。 ( 2 ) 孤岛的检测必须能在限定的时间内完成。这是为了使分布式发电机发 生重合闸时，不使其他的系统电压相位相差太大。重合闸装置的常用延迟时间 为o 5 1 s 。孤岛检测必须保证在重合闸之前将分布式发电机断开。 根据目前已有的反孤岛策略的基本工作原理，可将反孤岛策略分为远程反 孤岛检测方法和本地反孤岛检测方法，如图2 2 所示。孤岛发生时，远程反孤 岛检测方法通过无线电通信来断开d g 系统，并且其性能与分布式发电系统的 类型无关。 罡 传输断路器跳闸信号 电力线路簸波通信 基于s c a d a 的孤岛检w 主动式 1 i 过，欠电压li 阻抗测量 型l 辫吏l 隰熬 一 i , s j a n d i a 频辜偏移 图2 - 2 孤岛检测方法分类 本地反孤岛检测方法通过检测d g 系统一侧电流与电压信号。如果检测到 的信号超过设定的阈值，就可以认为是检测到孤岛。本地反孤岛检测方法也可 分为两类：一种是被动式检测方法，另一种是主动式检测方法。被动式孤岛检测 方法主要是通过监测电压和电流信号的变化是否超过预设的正常范围来检测孤 岛是否发生。主动式孤岛检测方法通过对系统加入干扰信号，然后根据检测到 的系统响应来判断孤岛是否发生。在基于逆变器的d o 系统中，主动式孤岛检 测方法比较容易实现，因此应用比较广泛。 6 电器继电嚣辜继 电化变化 缝变突变 率事位率 须须柑珈 法或针对多个孤岛检测方法。例如，德国标准要求孤岛检测使用一种结合了有 源阻抗、过欠电压和过欠频检测的方法。类似地，日本标准要求至少采用一 种主动式检测方法和一种被动式检测方法。但是，在北美标准的积极引导下当 前的趋势主要是针对孤岛检测和跳闸方法的性能，以及校验其性能的测试技术， 而不是针对何种特定的技术。 现阶段在孤岛测试的标准和孤岛测试方法的性能方面处于领先地位的是美 国电气电子工程师协会( i e e e ) 。i e e e 制定的标准中i e e es t d 9 2 9 2 0 0 0 t 2 】和 i e e es t d 1 5 4 7 2 0 0 3 t 3 】已经作为分布式发电系统的互联标准被很多公司所采用， 并成为在北美使用的并网逆变器的设备安全标准。 根据专用标准i e e es t d 9 2 9 2 0 0 0 规定，所有的并网逆变器必须具有反孤岛 效应的功能。并且标准还给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛并与电网 断开的时间限制，如表2 1 所示。 表2 1i e e es t d 9 2 9 2 0 0 0 规定的孤岛检测时间 状态断电后电压幅值断电后电压频率允许的检测时间( s ) a 0 5 圪。 f6c y c l e b 0 5 k 。v o 8 8k 。 f 1 2 0c y c l e ，n c 0 8 8 k 。v 1 1 0 k 。 正常工作 c 1 1 0 k 。 y 1 3 7 圪。 1 2 0c y c l e d1 3 7k 。矿 ， 2c y c l e j n e y l + o 5 h z 6c y c l e 1 1 表2 - l 中的k 佣指电网电压幅值的额定值，厶，指电网电压频率的额定值。 我国光伏系统并网技术要求【4 0 】( g b t 1 9 9 3 9 2 0 0 5 ) 中规定，当光伏系 统并入的电网失压时，必须在规定的时间内将光伏系统和电网断开，防止发生 孤岛的发生。当电网断开时，反孤岛保护应在2 s 内将光伏系统与电网断开，其 具体规定如表2 2 所示。 表2 2g b t 1 9 9 3 9 2 0 0 5 规定的孤岛检测时间 状态断电后电压幅值断电后电压频率允许的检测时间( s ) a 0 5 v 。 ，i0 1 j n n m b 0 5 v 。v o 8 5 厂 2 0 j ，m m c 0 8 5 圪。v 1 1 0 圪。 厂 继续运行 j n n m c 1 1 0 v _ v ( 1 3 5 v o 。 厂 2 0 j n d 1 3 5 圪。矿 ，二 0 0 5 e k 。 f z 。+ o 5 h z 0 0 2 表2 - 2 中的圪洲指电网电压幅值的额定值，五删指电网电压频率的额定值， 对我国来说，分别为2 2 0 v 和5 0 h z 。 8 2 4 孤岛检测电路 对于孤岛检测的测试电路，北美和欧洲普遍选用r l c 谐振负载，采用 q ，= 2 5 作为配电网最大的的品质因数。国际电工委员会( i e c ) 的要求测试时 需要的设备为一个交流电源来模拟电网也可直接用电网和一个当电网断开时仍 然和逆变器相连的测试负载。该测试方法要求测试负载的功率和逆变器输出功 率相匹配【2 u 。 i e e es t d 9 2 9 2 0 0 0 给出了一套标准的测试方法，其中测试电路如图2 4 所 示。测试电路主要由电网隔离开关、r l c 负载以及并网逆变器组成，测试时 r l c 负载的品质因数q ，须设置为2 5 。 图2 - 4 孤岛检测电路 文献研究表明：最难检测的负载情况是具有高品质因数并且谐振频率在工 频附近的负载。作为影响孤岛检测方法效果的重要参数，下面将引入负载品质 因数q ，的概念。 i e e es t d 9 2 9 2 0 0 0 中将负载品质因数定义为：负载品质因数q ，等于对于一 个给定的频率时，每周期在无功元件中最大储存的能量与在电阻中所消耗的能 量之比的2 石倍。研究孤岛检测时只需要研究处于工频附近的谐振频率。因为如 果负载电路的谐振频率与工频相差很大，就会使孤岛系统的频率持续变化直到 正常工作频率范围之外。 对于如图2 4 所示的并联r l c 负载，根据定义： 、 2 z c l 三c r 2 ，2l q f2 祥= 嘞贮 q 。1 上式中，= 2 万五= 1 三c 为负载的谐振频率。 又由于谐振频率定义为蛾= 1 三c ，因此式( 2 一1 ) 可化为 厉 岛= r c 政, o z ) = 足、 ( 2 - 2 ) 假设谐振电路中消耗的有功功率为p ，感性负载消耗的无功功率为气，容 性负载消耗的无功功率为，那么品质因数也可用式( 2 3 ) 表示 9 q f = 巫p 互 c 2 高q ，值的r l c 电路的工作频率会朝着谐振频率处偏移并保持在谐振频率 点。在使用频率偏移法来进行孤岛检测时，q ，值越高，使频率发生偏移越困难。 因此，q ，最大值的选择对于定义非孤岛逆变器是很重要的。q ，值选的太低是 不可取的，因为在实验测试时很多孤岛检测方法都能通过测试，但是实际运用 时可能会失败。q ，值选的太高也是不可取的，可能会导致孤岛检测方法无法实 现，导致孤岛检测失败。 2 5