何道清太阳能光伏发电系统原理与应用技术第9章 孤岛检测技术

1、129.1.1 9.1.1 孤岛效应的定义孤岛效应的定义 所谓的所谓的“孤岛孤岛”是指电力系统的一部分（含负载和正是指电力系统的一部分（含负载和正在运行的发电设备）与在运行的发电设备）与其余部分隔离其余部分隔离，能，能独立供电运行独立供电运行的一种的一种状态。状态。 光伏逆变器连接到公共电网上运行，由逆变器和电网共同光伏逆变器连接到公共电网上运行，由逆变器和电网共同向负载供电，当电网因故障事故或停电维修等原因停电时，各向负载供电，当电网因故障事故或停电维修等原因停电时，各个用户端的逆变器未能及时检测出停电状态而将自身切离市电，个用户端的逆变器未能及时检测出停电状态而将自身切离市电，并以其自身的

2、输出频率和电压向周围负载供电，这样就形成由并以其自身的输出频率和电压向周围负载供电，这样就形成由太阳能并网发电系统和周围负载形成的一个电力公司无法掌握太阳能并网发电系统和周围负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电的的自给供电的“孤岛孤岛”，并称此时的逆变器运行在，并称此时的逆变器运行在孤岛状态。孤岛状态。3 孤岛效应是并网发电系统特有的现象，具有相当大的危害性，不仅会危害到整个配电系统及用户端的设备，更严重的是会造成输电线路维修人员的生命安全。目前，对孤岛效应的研究可以分为两种情况，即反孤岛效应和利用孤岛效应。反孤岛效应（可简称为反孤岛）是指禁止非计划孤岛效应的发生利用孤岛效应是指按预先配置

3、的控制策略，有计划地发生孤岛效应，具体是指在因电网故障或维修而造成供电中断时，由分布式发电装置继续向周围负载供电，从而减少因停电而带来的损失，提高供电质量和可靠性。本章主要对光伏并网中的反孤岛效应进行研究。49.1.2 9.1.2 孤岛效应发生的机理孤岛效应发生的机理 光伏并网系统与本地负载相连，通过投闸开关连接到配电网上，如图9-1所示，当电网停电或其他原因导致投闸开关断开时，光伏并网发电系统完全有可能与其周围本地负载一起形成孤岛。1 1孤岛效应产生的主要原因孤岛效应产生的主要原因孤岛效应产生的主要原因有以下几个方面：1）公共电网检测到故障，导致网侧投闸开关跳开，但是并网发电装置或者保护装置

4、没有检测到故障而继续运行。2）由于电网设备故障而导致正常供电的意外中断。3）电网维修造成的供电中断。4）工作人员的误操作或蓄意破坏。5）自然灾害（风、雨、雷电等）。5 以上几种情况都是电网非正常运行时所引发的孤岛效应。此时由于负载需求功率与发电装置输出功率的不匹配以及缺乏适当的电压和频率控制，所导致的不确定状况将会给电网和用户设备等带来一系列不利影响。图图9-1 9-1 孤岛研究的电网拓扑孤岛研究的电网拓扑6 电流控制型并网逆变器发电系统的功率图如图9-2所示，dg表示分布式光伏发电系统。逆变器工作于单位功率因数正弦波控制模式，也即所带的本地rlc负载的谐振频率为电网频率，局部负载用并联rlc

5、电路表示。负载功率与逆变器输出完全匹配的负载参数为r、l、c，不匹配的负载由r+r，l+l，c+c来表示。 图图9-2 9-2 断网前后孤岛区域等效电路图断网前后孤岛区域等效电路图a) a) 并网运行等效电路图并网运行等效电路图 b) b) 断网后等效电路图断网后等效电路图2 2孤岛检测的基本原理孤岛检测的基本原理7loadloadpppqqq 2urp2f2ulfq pf22q pcfv12flc当电网正常运行时如图9-2a所示，逆变器向负载提供的有功功率为p、无功功率为q，电网向负载提供的有功功率为p、无功功率为q，负载需求的有功功率为pload、无功功率为qload，u、f为公共耦合点a

6、的电压和频率，根据能量守恒定律，a处的功率为 8rupppl2)1(2cluqqqlruppl2 )1(2 cluqql正常运行时 孤岛发生时 pruu2 22)1)(uqllc9 孤岛形成前，电网提供的有功功率不为0，则公共点的电压值就会发生变化 孤岛形成前，只有电网提供的无功功率不为0，则公共点的频率就会发生变化 只要检测公共点处的电压和频率就可以检测孤岛， 实际上，由于公共电网的电压和频率在正常情况下也有小的波动，所以正常的电压和频率只能设定为一个范围， 在这种情况下，只有p和q足够大时，才能检测出来。 如设定过大，则检测盲区增大，过小则在电网正常波动时也会检测出孤岛，出现误判。pruu

7、2 22)1)(uqllc10 (1)若 、 ,即并网逆变器输出的有功功率、无功功率与负载所需的有功功率、无功功率不匹配，则公共电网断网瞬间将会造成电压幅值和频率的突变，通过直接检测pcc点的电压幅值和频率的变化是否超过阈值就能检测出孤岛（被动检测法，不加入扰动）。 (2)若 、 ，即并网逆变器输出的有功功率、无功功率与负载所需的有功功率、无功功率相匹配，公共电网断开瞬间并不会造成电压幅值或者频率的突变，所以这种情况下一般需要采用加入扰动的主动检测法才能检测出孤岛。 综上所述，孤岛检测的基本原理是通过检测公共耦合点(pcc)的电压幅值或者频率是否超过设定阈值来判断是否存在孤岛现象，即电压幅值和

8、频率的变化大小是检测的关键。0p0q0p0q119.1.3 9.1.3 孤岛效应的危害孤岛效应的危害1）当电网无法控制孤岛发生区域中的电压和频率，可能发生供电电压与频率不稳定的现象，电源的电压和频率可能会对孤岛系统中的用电设备产生一定的损害。2）如果负载容量大于逆变电源容量，导致逆变电源过载运行，逆变电源容易被烧毁。3）孤岛的电压相量会相对于主网产生漂移，如果两者相位相差很大，当电网快速恢复时，可能引起孤岛系统并网重合闸时再次跳闸，甚至损坏发电设备和其他连接设备。4）当发电系统处于孤岛时，与逆变电源相连的线路仍然带电，可能会危及电力线路的维护人员的安全，降低电网的安全性。5）妨碍供电系统正常恢

9、复供电。孤岛发生后，逆变电源的输出与电网失去了同步时序，当电网恢复供电时可能因出现大的冲击电流而导致该线路再次跳闸（重合闸失败），导致损坏逆变器和设备。12判断孤岛发生标准判断孤岛发生标准 通过检测光伏发电系统与主电网公共耦合点（pcc）的电压幅值u u或频率f f，如果电压u或频率f f超出并网发电系统标准所规定的正常范围，则并网逆变器停止运行。并网发电系统标准规定，正常工作时主电网电压u和频率f的正常范围为： 88%u u0u u 110%u u0 (193.6v242v) f f0-0.5f f f f0+0.5 其中，u u0和f f0分别为主电网的标准电压幅值和标准频率13孤岛检测的

10、相关标准孤岛检测的相关标准 检测时间检测时间：国家并网标准要求在：国家并网标准要求在0.2s0.2s内内 谐波失真度谐波失真度(thd)(thd)：国家并网标准要求：国家并网标准要求5%5% 负载品质因数负载品质因数q qf f: : 用来描述负载的谐振能力。用来描述负载的谐振能力。q qf f大于大于2.2.5 5的情况在实际中不存在，所以一般选取的情况在实际中不存在，所以一般选取q qf f =2.5 =2.5 并联并联rlcrlc负载负载：最难检测的孤岛现象状况，能在该负：最难检测的孤岛现象状况，能在该负载条件下成功检测出孤岛的检测方法，在其他负载载条件下成功检测出孤岛的检测方法，在其他

11、负载条件下也能有效检测出孤岛。条件下也能有效检测出孤岛。 14远程通信检测法远程通信检测法：利用公共电网端与逆变器端的远程通信实现的，通过远程通信手段监控输电线路、公共电网、分布式发电系统上所有继电器的状态，能够及时有效地检测出孤岛效应。优点优点：检测效率高，并且也适用于多重逆变器的分布式发电系统中。缺点缺点：需要复杂的通信技术，成本高，尤其在小分式发电系统中性价比不高。被动检测法被动检测法：首先设定pcc点的电压幅值、频率等参数所允许变化的阈值，通过检测这些参数是否超出所设阈值来判断是否存在孤岛。优点优点：算法实现简单，不需要硬件设备，成本低，不影响电能质量 缺点：缺点：存在较大的检测盲区。

12、主动检测法主动检测法：通过人为向分布式发电系统注入适当的扰动信号，使孤岛发生时pcc点的电压幅值或者频率迅速偏移并超过设定阈值，从而检测出孤岛现象。优点优点：检测效率高，检测盲区小缺点缺点：引入的扰动带来谐波失真，影响电能质量常用的孤岛检测法常用的孤岛检测法159.3.1 9.3.1 过过/ /欠电压和高欠电压和高/ /低频率检测法低频率检测法1检测原理 对于图9-2，电网正常（开关s1闭合）时，逆变电源输出功率为p+jq，。此时，公共耦合点a的电压幅值和频率由电网决定，ovp/uvp、ofp/ufp不会动作，即不会干扰系统正常运行。如果p0，逆变器输出有功功率与负载有功功率不匹配，则公共耦合

13、点电压将发生变化；如果q0，逆变器输出无功功率与负载无功功率不匹配，则公共耦合点电压的频率将发生变化。如果它们的变化超出了正常范围，就会使ovp/uvp、ofp/ufp动作，实现孤岛状态检测从而防止孤岛发生。9.3 9.3 被动式孤岛检测法被动式孤岛检测法16 电压相位突跳检测是通过监测逆变电流和公共点电压之间的相位差来检测孤岛状态的， 由锁相环(pll)控制逆变器输出电流与公共点电压在过零点同 步，在两个过零点之间的波形则是确定的正弦波。 当电网断开后，逆变器输出电压不能被电网电压锁定。 在过零点之间，逆变器电流波形已经由上一次过零点确定， 其频率不变， 因为负载相位不会因电网断开而变化，因

14、此在非纯阻性负载的情况下，断网后公共点电压必然跳到新的相位。在电网断开后的第一个过零点，就会检测 到公共点电压和逆变器输出电流间的相位差超过设定阈值，即可判断正处于孤岛状态。 本方法的优点是易于实现，但也存在检测盲区问题，当某些负载起动(尤其是电动机)时，可能会产生较大的相位突跳9.3.2 9.3.2 电压相位突变检测法电压相位突变检测法1718 通 过监测公共点电压总谐波失真(thd)来检测孤岛状态。 在正常并网时，电网阻抗小，逆变器输出电流谐波主要注入电网，公共点电压被电网钳制，电压谐波很 小。 孤岛时，逆变器谐波电流流入负载产生电压谐波。 其次，逆变器一般为电流控制模式，具有电流源特性，

15、变压器原边(电网侧)断路后，逆变器电流对变压器副 边绕组励磁，由于变压器的磁滞特性和非线性特性，电压波形含有较大thd。 另外，某些非线性负载也会产生电压畸变。 此方法优点是即使在逆变器与负载功率匹配的情况下，也能很好的检测出孤岛。缺点是同样存在检测盲区，负载非线性严重时，阈值难以设定。9.3.3 9.3.3 电压谐波检测法电压谐波检测法199.4 9.4 主动式孤岛检测方法主动式孤岛检测方法 主动式孤岛检测方法的原理是通过引入干扰打破孤岛运行下逆变系统和负载之间的平衡。在并网运行时这种扰动并不明显，但在孤岛运行时，该扰动可以加速a点的电压幅值或者频率越限超出阈值范围。由逆变器输出电流的表达式

16、可以看出，可施加扰动的量有电流幅值im、电流频率f、电流相位，由此产生了基于幅值的扰动，代表算法为sandia电压偏移（svs）法；基于频率的扰动，代表算法为主动频率偏移（afd）法、正反馈主动频率漂移（afdpf）法；基于相位的扰动，代表算法为滑模频漂检测（sms）法；自动移相（aps）法等。其中svs 法对能量有损失，而afd 法和aps 法在对输出电能质量干扰较小的情况下即可有效检测出孤岛，且在多机运行下同样有效。pvmsin()iit209.4.1 9.4.1 频率偏移检测法频率偏移检测法 1afd的基本原理 逆变器正常并网运行时，输出电流与公共点电压同频同相，由锁相环检测公共点电压的

17、频率作为输出电流的频率，每个电压过零点为电流新半波的开始，这样保证电流与电压同频同相。主动频率偏移法是通过采样公共节点处的频率，进行偏移后作为逆变器的输出电流频率，造成对负载端电压频率的扰动，如图9-8所示。图9-8 主动频率偏移法的电流波形21 输出电流与公共点电压的相位差总是固定不变的 在逆变器正常并网时，公共点电压频率由电网嵌制，孤岛时，畸变电流流过负载，迫使公共点电压频率改变，经过几个周期的累加作用，最终因公共点电压频率超出阈值而被检测出孤岛状态。 22 2afd检测失败原因孤岛检测成功的关键是公共点频率在失压后能有较大的偏移，而afd就是通过人为增加电流频率偏移来达到使电压频率偏移的

18、目的电网失压后的公共点频率变化情况如下： 1）如果负载呈阻性，则电压与电流同频同相，电流频率的变化被完全传递到电压上，频率每个周期都能在上一周期的基础上持续不断地单向偏移，所以afd 对纯电阻负载没有检测盲区。 2）若负载呈容性，电压将与电流同频但滞后于电流一定的相位角，滞后的角度由负载相位角决定，电压的滞后延缓了电压过零点的到达时刻，使检测到的电压周期值增大。由此，afd算法中电流给定使频率加快的改变不能完全传递到电压上，afd对频率的扰动效应被负载相位角抵消了一部分。如果两者正好相抵，则相邻周期间电压过零时间间隔不发生变化，频率不会偏移，孤岛检测失败。23 3）若负载呈感性，电压将超前电流，加快了电压过零点的到来，使频率偏移在电流给定频率偏移的基础上进一步提速，电压频率被迅速增大，由此不会有检测盲区。但若afd算法使频率反向扰动，则感性负载有可能导致检测失败，而容性负载下孤岛能被顺利检出。 至于rlc负载，如果rlc谐振频率与电