单相光伏并网发电系统及孤岛检测的研究(提交稿)

1、宁夏大学继续教育学院宁夏大学继续教育学院 毕业论文毕业论文 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 王玉琳 学 籍 号 14703320261021 设计题目 单相光伏并网发电系统 及孤岛检测的研究 指导教师_2016 年 1 月 9 日摘要摘要本文首先介绍了光伏并网发电系统的整体结构，其中包含单相光伏并网逆变器的分类、并网逆变器的控制目标及控制算法。为了抑制并网后电网电压波动对系统性能的影响，本文提出了改进型并网逆变电流跟踪方式，通过电网电压的前馈控制，从而减少电网电压对并网电流的影响。然后本文又对孤岛效应及孤岛检测进行了研究分析，基于几种常用的孤岛检测方法，本文采了用主动式并网电流幅值扰动法对

2、光伏并网发电系统实现反孤岛效应。关键词：关键词： 光伏光伏 孤岛孤岛 I目 录第一章 绪论.11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 中国光伏并网发电系统的现状 .11.2.1 光伏并网发电系统.11.2.2 中国光伏并网的发展现状.21.3 光伏并网发电孤岛效应问题 .31.3.1 孤岛效应.31.3.2 孤岛效应的危害.31.3.3 孤岛效应研究现状.41.4 本文主要内容 .4第二章 单相光伏并网发电系统控制策略分析.52.1 单相光伏并网发电系统的控制 .52.1.1 单相光伏并网逆变器的分类.52.1.2 单相光伏并网逆变的控制目标.62.2 并网逆变电路的控制方法 .72.2.1

3、 定时比较 PWM 控制方法.72.2.2 滞环控制电流瞬时值控制方法.82.2.3 SPWM 控制方法 .82.3 本章小结 .9第三章 光伏并网发电系统的孤岛效应及检测方法.103.1 孤岛检测的原理 .103.2 孤岛检测的标准 .113.3 孤岛效应检测的方法 .123.3.1 内部孤岛检测法.133.3.1.1 被动式检测 .133.3.1.2 主动式检测法 .153.3.2 外部孤岛检测法.163.4 本章小结 .18第四章 总结.19参考文献 .20第 0 页第一章第一章 绪论绪论1.11.1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义随着现在科学技术的发展，能源越来越被人们重视。

4、因为它是人类社会生存的物质基础，是社会发展的动力源泉，更是经济发展与国家稳定安全的重要因素。自 20 世纪以来，人类使用的能源以煤、石油和天然气等一次能源为主。据可靠调查显示，世界范围内煤炭储量约在未来 230 年左右被消耗殆尽，石油和天然气仅能维持 3060 年。故能源问题已成为制约人类发展的重要因素之一。据了解，在煤、石油和天然气等一次能源使用过程中，产生大量的二氧化碳和含硫化合物，对人类生存环境造成重大影响，最直接的体现是温室效应和酸雨的产生，这严重的破环了生产区域内的生态平衡。从环境保、经济和社会的可持续发展角度考虑，继续对现有的能源结构进行调整，而这只有靠先进技术水平去发掘和利用可再

5、生能源。太阳能的利用现已成为本世纪前所未有的速度发展，并逐步成为人类基础能源的重点。太阳能具有独特的优势，全球能源专家一致认为：太阳能将成为 21 世纪最重要的能源之一。据欧洲能源专家预测，到未来 2100 年，太阳能在整个能源结构中将占 68%的份额。太阳能资源开发利用有以下几个有点：(1) 储量的无限性。太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，每秒辐射的能量大约是161023kW，其中到达地球的能量高达 8103kW，相当于燃煤 6109吨标准煤。如此计算，一年内到达地球表面的太阳能折算成标准煤约为 1.8921016亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。因此太阳能的开发，将会解决人类常

6、规能源匮乏枯竭的有效途径。(2) 存在的普遍性。太阳能虽然会因为纬度不同、气候差异造成辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有普遍性，就地可取。因此可以解决常规能源匮乏的国家和地区解决能源问题提供了美好的前景。(3) 利用的清洁性和经济性。太阳能像风能、潮汐能等清洁能源一样，其开发利用几乎不产生任何污染，而且储量无限，因此是人类理想的替代能源。1.21.2 中国光伏并网发电系统的现状中国光伏并网发电系统的现状1.2.11.2.1 光伏并网发电光伏并网发电系统系统光伏并网发电系统结构图如图 1-1，由太阳能光伏组件、并网逆变器、计量装置组成。太阳能通第 1 页过太阳能

7、电池转化为直流电力，再通过并网逆变器将直流电能转换为交流电能馈入电网，可通过计量装置测量并入电网的电能功率，以方便计费。并并网网逆逆变变器器计计量量器器电电网网太太阳阳能能光光伏伏阵阵列列图 1-1 光伏并网发电系统结构图按照系统的应用地点，光伏并网发电系统可分为住宅用并网光伏系统和集中式并网光伏系统两类。前者是将光伏系统发的电直接被分配到住宅内的用电负载上多余或不足的电力通过连接电网来调节；后者是将光伏系统的发电直接被输送到电网上，由电网把电力统一分配到各个用电单位。目前住宅用光伏并网发电系统已在国外得到推广，而集中式并网发电系统由于目前成本较高，应用尚不多，但随着太阳电池价格的下降，可以预

8、期不久的将来会有很大的发展。1.2.21.2.2 中国中国光伏并网的发展现状光伏并网的发展现状我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。我国的光伏电池技术是从 60 年代发展空间用太阳能电池开发起步的，地面用光伏电池的生产是从 1970 年代初开始，主要的低成本技术以及生产能力则在 80 年代中期建立起来。80 年代中期,我国光伏电池/组件总生产能力达到 4.5MW，光伏产业初步形成。经过十年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池转换效率不断提高。至90 年代初中期，我国光伏产业己处于稳定发展时期，生产量逐年稳步增加。 “九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶系统列入国家科技

9、攻关计划，企业界率先在深圳和北京分别建成了 17kW 和 7kW 的光伏发电屋顶系统。1999 年，我国光伏电池的主要产品是单晶硅电池和非晶硅电池，多晶硅电池只限于实验室和中试产品，但在 2000 年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相比，技术差距不断减小。为了推动光伏技术及其产业发展，2003 年 10 月，国家发展改革委员会、科技部制定出未来五年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资 100 亿用于推进太阳能光伏发电技术的应用。至 2005 年底，太阳能电池产量约为 110MW，太阳能电池组件的实际生产量达到220MW 以上。2004 年，我国在深圳建成了亚

10、洲最大并网太阳能光伏电站，电站总容量达 MW，年发电1能力约为万 kWh。2008 年北京奥运会，国家计划将太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑100将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的具体体现。2005 年 2 月 28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的中华人民共和国可再生能源法 。 可再第 2 页生能源法已于 2006 年 1 月 1 日起正式实施。2006 年 4 月国务院能源领导小组会议上已批准国家发改委提出的我国太阳能发电的中长期发展规划、发展重点和目标。国家发改委还同时发布了可再生能源发电价格和费用分摊关系试行办法 ，国家鼓励可再

11、生能源利用。我国光伏产业在满足国内市场需要和提高边远无电地区人民的生活水平及特殊工业应用中发挥了重要作用。综上可知，我国的光伏发电产业必将得到快速地发展。据专家预测：我国 2020 年规划总发电量为4.5 万亿 kWh，光伏发电占总发电量的 1%，约为 450 亿 kWh。若平均光伏发电年产量日照时数以 1500小时计，我国 2020 年光伏总装机容量应为 30GW，面对如此巨大的国内市场需求和广阔的发展前景，要实现太阳能光伏发电的快速发展和光伏并网系统的产业化，必须发展具有自主知识产权的光伏并网技术,增加技术积累和鼓励技术创新。1.31.3 光伏并网发电孤岛效应问题光伏并网发电孤岛效应问题1

12、.3.11.3.1 孤岛效应孤岛效应孤岛效应是指并入大电网中的一个或者多个分布式电源通过输电线路向某块地区的负载提供电能，却和大电网发生脱离，构成了一个孤立运行的区域。当连接地区电网与大电网之间的传输线路由于某种故障而发生跳闸时，就可能产生孤岛效应。如果孤岛地区内的负载所消耗的功率和孤岛地区的分布式电源发出的功率相差不大时，孤岛区域内的电压和频率等参数变化会很小，分布式发电系统因为检测不到电网是否已经断开而继续向负载提供电能。如果负载所消耗的功率与电源发出的功率不匹配时，当孤岛发生后，孤岛地区内的电压和频率将会迅速突破过/欠电压（频率）保护的阈值而自动让分布式发电系统停止工作，孤岛效应也就不会

13、再次出现。1.3.21.3.2 孤岛效应的危害孤岛效应的危害(1)设备损害大电网供电中断后需要恢复供电时，如果光伏并网发电系统和大电网相位或频率不同步将会产生很大的浪涌电流，损坏光伏并网发电和本地负载装置，这样就会导致更为严重的电力中断事故。其次，由自然灾害等原因造成的输电线路重合闸开关跳闸，大电网很难正常恢复，光伏并网发电系统的存在自动重合闸过程可能会导致重合闸失败。最后，供电公司在孤岛运行时失去了对传输线路电压和频率的控制，也可能出现光伏发电系统输出电压或频率的不正常而导致运行异常的状况。(2) 人身安全当发生孤岛时，大电网停电后电气维护人员进入停电地区进行作业，如果此时分布式发电继续向第

14、 3 页大电网供电，就可能导致工作人员不慎触电，从而引发人身伤害。1.3.31.3.3 孤岛效应研究现状孤岛效应研究现状当前有许多针对孤岛检测方法的研究，大部分是在美国、欧洲和日本这些太阳能发电产业发达的国家展开，他们的研究成果较其他股价也相对先进。而我国在孤岛检测研究领域处在起步阶段，绝大多数孤岛检测方法基于被动检测法中对公共耦合点端电压和频率的检测，对主动式孤岛检测方法的研究比较少。具体说明使用某种或几种孤岛检测方法是在上世纪 90 年代制订了针对一般的孤岛检测标准。因为光伏并网发电技术的要求和大电网的构架和运行方式有关，不同国家对光伏并网发电技术要求的规定也不同，国际上对反孤岛检测方案也

15、没有明确规定。在这当中 IEEE 在孤岛检测的性能指标和孤岛检测测试标准领域处于领先地位，IEEE 所制定的标准注重光伏并网发电系统中的孤岛检测的具体性能和孤岛检测过程，不仅限于孤岛检测方法。IEEE 制定的标准和 IEEE Std.2000-929 和 IEEE Std.2003-1547已经被众多供电公司作为北美光伏并网逆变器的设备安全标准和光伏并网发电系统和大电网互联标准。1.41.4 本文主要内容本文主要内容本文把单相光伏并网发电系统及其孤岛检测作为研究对象，介绍了单相光伏并网发电系统的总体结构、逆变器控制算法，并对单相光伏并网发电系统的孤岛检测问题进行了较为透彻的分析研究。本文主要研

16、究包括：第一章主要对光伏并网发电系统的研究背景、研究意义、国内外发展现状、光伏并网发电系统中孤岛效应的及其国内外研究现状等问题进行了较为详细的阐述。第二章介绍单相光伏并网发电系统的结构，包括光伏并网逆变器类型的选择，以及并网逆变器的控制目的及控制算法，并提出了一种改进型并网逆变电流跟踪控制方式。第三章介绍光伏并网发电系统中孤岛检测的一些基本问题和主要方法。就现今发电系统孤岛检测的方法，选择出适合本文的并网电流幅值扰动法来检测孤岛效应的发生。第 4 页第二章第二章 单相光伏并网发电系统单相光伏并网发电系统控制策略分析控制策略分析光伏并网发电系统主要由太阳能电池、光伏并网逆变器、滤波电路等环节组成

17、。太阳能电池是光伏并网发电系统的主要部分，它将由太阳能电池接收到的太阳光能转换为电能。光伏并网逆变器将太阳能电池所发送的电能逆变成交流电并入大电网中，它是光伏并网发电系统的核心组件。并且逆变器直接影响光伏并网发电系统能否安全、稳定、高效、可靠地运行，同时整个光伏发电系统的使用寿命亦受到它的影响。本章将介绍单相光伏并网逆变器的选择及其拓扑结构、逆变主电路的控制目标、并网逆变电流的控制方法、并网逆变电流的控制算法。2.12.1 单相光伏并网发电系统的控制单相光伏并网发电系统的控制2.1.12.1.1 单相光伏并网逆变器的单相光伏并网逆变器的分类分类并网逆变器的控制方式可分为电压源电压控制、电压源电

18、流控制、电流源电压控制和电流源电流控制这四种方法。电源对外可表征为电流源特性和电压源特性两类。当逆变器输入直流源呈电流源特性时，称之为电流型逆变器；当逆变器输入直流源呈电压源特性时，称之为电压型逆变器。当输入直流源呈电流源特性时，为稳定直流电流的输入，需在逆变器输入侧串联大电感，而这会导致系统动态响应变差。故在设计逆变器时，通常采用电压源输入。并网运行时，光伏并网逆变器就输出控制模式的不同可分为电压型逆变器和电流型逆变器。如图2-1 所示。逆变器光伏阵列LCCdc电网(a)并网逆变系统（电压型） 逆变器光伏阵列电网LCLdc(b)并网逆变器（电流型）第 5 页图 2-1 并网逆变系统拓扑结构（

19、电压型和电流型）若并网逆变器输出采用电压源控制模式，其与电网并联，相当于两个电压源并联运行。而由于电网可视作一个容量无穷大的交流电压源，故此时需要采用锁相技术使得逆变器输出电压与电网电压同频同相以保证系统的稳定运行。但是采用电压源输出控制模式时，由于存在锁相回路响应慢、逆变输出电压难以精确控制等原因，故通常采用电流源输出模式来替代。在采用电流输出模式控制时，只需要控制输出并网电流使之与电网电压保持同频同相，就可以达到逆变器并网运行的目的。相对电压源输出控制方式而言，电流源输出控制方式较为简单，运用更具广泛性。综上所述，在设计光伏逆变器时，本文采用电压源输入、电流源输出的控制方式，即电压型逆变器

20、。采用电压型逆变主电路，可以实现有源滤波和无功补偿的控制，并有效的进行光伏发电、提高供电质量及减少损耗。此方法在实际中得到广泛应用。2.1.22.1.2 单相光伏并网逆变的控制单相光伏并网逆变的控制目标目标在光伏并网发电系统中，逆变器是系统核心部件和关键技术。其控制目标为：控制逆变电路输出的电流为稳定的高质量的正弦波，且与电网电压同频、同相。图 2-2 所示为 IGBT 开关构成的电压源电流控制型单相并网逆变器的电路原理图。+T1D1T3T2D2T4D4D3_ousidUdcCNLNU图 2-2 电压源电流控制逆变器主电路结构图中 T1T4 是 IGBT 开关管，D1D4 是反向并联二极管，起

21、续流作用；是直流侧支撑电容，dcC也叫平波电容；是交流测电感，也称缓冲电感，可以抑制输出电流的过分波动，同时起到滤波作用。NL是输入恒定的直流电压，是逆变器的输出电压，是电网的正弦波电压，是从逆变dU( )Out( )Nut( )Nit器输出到电网的电流故： (2-1)0NNNNUUjL I第 6 页其中，是电网角频率，,为电网频率，和的矢量关系如图 2-3 所示。N2NNfNfNU0U NNNjL ININUoU图 2-3 逆变器矢量关系并网系统要求在逆变器输出侧实现功率因数为 1，波形为正弦波，输出电流与电网电压同频同相。由于输出电感的存在，输出电流在其上产生一个电压降，则逆变器的输出电压

22、和电网NLNiNj LIOu电压之间将产生一个位移量，可以通过 PWM 控制开关管，使变换器的输出电压满足上述的矢NuOu量关系，这样就可以实现电流与电网电压同频同相。2.22.2 并网逆变电路的控制方并网逆变电路的控制方法法逆变器的输出采用电流源控制方法，其控制目标是输出与电网电压同频同相的正弦电流，因此，获取参考电流并使逆变器按照期望输出参考值是重中之重。目前运用较为广泛的光伏并网逆变器的电流跟踪控制方法主要有以下三种方法。2.2.12.2.1 定时比较定时比较 PWMPWM 控制方控制方法法定时比较 PWM 控制方式是设定一个比较器，定时控制它在每个周期内对电流误差判断产生相应PWM 控

23、制信号，改变主开关的通断，从而实现对输出电流的控制。定时比较 PWM 控制策略的工作原理决定了 PWM 信号至少在一个时钟周期后才发生一次改变。其原理如图 2-4 所示。第 7 页+-时钟信号PWM信号比较器refiiai图 2-4 定时比较 PWM 控制方法工作原理此策略要求主动开关器件开关频率是固定的，并且不超过时钟频率的一半，这样可以避免功率器件开关频率过高。同时该控制方法很少产生噪声且开关消耗也比较小，系统的动态性能也很好。其缺点是给定电流与实际电流在理论上就必须存在偏差，才能产生 PWM 波 。2.2.22.2.2 滞环控制电流瞬时值控制方滞环控制电流瞬时值控制方法法该种控制方法通过

24、比较期望电流与实际并网电流，从而达到控制并网输出电流的目的。主要是讲两者的误差输入到滞环比较器中，通过滞环比较器产生 PWM 信号，该信号经驱动电路放大后可用来控制主功率电路开关器件的通断。其工作原理如图 2-5 所示。+-滞环比较器PWM信号refiiai图 2-5 滞环控制电流瞬时值控制方法工作原理该方法的特点是：(1) 电流响应快，实时性高；(2) 硬件电路较为简单，便于控制；(3) 采用滞环控制，无需引入载波，故不会使输出电压中含有特定频率的谐波分量。(4) 电流误差范围受滞环宽度制约，若滞环宽度固定，电流误差则固定，但开关管的开关频率不固定，因此使得滤波器设计增加难度，会引起谐波干扰

25、。2.2.32.2.3 SPWMSPWM 控制方控制方法法SPWM 控制方式即三角波比较的电流跟踪控制方法。它将电流误差经 P 或 PI 调节后与三角波进行比第 8 页较，输出 SPWM 信号。其原理图如下图 2-6 所示。+比较器SPWM信号P(PI)+_i airefi图 2-6 SPWM 控制方法原理图该方法的特点是：(1) 软硬件实现相对复杂；(2) 输出电流中含有特定频率谐波；(3) 相应电流相对于瞬时值比较方式较慢；(4) 功率器件的开关频率固定地等于三角波的频率。本文实际采用的是基于 SPWM 控制的电流跟踪系统。与滞环电流控制系统相比，基于 SPWM 控制的电流跟踪系统具有固定

26、的开关频率，它是将 PWM 载波频率固定不变，以电流偏差调节信号作为调制信号的 PWM 控制方法，具有算法简单、物理意义清晰、实现方便的优点。另外，开关频率固定，可以使输出侧的滤波电感容易设计，减少功率器件的开关损耗。综合考虑以上因素，本文采用基于 SPWM 控制的电流瞬时值控制的方法。2.32.3 本章小结本章小结本文采用电压源输入电流源输出的电流型逆变电器，而逆变电路主要目的是使并网电压与大电网电压达到同频同相，电流经电感电流瞬时值与给定电流比较产生误差信号，经 PI 调节器，所得信号与三角载波进行比较后产生 SPWM 信号控制功率管的开通。通过对交流电流的跟踪控制，使其跟踪给定电流值，根

27、据电流控制的概念，对于并网型逆变器来说为了获得与电网电压同步的给定正弦电流波形，通常用电网电压乘以电流有功给定，产生正弦参考电流波形，然后使其输出电流跟踪的给定电流，具有控制电路相对简单、对系统参数的依赖性低、系统动态响应速度快的优点。第 9 页第三章第三章 光伏并网发电系统的孤岛效应及检测方法光伏并网发电系统的孤岛效应及检测方法光伏并网发电系统是通过逆变器直接将直流电变换成交流电输送至电网。它除了具有和其它系统一样的保护功能，如过流、过压、欠压、过热、过频、欠频外,还要求具有一种特殊的保护功能，即反孤岛效应功能。3.13.1 孤岛检测的原理孤岛检测的原理光伏并网发电系统正常工作时，并网逆变器

28、不仅向本地负载供电，而且还将剩余的电力输送至电网，给电网提供一定的有功功率和无功功率。但当电网因为故障或者被人为地切断时，并网发电系统应该能及时断开与电网的链接，一旦系统未能及时检测到电网电网断电而继续向负载供电，这样构成独立的系统，这种现象称之为孤岛效应。CRLPCCVS1S2invinvPjQloadloadPjQgridgridPjQ光伏并网发电等效电源大电网图 3-1 孤岛检测的基本模型光伏并网发电系统孤岛检测的基本模型如图 3-1 所示，其中 RLC 并联负载为孤岛形成后的等效本地负载，电阻 R 代表有功负载，电感 L 和电容 C 分别代表感性和容性无功负载。S1 是光伏并网发电系统

29、逆变输出等效电源侧开关，S1 断开时光伏并网发电系统逆变输出与大电网断开，S1 闭合时逆变输出并入大电网。S2 为大电网侧开关，S2 关断开表示大电网由于故障等原因发生了跳闸，S2 开关闭合则表示大电网处于正常工作状态。SI 和 S2 关在正常情况下都会闭合，光伏并网发电系统逆变输出和大第 10 页电网同时向本地负载供电，如图 3-1 所示。S2 开关在孤岛发生时断开，而 S1 开关保持闭合，由光伏并网发电系统逆变输出向本地负载供电。式(3-1)和(3-2)用来表示孤岛发生后各状态量之间的关系： (3-1)21invPCCPVR (3-2)12invPCCQVLC式(3-3)、(3-4)和(3

30、-5)为额外定义的两个变量负载阻抗角和负载品质因数loadfQ (3-3)1100loadfftgRLCtgff (3-4)/fQR C L (3-5)012fLC由式(3-1)得知,本地负载端电压在孤岛发生后仅和光伏并网逆变器输出的有功功率和本地负载中的电阻有关。由于电阻 R 为一个常量，所以光伏并网逆变器输出的有功功率由本地负载端电压决定，由此会出现三种可能的情况：第一种情况是当光伏并网逆变器输出的有功功率大于本地负载需要的有功功率，本地负载端电压将比并网电压有所增大，增大的幅度取决于光伏并网逆变器输出的有功功率大小。第二种情况是当光伏并网逆变器输出的有功功率等于本地负载需要的有功功率，本

31、地负载端电压等于并网电压。第三种情况是当光伏并网逆变器输出的有功功率小于本地负载需要的有功功率，本地负载端电压会比并网电压有所减小，减小的幅度取决于光伏并网逆变器输出有功功率的大小。由式(3-2)得知本地负载角频率在孤岛发生后与光伏并网逆变器输出的无功功率和本地负载端电压有关。当本地负载端电压维持恒定，本地负载的角频率由光伏并网逆变器输出的无功功率所决定。此外光伏并网逆变器一般只传输有功功率而不传输无功功率是为了提高太阳能的有效利用率，当本地负载中含有无功元件如电感和电容，那么光伏并网逆变输出后的 LC 滤波环节只有在谐振状态下才会达到频率的稳定。虽然在实际并网系统中，发生孤岛效应的概率不高，

32、但在光伏并网系统规模越来越大的情况下，这种可能性任然存在。3.23.2 孤岛检测的标准孤岛检测的标准孤岛效应检测和防止一般是通过监控并网系统输出端电压的幅值和频率实现的。当电网断开时，第 11 页由于并网系统的输出功率和负载功率之间的差异会引起并网系统输出电压的幅值或频率发生相当的改变，这样通过监控系统输出的电压就可以很方便地检测出孤岛效应。由于光伏并网发电系统的快速发展，具体的孤岛检测和相应的并网标准随着光伏并网发电产业的快速发展也需要制定，下表 3-2、3-3为孤岛检测的具体标准。表 3-2 IEEE Std.1547 孤岛检测端电压标准状态大电网跳闸后大电网电压大电网跳闸后大电网频率检测

33、时间（s）10.5sV0F0.1620.50.88ssVVV0F231.101.2ssVVV0F1401.2VV0F0.165sV00.7fFHz0.166sV00.7fFHz0.16表 3-3 IEEE Std.1547 孤岛检测频率标准光伏发电系统容量（kW）公共耦合点频率区间（Hz）孤岛响应时间（s）49.30.163049.350.5正常运行50.50.1647.00.163047.049.30.1630049.350.5正常运行50.50.163.33.3 孤岛效应检测的方法孤岛效应检测的方法光伏并网发电系统的孤岛检测方法大致分为两大类，一类是在大电网侧检测，一类是光伏并网逆变器输出

34、测来实现。大电网侧孤岛检测方法称为外部检测，而光伏并网逆变器输出侧的孤岛检测方法第 12 页为内部检测法。下图 3-4 为光伏并网发电系统孤岛检测常用方法分类。主动频率偏移法电压相位突变法Sandia频率偏移法滑膜频率漂移法插入阻抗法主动孤岛检测方法外部孤岛检测法内部孤岛检测方法被动孤岛检测方法基于人工智能法电压相位突变法过/欠频率法过/欠电压法SDP法SCADA法电力线载波通讯法孤岛检测法图 3-4 常用孤岛检测法3.3.13.3.1 内部孤岛检测法内部孤岛检测法内部检测法主要是根据光伏并网发电系统中的公共耦合点（PPC）的端电压和端电流信号，当孤岛检测到其信号超过设定阈值，就能判断光伏并网

35、发电系统发生孤岛。这种检测方法又可以分为两种孤岛检测方法：一种是主动式孤岛检测方法，该方法是向光伏并网发电系统注入扰动型号，通过检测其扰动响应判断孤岛的发生。另一种是被动式孤岛检测方法，该方法是根据在公共耦合点测量的端电压、电流、频率信号来判断系统是否处于孤岛运行状态。3.3.1.13.3.1.1 被动式检测被动式检测被动式检测法是在并网光伏发电系统中孤岛形成前后，公共耦合点（PPC）端电压、频率以及相位的变化来判断孤岛是否发生。当出现光伏并网发电系统的逆变输出功率与孤岛本地负载需求相差较远的情况，公共耦合点端电压和频率在孤岛发生后会发生很大的变化时，则可以利用被动式方法来判断第 13 页孤岛

36、运行情况。被动式检测法有以下几种：(1) 过压、欠压及过频、欠频检测法一般的光伏阵列并网发电系统均会设置四中保护电路：过电压保护、欠电压保护、过频率保护、欠频率保护。主要是通过检测公共耦合点电压或频率是否超出预设范围来判断孤岛的发生。而孤岛检测的方法又取决于孤岛发生前后本地负载消耗功率前后的比值。如果此比值小于或大于设定阈值，本地负载端电压将超过正常限定范围，光伏并网发电系统中将会与连接大电网的开关断开。其中有功功率和本地负载消耗的有功功率的比值影响公共耦合点端电压的变化，无功功率比值/invloadPP则影响公共耦合点频率的变化。当功率前后比值接近于 1 时，公共耦合点端电压和频率变/inv

37、loadQQ化很小，则不能检测到孤岛的发生，因此过、欠压及过、欠频这两种方法存在较大的检测盲区。(2) 电压相位突变孤岛检测法通过检测光伏并网发电系统中逆变器输出电流与本地负载端电压之间的相位变化来判断孤岛运行称为电压相位突变孤岛检测。当大电网断开后，本地负载阻抗角就会引起本地负载端电压相位的变化，以此可以判断孤岛。但是，若本地负载阻抗角很小或者为零，则这种相位突变孤岛检测的方法不起作用。在使用相位突变孤岛检测方法时需要设定一个动作阈值，阈值太小容易引发误动作，太大又可能出现漏检测，因此阈值很难选择。这种方法简单易于实现，但是存在较大的检测盲区。(3) 电压谐波孤岛检测法通过检测光伏并网发电系

38、统逆变输出端电压的总谐波失真（THD）是否超过限额的方法称作电压谐波孤岛检测法。并网电流的参考信号是大电网的端电压，当发生孤岛时，光伏并网发电系统中的逆变器输出端电压的总谐波失真变大。电压谐波孤岛检测法理论上在较大范围内可以检测到孤岛，在有多台光伏逆变器并联的光伏并网发电系统的情况下都不会产生稀释效应，并且即使在逆变输出功率和本地负载所需功率匹配的情况下也能检测孤岛发生。但是这种方法很难统一设定谐波畸变率的标准，因此该方法还得不到广泛的应用。(4) 基于人工智能的孤岛检测法基于人工智能的孤岛检测方法是对采样数据的处理来分析相关指标从而判断孤岛。目前该方法有基于混沌理论、基于人工免疫理论等多种人

39、工智能孤岛检测方法。这种检测方法在检测时需啊哟占用大量处理器资源，检测复杂，故也未得到广发应用。综上所述的几种被动孤岛检测的方法可以看出，被动式检测法对大电网无干扰，对光伏并网发电系统的输出电能质量也没有影响，且容易实。但这类方法的缺陷是阈值的设定，阈值既要高于光伏并第 14 页网发电系系统正常运行时的值，又要小于孤岛发生的值。所以存在较大非检测区。另外公共耦合点端电压谐波、光伏并网发电逆变输出功率检测参数需要经过复杂计算得出，这些计算误差和计算时间对检测会产生一定影响。3.3.1.23.3.1.2 主动式检测法主动式检测法主动式检测法是通过光伏并网发电系统逆变器的控制信号中加入一定的电压、电

40、流或者相位的扰动。当大电网正常运行时，由于受大电网的制约，检测不到扰动的变化，但当大电网出现故障即发生孤岛时，光伏并网逆变器输出的扰动信号将会迅速累加并超出设定范围，最终由孤岛检测电路来判断。(1) 并网电流幅值扰动法对并网电流幅值的控制加入固定周期的扰动，通过检测在扰动过程中电网电压的幅值是否变化，从而判断出孤岛效应的发生。当电网有电情况下，光伏并网发电系统检测到的交流电压就是电网电压，即 (3-6)cggVV此时，交流电流的扰动不会影响电网电压的波动。因此检测到的交流电压在扰动前后保持恒定。在电网断电情况下，光伏井网发电系统检测到的交流电压就是负载电压，由负载阻抗和逆变器输出电流决定，即

41、(3-7)cgloadacVZI故，当交流电流突变扰动情况下，检测到的交流电压为 (3-8)cgloadaccgVZIV式(3-8)中，扰动的并网电流。acI由此，根据检测交流电压跟随扰动电流的变化来判断是否发生孤岛效应，如若发生孤岛则光伏并网发电系统停止工作。并网电流幅值扰动法使用起来非常方便，并且对单台并网逆变器可以可靠的检测孤岛效应的发生。但是电流的扰动会影响输出电能的质量，而且多台逆变器并联运行时，其可靠性也随之降低。(2) 插入阻抗孤岛检测法插入阻抗法相当于主动改变负载特性，从而影响孤岛发生时的交流电压的变化。通常插入电容器，电路如下 3-5 所示：第 15 页逆变器负载光伏阵列大电

42、网电容器变压器图 3-5 插入阻抗孤岛检测法电路图如图所示，在电网通电时，逆变器交流输出电压为电网电压，阻抗的插入不影响交流电压的检测。电网断电时，交流电压为： (3-9)invacloadVI Z：初始负载 。loadZ阻抗插入后的交流电压为 (3-10)invacloadVI Z：插入阻抗后负载阻抗，：插入阻抗后交流电压。loadZinvV由上式(3-10)，通过插入阻抗后交流电压的改变来判断孤岛效应。其中电容器可以补偿无功，并且在时间要求不高的情况下，反孤岛非常有效。但是电容器增加了系统的成本，响应速度较慢，并且安装起来非常复杂。(3) 频率偏移孤岛检测法频率偏移孤岛检测法是目前最常用的

43、一种主动式孤岛检测方法，通过在光伏并网发电系统逆变输出电流的一个周期中加入截断区间，使得小部分时间的电流强制归零，从而破坏原来孤岛系统中的无功平衡，这样本地负载频率会朝一个方向偏移，最终导致逆变输出端电压和电流超过频率保护范围而发生欠/过频率保护。此孤岛检测方法检测速度快，容易实现。但是其缺点是：当主动移频造成公共耦合点端电压和光伏逆变输出电流的相位差和本地负载阻抗角相等时将很难检测出孤岛的发生。而且在多台光伏并网逆变器并联运行的情况下，一定要让光伏并网逆变器输出频率偏移方向一致，否则会造成逆变器间相互影响从而导致孤岛检测失败。(4) Sandina频率偏移孤岛检测法Sandin频率偏移孤岛检

44、测法是通过对公共耦合点端电压的频率引入正向反馈，并在正向反馈的加速作用下实现光伏并网逆变输出频率在大电网断开时的加速偏移。这种方法对于无功功率较大的本地负载存在一定的检测盲区，但是其检测盲区较小。对于弱电网而言则会影响光伏发电系统整体的暂态响应。第 16 页3.3.23.3.2 外部孤岛检测法外部孤岛检测法外部孤岛检测法是在大电网侧实现鼓捣检测的方法，通过大电网与光伏并网发电系统中光伏逆变器之间的通信来控制。外部孤岛检测方法实用性强、有较高的检测效率，但需要在大电网上安装相应的配件，这样成本就会提高。因此，这类方法比较适用于大功率光伏并网发电系统的孤岛检测。(1) 电力载波通讯孤岛检测法电力载

45、波通讯孤岛检测法（Power Line Carrier Communication,PLCC）是把电力传输线路作为孤岛检测的通讯管道，如图 3-6 所示，通过大电网侧的发送器 T 发送低能量信号给用户侧公共耦合点的接收器 R，利用这个信号来检测电力线路传输的连续性。当电力线载波通讯丢失后，接收器 R 会命令光伏并网逆变器停止工作，或自行打开开关使光伏并网逆变器和本地负荷及时脱离电网，避免在孤岛状态下继续运行。逆变器负载大电网接收器变压器发送器PCCS1S2图 3-6 电力载波通讯孤岛检测法电路原理图电力载波通讯孤岛检测方法的优点是在正常负载范围内不存在非检测区域，检测可靠性搞，对光伏并网逆变器

46、的输出电能质量无影响，且对光伏并网发电系统的暂态响应也没有负面影响，同时还会提高运行特性。即在任意容量、类型的光伏并网发电系统下都能有效检测孤岛。缺点是主要是成本过高，在检测时，大电网中必须有电力线载波通讯发送器，这种发送器价格昂贵，对于一般工业设备投资效益不合理。(2) SDP 孤岛检测方法SDP 孤岛检测方法（Signal Produced by Disconnect)是监测配电室电网中所有使用光伏并网逆变器与大电网断开自动重合闸和断路器来判断孤岛。该方法也需要大电网与光伏并网逆变控制间通信，但不再采用电力线路作为通信管道，而是在大电网的断路器和重合闸装置中安装信号发送器，当断路器和重合闸

47、装置动作时，则会发出孤岛信号。这种方法的优点是允许大电网对光伏并网逆变器进行控制，使两者相配合。缺点是涉及较为复杂、成本高，且需要通信委员会的安装许可等。若没有信号放大器或中间继电器，光伏并网逆变器很难对传输信号进行接收。(3) SCADA 孤岛检测法第 17 页数据采集与监控控制孤岛检测方法（Supervisory Contory and Data Acquisition）是利用数据采集与监控控制系统将光伏并网发电系统与大电网之间连接断路器的状态传输到光伏并网发电系统中的逆变控制器，当检测到断路器状态异常时，将光伏并网发电系统与大电网断开。和 SDP 孤岛检测方法的有点相同，如果对数据采集与监控控制系统适当安装且通信，这样不会有检测盲区，同时也会提高光伏并网发电系统的经济性。但是其缺点也和 SDP 一样，数据采集与监控控制孤岛检测方法对于多台光伏并网逆变器并联运行下并网发电系统。除了需要很多通信装置，复杂的安装之外，申