光伏并网系统中的孤岛效应仿真研究

1、新能源发电光伏并网系统中的孤岛效应仿真研究陈雷，赵艳军，王艳玲（华北电力大学，河北保定，；河北大学，河北保定，）摘要：光伏并网发电系统除了具有过压、欠压、过频、欠频等常规保护外。还应具有一种特殊的保护功能孤岛保护。被动式孤岛保护常采用过压欠压检测和相位突变检测相结合的方法。两种被动保护相结合能够保护绝大部分孤岛现象。但当系统输出功率和负载匹配时，被动式孤岛检测方法失效。因此，本文采用被动式孤岛检测和主动频率偏移（）相结合的孤岛检测方法，实现了孤岛效应的无肓区检测。关键词：并网；孤岛效应；检测；孤岛保护引言随着光伏并网发电的发展，越来越多的并网发电系统并接到电网上时。就带来了电网保护的新现象孤岛

2、效应。孤岛效应就是当电网由于某种原因中断供电时，光伏并主动式检测方法主动式检测方法主要有主动频率偏移（，）、滑模频率偏移（和输出功率扰动三种常用的方法。对于主动式检测方法，虽然检测盲区较小，但是，均会对并网系统输出电能质量有影响。并且，实现方法比较复杂，并不利于工程实现。并且，单纯的采用一种主动式检测方法并不能完全排除检测盲区的存在。基于上述分析，本文提出一种主被动相结合的检测方法，实现了孤岛效应的无盲区检测。，）网发电系统仍然向周围的负载供电，从而形成卟电力公司无法控制的自给供电的孤岛【。光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果。因此，研究孤岛检测方法及保护措施，消除孤岛产生的危害

3、具有十分重要的现实意义。孤岛效应的危害）当发生孤岛效应时，电网无法控制孤岛中的电压和频率。若电压和频率超出允许的范围，可能会对用户的设备造成损坏。孤岛发生时线路上仍然带电，会对检修人员的人身安全造成威胁，降低了电网的安全性。）若负荷容量大于系统的总容量，系统过载运行，容易将其烧毁。断路器的复位及自动重合闸会使主系统与孤岛失步。因此研究孤岛效应的检测方法和保护措施，将孤岛效应的危害降至最低，具有很重要的理论意义和工程意义。并网标准并网工作时，电网电压正常范围为标准电压的一，当电网电压超出正常范周时，并网系统应该立即检测出并在规定的响应时间脱离电网。具体数据如表所示卯。表光伏并网系统电压异常响应时

4、间电压范围（公共耦合点）最大响应时间（周期）正常运行反孤岛效应常用的方法常用的反孤岛效应的检测方法有被动式孤岛检测和主动式孤岛检测。对于中国交流系统来说，系统正常工作范围是。根据系统功率情况，并网系统频率异常响应被动式检测方法被动式检测方法也称无源检测方法，主要有过压，欠压、过频欠频、相位突变和电压谐波检测三种检测方法。对于被动式检测方法，具有原理简单、容易实现、对电能质量无影响的优点，但单独使用一种被动式孤岛检测方法，检测盲区大。因此，本文采用过压，欠压和相位突变检测相结合的被动式孤岛检测方法。有效的减小了检测盲区。时间分为两类，具体规定如表所示。表并网系统频率异常响应时间分布式系统容量频率

5、范围响应时间（）到可变牵嚣赛等学校遐宠系缓爱萁鑫劝亿专建第二嚣矮学本年会沦文集孤岛效应分析当电潮供电因故障或停电维修而跳脱时，系统未能及时检测出停电状态而将自身切离市电网络，丽形成的由系统翻髑溪受载缰威的鸯绘供毫戆援岛。匿并丽结梅承意图）当继电器闭合时，并网系统正常工作。由于锁相环的作用，系统输出的电流和电嬲电压同频弱褪，因此霹将系统餐作电流源。公共节点的电匿由电阏电压决定。其幅值在到之间。如果负载有功功率大于阵列所提供的功搴，不足处壤电网补充。反之，多余的功率馈入电网。由予系统鹩功率医数为，嬲负载所需的无功功率均由电网提供。）当嘲予某种原陵，继电器敝开时，发生孤岛效应。合闸时，系统向公共浠点

6、输入豹功率为，负载得到的功率为，则电网向公共节点点发出的功率为：（）（）由于系统的功率因数为，因此，系统只向电网发送有功功率，茭，。当蕊岛效应发生爨霹，则孤黼效应发生时，点电压发生变化。此时，可；盂采用过压欠压检测的方法实现孤岛保护。但是，当系统箍窭功率积灸载功率莲聚时，邸簌羝网，点电压也不会发生变化。则，过压欠舔稔测的方法失效，此时，可以采用相位突变的方法检测孤岛效应的发生。）统霹瓣彝电瞬瞧压弱频羁裰酶电流源。（）（）吖叫系统输出电流一魄滚幄值订初相角因此。公共节点点电压完全取决于电网电压。如果电鼷錾电，点邀匿取决谪与受载戆乘积。巍子镂耀瑟瑟系统输出电流的频率和相位的锁捆作用。使得系统的电流

7、和电网电压只在电压过零点同步。若电网断电，系统辕出电流秀榛位不变懿歪弦波。若受载鸯感髅鲻电蓬趣蘩予电流，若负载为容性则电压落后予电流。因此导致电压相位突变。此时，可以通过检测系统电流和电网电压相位差的大小寒羧测孤岛效应酶发生。）如槊负载近似璺阻性并且系统输出功率和负载功率匹配时，这两种被动式孤岛检测方法失效。）要实现孤鹣效应的无肖蔽检测，霹以将这鼹秭被动式孤岛梭灞方法秘童动颓率偏移法穗结合。当澈压欠压检测和相位突燮检测均失效时，采用方法逃褥孤岛检测。对于越测潮，鄂通过瓒飙睦的改变输锺并网电流频率来实现反孤岛效应的功能。此种方法不会增加系统的成本。频率演移有芷编移翻负德移蕊秘方法。本文采用正偏移

8、的方法。具体的实现思想为：系统通过软硬件电路周期性的检测出相邻两次电鼹电压过零点的时刻。量漠出电网的簇率，然后，弓入檄小的偏移量，将抖酢为输出毂流的给定频率。并且，在电网电压每次过零时刻使输出并网电流复位。则，当并网系统歪常运行鲢，负载上电压戆频率鄹隽电网电压羰搴。但是，当孤岛效斑发生时，系统输出电流独自作用在负载上。由予输出并网电流频率的逐周期偏移。就形成了给寇输出并两电漉频率的正及馈。霖使褥受载电压的频率稷抉超过设定的频率阀值，发出孤岛信号，并使系统脱离电网。）由此可见，前两种组含式的被动式孤岛保护方法的检测富逸圭梭溅方法来熬翰。透此霹羧实现无害隰检测。并凰，被动式孤岛检损方法对电能质擞无

9、影响，并且，梭测法对系统成本无影响，综合考虑，该方法合理。）竣溅静漉骥露翔下：设电压上限强值为：电压下限阀值为：耱链舞藿秀：设频率上限阀值为：设电压下限阀德为：图孤岛效应梭测流程图仿真分析在光伏势鼹系统中。发生援菇效应糠，遘压欢嚣秘相新能源发电位突变这两种保护基本实现了孤岛保护。并且，被动式保护失效的情况极为少见，因此，本文只对两种被动式结合的孤岛保护进行了仿真，并对主被动式相结合的保护方法的硬件实现进行了简单描述。按照述方法对两种被动式结合的孤岛检测方法进行了仿真，证明了该种主被动式孤岛检测相结合的方法能够实现孤岛效应的无盲区检测【】。并且，综合考虑了对电能质量的要求，采用被动式检测为主，主

10、动式检测（）为辅的检测方法。仿真波形如下。图电网电压发生孤岛时输出波形图点负载输出电压图系统输出电流波形从仿真结果可见，在最差的情况下，当电网断电时只需要最多个周期（）就能检测出孤岛效应。相对于国家规定的阶周期的标准要小的多。因此，满足孤岛检测的要求。硬件实现方法三相并网逆变器的孤岛检测，可以采用直流检测的方法实现对过电压和欠电压的检测。该检测方法为先将三相交流电进行三相桥式整流，然后滤波。再对整流出来的脉动波形进行峰值判断，当峰值超过规定的最高值和低于最低值时。发生孤岛信号，使电网断电。对于单相并网逆变器的孤岛检测只能通过采用或者单片机先计算采样电压的有效值然后和电压标准进行比较，以实现过欠

11、电压保护。对于相位的检测，可以和锁相环相结合，因为并网逆变器要实现并网必须首先和电网同频同相，就需要个基准相位信号。因此，并网逆变器本身带有锁相环，把相位检测和锁相环结合起来，可以降低系统成本，并且，实现起来比较方便。对于主动频率偏移法的硬件实现，只能通过单片机等软件进行控制，采用软硬件结合的方法来实现。总结本文采用一种被动式和主动式相结合的孤岛效应检测方法，实现了并网孤岛效应的无盲区检测。该种检测方法对电能质量的影响小，检测简单方便，适合工程实现。并且，易于硬件电路的搭建，系统发生故障几率小。可以作为工程应用的参考。、参考文献【】（）】【】阻，脚甜】，（）：【】，叨，（）：【】，【】，（）；

12、【】郑诗程，丁明等光伏发电系统及其孤岛效应的仿真与实验研究系统仿真学报，【】赵为太阳能光伏并网发电系统的研究】合肥：合肥工业大学，作者简介陈雷（），男，汉族，河北保定，华北电力大学电力电子与电力传动专业在读硕士。主要研究方向：电源技术应用，光伏技术应用。电子邮箱：赵艳军（），男，汉族，河北保定，华北电力大学电机与电器专业硕士研究生主要从事大型汽轮发电机在线监测与故障诊断技术研究。光伏并网系统中的孤岛效应仿真研究作者：作者单位：陈雷， 赵艳军， 王艳玲陈雷,赵艳军(华北电力大学,河北保定,071003)， 王艳玲(河北大学,河北保定,071000)相似文献(10条)1.学位论文 卢婷 太阳能发电

13、并网系统的研究 2008由于世界能源危机的日益严重和全球环境的不断恶化，大规模开发清洁可再生能源成为当前能源战略的主要方向。太阳能作为当前世界上最清洁、最现实、最有大规模开发利用前景的可再生能源之一，得到了各界的广泛关注。在太阳能的利用中，光伏发电并网又是其主要发展方向之一。由于光伏产业界目前还没有统一的标准，又因为功率等级及应用场合的不同，使各种拓扑结构的光伏并网变流器都得以尝试使用。本文就是在此背景下，对当前使用的各类光伏并网变流器的拓扑结构和控制方法进行比较，并结合光伏并网系统实际应用中暴露的主要缺陷，从适应光伏阵列输出特性和提高系统整体的可靠性两方面入手，提出Z-source变换器结合

14、PWM整流器的拓扑结构。文章首先介绍了光伏并网系统中并网变流器的三种隔离回路方式，及应用于小功率和中大功率场合的不同主电路拓扑结构及控制策略，比较其优缺点，提出了Z-source变换器结合PWM整流组成的光伏发电系统。这种拓扑结构可以减小系统中电解电容的体积容量，并解决由太阳能电池板输出电压大范围变化所带来一系列问题，同时可以在一定程度上改善系统的可靠性问题。其次，文中分析介绍了Z-source变换器的工作原理，对比了三种升压控制的实现方式和性能差异，并简述了逆变器的三种SPWM电流控制策略及其优缺点。最后，结合整体系统需要，将Z-source变换器的升压控制与PWM整流器的并网控制融合，提出

15、完成逆变并网功能和最大功率点跟踪的控制思想。根据上述分析和研究，选定整体光伏系统的硬件结构和控制方案。详细阐述了系统硬件部分的设计计算，提供了系统主电路结构、参数计算、元件选型和控制电路的设计的详细说明，并完成了主电路硬件的制作。根据空间状态方程法对光伏发电系统进行仿真建模，仿真模型包括主电路拓扑及各控制子模块，文中简要说明各控制模块的功能，给出仿真结果并进行分析。验证该系统可以较好的实现本文提出的控制方案所应完成的各项功能，系统工作稳定可靠，性能良好。2.会议论文 陶晓峰.吴红斌 三相光伏并网发电系统的动态仿真 2008光伏并网发电系统是光伏系统发展的趋势，研究太阳能光伏并网对电力系统动态特

16、性具有十分重要的意义。本文基于光伏模块直流物理模型，利用matlab/simulink，建立了光伏并网的动态仿真模型，实现了并网电流的正弦化和单位功率因数，分析了当影响光伏阵列输出功率的因素(日照强度、环境温度)改变时，光伏并网的动态特性。3.学位论文 陈宁 光伏并网变流器关键技术研究 2009随着化石能源的日益枯竭，环境污染的日益严重，新能源的使用受到越来越多的关注。太阳能凭借其多方面的优点，在新能源的开发利用中脱颖而出。太阳能的应用方法有多种，其中利用太阳能发电成为目前主要的应用方式。本文介绍了一种双极式光伏并网发电系统。该系统前级采用Boost电路，后级采用PWM整流器，实现单位功率因数

17、并网。文章中重点介绍了该系统的关键技术，包括Boost电路的设计和控制，PWM整流器的设计和控制，太阳能电池板的最大功率点跟踪以及光伏系统的反孤岛效应技术。PWM整流器的控制采用了SVPWM算法，实现了网侧电流的正弦控制。最大功率点跟踪方法介绍了恒定电压法、爬山法、导纳增量法等。孤岛检测技术分为被动检测和主动检测，目前主要采用的是主动检测技术。这些控制算法都是基于TMS320F2812型DSP，利用C语言编程实现的。最终通过实验，验证了设计的可行性。4.学位论文 黄先伟 三相光伏并网控制系统的研究 2009太阳能是当前世界上最清洁、最现实、最具有大规模开发前景的可再生能源之一。太阳能光伏发电作

18、为可再生能源的重要组成部分在未来将成为能源供应的重要组成部分。加速开发利用以太阳能为主体的可再生能源已成为人们的共识。其中光伏并网发电是大规模利用太阳能的重要形式，也是光伏发电的发展方向。但光伏并网系统的低效率、低稳定性，仍然是制约光伏并网应用的一个主要因素。因此国内外众多学者致力于有关提高光伏并网系统效率和稳定性的研究。光伏电池的电气特性曲线具有强非线性特征，存在唯一的功率极值点（最大功率点），并且受环境条件（主要是入射光强和环境温度）影响较大。为了更好地发挥光伏阵列的工作效率，在外部环境发生变化时，对光伏阵列进行合理控制，可提高光伏阵列的输出功率。一般采用直流变换器改变光伏阵列的工作点，本

19、文采用了三重Boost电路，该电路具有转换效率高、容量大、可靠性高和纹波低的优点。针对光伏电池电气特性曲线的非线性特点，本文采用了基于玻尔兹曼函数的自适应最大功率点跟踪算法，来实现光伏阵列最大功率点的快速搜索。通过仿真和实验，证明了基于三重Boost电路和玻尔兹曼函数自适应算法的光伏最大功率点跟踪系统是可行的。最大功率点跟踪系统的电能输出为直流电，逆变成交流电才能并入电网。并网系统采用了三相桥式逆变器，该逆变器具有容量大、稳态输出电能无脉动的优点，本系统逆变器采用电压源电流控制方式，这种控制方式具有动态特性好、并网无环流的优点。电流环是并网的关键，它的稳定性十分重要。为了提高电流环的稳定性，本

20、文基于dq坐标采用无源性来实现对电流的控制。由于光伏阵列受环境影响大，直流侧电压不是严格的电压源，会有波动，必须对直流侧电压进行控制，所以本文并网系统采用了双闭环（内环为基于无源性及dq坐标的电流控制，外环为传统PI电压控制）的并网控制策略。通过仿真和实验，证明了该并网系统是可行的。本课题在对光伏电池、电力电子技术和控制技术深入研究基础上，提出了基于无源性及dq坐标的并网电流控制策略，实现了一个两级式（最大功率点跟踪、并网两级）三相光伏并网控制系统。5.学位论文 蒋立 基于Z源的单相光伏并网系统研究 2009随着社会的飞速发展以及日新月异的工业化进程，对绿色可再生能源应用技术的研究也提升到了一

21、个相对高的层次。其中，光伏发电系统在未来20到30年内将会成为人类大规模利用太阳能的主要手段。目前对于光伏技术的研究主要集中在以下两方面。其一为对于光伏电池板材料、制造工艺、物理特性的研究；其二体现在对光伏系统发出的电能进行控制、变换和调节以满足不同用电设备的需求，甚至将电能以一定形式注入电网作为电力系统或者分布式发电系统的能量补充。后者成为电力电子技术在光伏发电系统中应用的主题。而该主题的核心为光伏并网逆变器的设计与控制。本文针对基于Z源的光伏并网逆变器一些问题提出了改进方案，构造了单相并网系统实验平台，还提出了一种基于单周控制的光伏逆变系统的控制方法。第一章阐述了本课题研究的背景和现实意义

22、，就国内外的光伏并网发电系统的技术现状进行了详细的介绍，并提出了本论文的主要研究内容。第二章提出了一系列改进拓扑以解决Z源逆变器开关器件电流应力高的问题。首先细致分析了传统结构的Z源逆变器产生高电流应力的原因，之后就可行的几种改进方案进行了理论分析和仿真验证。另外，指出为了将Z源升压能力最大化必须注重对Z源电感磁芯材料的选取，通过理论和仿真分析对该问题进行了阐述。第三章接着介绍基于传统Z源逆变器的单相光伏并网逆变系统的软硬件设计。首先给出了功率主电路硬件设计，包括Z源电容电感，逆变桥及其缓冲电路；然后介绍了与控制系统相关的硬件电路设计，包括采样电路，硬件锁相电路，IPM信号调理电路。在介绍了控

23、制系统三环PI调节原理后，对软件设计流程进行了说明，最后给出了仿真与实验结果。第四章提出了一种新颖的基于单周控制的Z源光伏发电系统。首先阐述了单周控制方法的一般思想，然后结合三相无中线并网逆变系统给出了单周控制结构模型。为了说明该模型的可行性，从最基本的电压与电流的关系出发，分析了控制系统运行时各个物理量的变化过程，最后通过仿真分析进行了验证第五章展望了前几章未涉及但应进一步开展的工作，提供了两种新颖电路拓扑结构，旨在吸取其思想为日后工作服务。6.会议论文 蒋立.郑建勇 基于Z源的光伏并网控制策略研究 2008Z源逆变器与单周控制都是近年来发展的新技术。前者带来了良好的升压性能，后者为非线性控

24、制，结构简单，响应迅速。随着光伏能源发电受到越来越多的关注与青睐，并网逆变器作为其核心模块，不论在硬件设计上还是在控制策略的开发上，都对研究者提出了更新更高的要求。本文基于以上技术与问题，把Z源逆变器与单周控制策略结合起来，应用于光伏并网逆变系统，提出了控制模型，并且细致分析了其可行性，利用MATLAB/SIMULINK软件对逆变系统进行了仿真研究。分析了三相光伏并网系统的主电路结构,提出了一种电流滞环跟踪控制的三相光伏并网系统.该系统具有稳定性好、电流跟踪性能好,响应快、不需要载波,能够实现功率因素为1的并网电流输出.在MATLAB环境下,开发了三相并网系统仿真模型,仿真结果验证了所提出控制方案的正确性.8.学位论文 赵为 太阳能光伏并网发电系统的研究 20039.期刊论文 徐进.XU Jin 光伏并网逆变器无差拍控制系统的研究 -水电能源科学2008,26(2)10.学位论文 刘伟 单相光伏并网逆变数字控制策略研究与实现 2007能源危机和环境污染加速了人类对可再生能源利