分布式发电孤岛ppt课件

1、第第4章章 分布式发电系统孤岛检测分布式发电系统孤岛检测4.1反孤岛保护的基本原理反孤岛保护的基本原理 離岸風力發電離岸風力發電加值服務加值服務波浪發電波浪發電預測情報預測情報微型電力網微型電力網高壓儲氫系統高壓儲氫系統產氫與加氫站產氫與加氫站電力需求管理中心電力需求管理中心燃料電池燃料電池小水力小水力海洋溫差發電海洋溫差發電太陽能發電廠太陽能發電廠超導儲能系統超導儲能系統儲熱系統儲熱系統微型儲能系統微型儲能系統太陽光發電太陽光發電電力與地面電力與地面資訊傳輸資訊傳輸低污染電廠低污染電廠變電所變電所水力發電水力發電區域性熱電共生區域性熱電共生高壓直流導線高壓直流導線太陽熱水器太陽熱水器控制通訊

2、控制通訊 当一部分配电系统从电力系统中隔离开来，但仍继续由分布当一部分配电系统从电力系统中隔离开来，但仍继续由分布式发电设备供电时，则形成了孤岛。式发电设备供电时，则形成了孤岛。 反孤岛的能力是指分布式发电设备探测其是否处于孤岛运行反孤岛的能力是指分布式发电设备探测其是否处于孤岛运行状态并及时地从孤岛系统中断开连接的能力。状态并及时地从孤岛系统中断开连接的能力。 若不能有效地将处于孤岛状若不能有效地将处于孤岛状态的分布式发电设备从系统态的分布式发电设备从系统中解列，则有可能导致发电中解列，则有可能导致发电设备和负荷出现问题。设备和负荷出现问题。FC燃煤燃煤核能核能水力水力燃氣燃氣WIND適合的

3、管理適合的管理與保護設備與保護設備PV適合的管理適合的管理與保護設備與保護設備風力電廠風力電廠CHPPV4.1.1、分布式发电系统孤岛的形成、分布式发电系统孤岛的形成孤岛是一个没孤岛是一个没有调节控制的有调节控制的电力系统，由电力系统，由于发电和供电于发电和供电之间的不平衡之间的不平衡且孤岛电网中且孤岛电网中可能没有电压、可能没有电压、频率控制，其频率控制，其特性是不可预特性是不可预知的。知的。 由于电力系统不再控制孤岛系统中的电压和频率，如果孤由于电力系统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调节，没有岛系统中的分布式发电机不能提供电压和频率调节，没有

4、限制电压和频率偏移的继电保护，则用户得到的电压和频限制电压和频率偏移的继电保护，则用户得到的电压和频率将波动很大，将可能引起用户设备的损坏。率将波动很大，将可能引起用户设备的损坏。 当一条线路本应该没有电而由孤岛中的分布式发电机供电当一条线路本应该没有电而由孤岛中的分布式发电机供电时，将使线路维修的工作人员或其他人员有触电的危险。时，将使线路维修的工作人员或其他人员有触电的危险。 当孤岛系统重新与电力系统并列运行时，有可能损坏孤岛当孤岛系统重新与电力系统并列运行时，有可能损坏孤岛系统中的分布式发电设备，这是因为并列时分布式发电机系统中的分布式发电设备，这是因为并列时分布式发电机可能与系统不同步

5、，并列时的电压相位差将对发电机产生可能与系统不同步，并列时的电压相位差将对发电机产生非常大的冲击电流，另外也可能导致系统的重新解列。非常大的冲击电流，另外也可能导致系统的重新解列。 孤岛可能干扰邻近用户正常服务的手动或自动恢复。孤岛可能干扰邻近用户正常服务的手动或自动恢复。孤岛的危害孤岛的危害 目前电力系统对孤岛目前电力系统对孤岛的处理是立即停止所的处理是立即停止所有分布式发电机的运有分布式发电机的运行，使得整个线路都行，使得整个线路都处于无电状态，防止处于无电状态，防止可能对设备造成的损可能对设备造成的损害，消除潜在的安全害，消除潜在的安全隐患。隐患。处理方式处理方式 4.1.2 孤岛的检测

6、孤岛的检测 当孤岛形成后，应能立即检测出来，要成功地探测到孤岛，当孤岛形成后，应能立即检测出来，要成功地探测到孤岛，基本需要为：基本需要为： 孤岛检测方案应能对任何可能的孤岛都有效。孤岛检测方案应能对任何可能的孤岛都有效。 孤岛的检测应在允许的时间内完成。孤岛的检测应在允许的时间内完成。 应考虑分布式发电机的特点，几乎所有的分布式发电机都能应考虑分布式发电机的特点，几乎所有的分布式发电机都能归纳为下述三种类型：归纳为下述三种类型： 同步发电机：这种类型的分布式发电机一般连接在主干母线上，其容同步发电机：这种类型的分布式发电机一般连接在主干母线上，其容量可达量可达30MW。 感应式发电机：该类型

7、的分布式发电设备一般连接在主母线上，其容感应式发电机：该类型的分布式发电设备一般连接在主母线上，其容量一般也较大，在量一般也较大，在1020MW左右。左右。 基于逆变器的发电设备：该类型的分布式发电设备一般连接在二次母基于逆变器的发电设备：该类型的分布式发电设备一般连接在二次母线上，这主要是因为其容量相对比较小，一般在数百瓦到线上，这主要是因为其容量相对比较小，一般在数百瓦到1MW。 根据目前提出的分布式发电系统孤岛检测的工作原理，可将根据目前提出的分布式发电系统孤岛检测的工作原理，可将孤岛检测分为两种类型，即远程检测方法和本地检测方法。孤岛检测分为两种类型，即远程检测方法和本地检测方法。 本

8、地检测方法取决于分布式发电系统一侧电压和电流信号，本地检测方法取决于分布式发电系统一侧电压和电流信号，如果检测到的信号超过一定阈值，则可检测孤岛运行状态。如果检测到的信号超过一定阈值，则可检测孤岛运行状态。 本地检测方法也可分为两种类型：本地检测方法也可分为两种类型： 无源的检测方法：该方法主要是基于所测量的电压和电流无源的检测方法：该方法主要是基于所测量的电压和电流信号在孤岛发生后的参数变化是否超过给定的阈值来判断信号在孤岛发生后的参数变化是否超过给定的阈值来判断孤岛是否产生。孤岛是否产生。 有源检测方法：该方法对系统加入扰动信号，然后根据检有源检测方法：该方法对系统加入扰动信号，然后根据检

9、测到的系统响应来判断孤岛是否发生。测到的系统响应来判断孤岛是否发生。 本地检测方法取决于分布式发电系统一侧电压和电流信号，本地检测方法取决于分布式发电系统一侧电压和电流信号，如果检测到的信号超过一定阈值，则可检测孤岛运行状态。如果检测到的信号超过一定阈值，则可检测孤岛运行状态。 本地检测方法也可分为两种类型：本地检测方法也可分为两种类型： 无源的检测方法：该方法主要是基于所测量的电压和电流无源的检测方法：该方法主要是基于所测量的电压和电流信号在孤岛发生后的参数变化是否超过给定的阈值来判断信号在孤岛发生后的参数变化是否超过给定的阈值来判断孤岛是否产生。孤岛是否产生。 有源检测方法：该方法对系统加

10、入扰动信号，然后根据检有源检测方法：该方法对系统加入扰动信号，然后根据检测到的系统响应来判断孤岛是否发生。测到的系统响应来判断孤岛是否发生。 4.1.3 非检测区和孤岛危害分析非检测区和孤岛危害分析 上述所有孤岛检测方法都存在某些局限性，如：投资费用高上述所有孤岛检测方法都存在某些局限性，如：投资费用高;需要分布式发电系统和电力系统之间的相互配合需要分布式发电系统和电力系统之间的相互配合;误动作误动作;在在某些情况下可能存在非检测区以及对电力系统供电质量、电某些情况下可能存在非检测区以及对电力系统供电质量、电压和频率稳定性的影响等。压和频率稳定性的影响等。 本地检测方法的主要缺点是存在非检测区

11、本地检测方法的主要缺点是存在非检测区(Non-Detection Zone，NDZ)，某些方法的，某些方法的NDZ很小，可以忽略，但其他方很小，可以忽略，但其他方法的法的NDZ可能非常大。可能非常大。 基于频率的孤岛检测方法常用于同步发电机中，下面采用此基于频率的孤岛检测方法常用于同步发电机中，下面采用此方法来说明方法来说明NDZ的大小造成的影响。的大小造成的影响。 基于频率的反孤岛方法通过测量本地频率的变化来判断孤基于频率的反孤岛方法通过测量本地频率的变化来判断孤岛是否发生。岛是否发生。 在孤岛系统中，母线频率随着负荷与发电机的功率是否匹在孤岛系统中，母线频率随着负荷与发电机的功率是否匹配而

12、变化，发电机输出功率过大将使频率增高，反之，将配而变化，发电机输出功率过大将使频率增高，反之，将使频率降低。使频率降低。 如果在孤岛中存在较大的功率失衡，基于频率的孤岛检测方法可快速地检测到如果在孤岛中存在较大的功率失衡，基于频率的孤岛检测方法可快速地检测到孤岛的发生；孤岛的发生； 如果功率失衡较小，则需要较长的时间检测到孤岛。如果功率失衡较小，则需要较长的时间检测到孤岛。 在最坏的情况下，即孤岛系统中发电机和负荷的功率非常在最坏的情况下，即孤岛系统中发电机和负荷的功率非常接近时，此方法可能在允许的时间内检测不到孤岛状态。接近时，此方法可能在允许的时间内检测不到孤岛状态。 孤岛中发电机和负荷功

13、率的失配决定了孤岛中发电机和负荷功率的失配决定了NDZ。 孤岛中显著地影响能量失配程度的因素有两个：第一个因素孤岛中显著地影响能量失配程度的因素有两个：第一个因素是线路日负荷曲线的变化。依据运行特征的不同，线路负荷是线路日负荷曲线的变化。依据运行特征的不同，线路负荷会在平均日负荷的上下有会在平均日负荷的上下有20%动摇；第二个因素是分布式动摇；第二个因素是分布式发电系统中可能形成不同的孤岛，每个孤岛的负荷大小都不发电系统中可能形成不同的孤岛，每个孤岛的负荷大小都不相同。相同。 基于逆变器的基于逆变器的分布式发电系分布式发电系统，其孤岛形统，其孤岛形成的可能性和成的可能性和与孤岛的形成与孤岛的形

14、成相关的危险比相关的危险比基于同步发电基于同步发电机的分布式发机的分布式发电系统的要小。电系统的要小。 与孤岛相关的人员安全危害故障树与孤岛相关的人员安全危害故障树4.2 远程孤岛检测远程孤岛检测 在孤岛形成后，远程孤岛检测方法是依靠无线电通信来进行在孤岛形成后，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机的类型无关。电机的类型无关。 4.2.1传输断路器跳闸信号传输断路器跳闸信号 重合闸的状态，当重合闸的状态，当一个开关操作产生一个开关操作产生了到变电站的断路了到变电站的断路时，中央算法可确

15、时，中央算法可确定孤岛的范围，然定孤岛的范围，然后给分布式发电机后给分布式发电机的断路器发出跳闸的断路器发出跳闸信号。信号。 如果系统中有很多自动重合闸并且配电线路的如果系统中有很多自动重合闸并且配电线路的拓扑结构发生变化，则传输断路器跳闸信号的拓扑结构发生变化，则传输断路器跳闸信号的孤岛检测方法将很复杂。孤岛检测方法将很复杂。 传输断路器跳闸信号的孤岛检测方法需要大量的传输断路器跳闸信号的孤岛检测方法需要大量的通信支持。通信支持。 该方法最大的缺点是费用该方法最大的缺点是费用较高以及潜在的复杂性。较高以及潜在的复杂性。4.2.2 电力线路载波通信电力线路载波通信 电力线路载波通信的孤岛检测采

16、用输电线传输信号。电力线路载波通信的孤岛检测采用输电线传输信号。 该方法主要优点是只采用该方法主要优点是只采用一个信号发生器，而且信一个信号发生器，而且信号接收器只是检测信号的号接收器只是检测信号的连续性，因此非常可靠。连续性，因此非常可靠。另外不必考虑配电网络的另外不必考虑配电网络的拓扑结构的变化，因此很拓扑结构的变化，因此很容易实现。容易实现。 该方法有两个主要缺点：第一个是信号发生器的费用，这是该方法有两个主要缺点：第一个是信号发生器的费用，这是一个中压装置，需要有一个降压变压器来连接并且必须安装一个中压装置，需要有一个降压变压器来连接并且必须安装在变电站中。第二个缺点是信号发生器发出的

17、孤岛检测信号在变电站中。第二个缺点是信号发生器发出的孤岛检测信号有可能干扰其他电力线路载波通信设备的信号。有可能干扰其他电力线路载波通信设备的信号。4.3 4.3 分布式同步发电机孤岛的本地检测分布式同步发电机孤岛的本地检测 4.3.1 基于频率的无源孤岛检测方法基于频率的无源孤岛检测方法1) 工作原理工作原理 有三种基于频率的继电器可用于检测分布式发电系统的孤岛，有三种基于频率的继电器可用于检测分布式发电系统的孤岛，分别为频率继电器分别为频率继电器(OFR/UFR)、频率变化率继电器和相位突、频率变化率继电器和相位突变继电器。变继电器。 频率继电器测量分布式发电机端电压波形频率，根据测量频率

18、继电器测量分布式发电机端电压波形频率，根据测量的频率是否高于或低于频率阈值来判断孤岛是否形成。的频率是否高于或低于频率阈值来判断孤岛是否形成。 频率变化率继电器测量发电设备的频率变化速率。当测量频率变化率继电器测量发电设备的频率变化速率。当测量的频率变化速率超过设定阈值时停止分布式发电机向系统的频率变化速率超过设定阈值时停止分布式发电机向系统供电。供电。 相位突变继电器检测发电机端电压波形与参考电压波形相位突变继电器检测发电机端电压波形与参考电压波形之间的相位角偏移。之间的相位角偏移。2.)性能特点性能特点 当在孤岛中存在较大的功率不平衡时，将引起孤岛中频率的当在孤岛中存在较大的功率不平衡时，

19、将引起孤岛中频率的快速变化，从而减小了检测孤岛的时间。快速变化，从而减小了检测孤岛的时间。 评价基于频率的反孤岛继电器性能的方法是掌握跳闸评价基于频率的反孤岛继电器性能的方法是掌握跳闸(或检测或检测)时间和功率不平衡之间的关系。时间和功率不平衡之间的关系。 对于基于频率的继电器孤岛检测方法，影响其性能的方面主对于基于频率的继电器孤岛检测方法，影响其性能的方面主要有分布式发电机的惯性、母线上随电压和频率变化的负荷要有分布式发电机的惯性、母线上随电压和频率变化的负荷以及同步发电机的励磁控制。以及同步发电机的励磁控制。频率变化率继电器频率变化率继电器(整定值：整定值：1.2Hz/s) 相位突变继电器

20、相位突变继电器(整定值：整定值：10) 相位突变继电器检测孤岛时间可用下式估算：相位突变继电器检测孤岛时间可用下式估算：22220KDKtKKKD2202202242HPKk2/1 . 0110 负荷随电压变化的参负荷随电压变化的参数数k由下式定义：由下式定义： kUUPP00 如果孤岛中有多个分布式发电机，基于频率的继电器可如果孤岛中有多个分布式发电机，基于频率的继电器可能相互干扰。能相互干扰。 基于频率的继电器的最大缺点是非检测区大，如果孤岛中基于频率的继电器的最大缺点是非检测区大，如果孤岛中的负荷功率缺额低于的负荷功率缺额低于10%30%，继电器就不能提供有效的，继电器就不能提供有效的反

21、孤岛保护。反孤岛保护。 4.3.2 其他无源孤岛检测方法其他无源孤岛检测方法 系统中过剩无功功率将使系统电压升高，无功不足将使电压系统中过剩无功功率将使系统电压升高，无功不足将使电压下降。通过电压变化或变化率，就有可能检测到孤岛状态。下降。通过电压变化或变化率，就有可能检测到孤岛状态。 有功功率输出变化：这种方法监测分布式发电机输出的有功有功功率输出变化：这种方法监测分布式发电机输出的有功功率，由于有功功率变化直接导致系统频率变化，因此该方功率，由于有功功率变化直接导致系统频率变化，因此该方法的性能和基于频率的继电器相似。法的性能和基于频率的继电器相似。 孤岛中，电压变化比频率变化快很多，因为

22、电压变化和机孤岛中，电压变化比频率变化快很多，因为电压变化和机械惯量无关，所以电压继电器能够迅速动作。械惯量无关，所以电压继电器能够迅速动作。 无功功率输出的变化：该方法监视分布式发电机输出无功功无功功率输出的变化：该方法监视分布式发电机输出无功功率的变化，它的性能可能比电压继电器的好，这是因为在分率的变化，它的性能可能比电压继电器的好，这是因为在分布式发电低渗透的配电网中，要得到可探测的电压的变化，布式发电低渗透的配电网中，要得到可探测的电压的变化，系统中无功功率变化必须很大。系统中无功功率变化必须很大。 功率因数功率因数(P/Q)和和(df/dP)：发电机的有功功率和无功功率的变：发电机的

23、有功功率和无功功率的变化都将影响功率因数。化都将影响功率因数。 4.2.3 有源孤岛检测方法有源孤岛检测方法 有源孤岛检测方法是将干扰信号注入到供电系统，并测量本有源孤岛检测方法是将干扰信号注入到供电系统，并测量本地系统的响应来检测孤岛是否形成。地系统的响应来检测孤岛是否形成。1)有源阻抗测量孤岛检测有源阻抗测量孤岛检测 有源阻抗测量孤岛检测是将干扰信号注入到系统中，通过测有源阻抗测量孤岛检测是将干扰信号注入到系统中，通过测量由干扰信号产生的响应来测量系统阻抗。量由干扰信号产生的响应来测量系统阻抗。 如果分布式发电系统与大电网相连，分布式发电机端的等效如果分布式发电系统与大电网相连，分布式发电

24、机端的等效系统阻抗将很小，反之如果分布式发电系统形成孤岛，则等系统阻抗将很小，反之如果分布式发电系统形成孤岛，则等效阻抗将很大。效阻抗将很大。 该方法的突出优点是孤岛中的功率该方法的突出优点是孤岛中的功率不平衡大小不会影响它的性能，主不平衡大小不会影响它的性能，主要缺点是系统有多个分布式发电机要缺点是系统有多个分布式发电机时，注入的各扰信号之间将互相冲时，注入的各扰信号之间将互相冲突，因此很难获得相当精确的测量突，因此很难获得相当精确的测量 阻抗。另外，某些负荷的频率响应可能正好将干扰信号滤除阻抗。另外，某些负荷的频率响应可能正好将干扰信号滤除掉，不能产生相应的电压和电流响应。掉，不能产生相应

25、的电压和电流响应。 2)改变发电机端电压的孤岛检测方法改变发电机端电压的孤岛检测方法 使分布式发电系统的自动电压调整器设置小的电压变化并且使分布式发电系统的自动电压调整器设置小的电压变化并且监视发电机无功功率输出值变化来检测孤岛。该方法比直接监视发电机无功功率输出值变化来检测孤岛。该方法比直接测量阻抗更实用，它的实现只需改变发电机的励磁系统。测量阻抗更实用，它的实现只需改变发电机的励磁系统。 当分布式发电机并网运行时，如果感当分布式发电机并网运行时，如果感应电动势应电动势E0增加，则发电机输出的无增加，则发电机输出的无功功率将增加。功功率将增加。 当分布式发电机处于孤岛状态时，由于负荷的无功功

26、率不变，当分布式发电机处于孤岛状态时，由于负荷的无功功率不变，分布式发电机发出的无功功率为常数，因此随着感应电动势分布式发电机发出的无功功率为常数，因此随着感应电动势E0的增加系统电压的增加系统电压Ut将增加。将增加。 sinTt0XUEP t0TtcosUEXUQ4.4 4.4 基于逆变器的本地孤岛检测方法基于逆变器的本地孤岛检测方法 基于逆变器接口的分布式发电系统按照电力系统的标准其输基于逆变器接口的分布式发电系统按照电力系统的标准其输出功率相对较小，为出功率相对较小，为1kW几几MW，另外，它们通常采用不可，另外，它们通常采用不可调的能源，如光伏电池阵列，因此这些电源的安装费用不高，调的

27、能源，如光伏电池阵列，因此这些电源的安装费用不高，一般不和电力系统的控制系统通信。一般不和电力系统的控制系统通信。 基于逆变器接基于逆变器接口的分布式发口的分布式发电系统的孤岛电系统的孤岛检测和保护方检测和保护方法主要采用本法主要采用本地检测技术而地检测技术而不是远程检测不是远程检测技术。技术。4.4.1逆变器拓扑结构和控制结构对孤岛危害和保护技术的影响逆变器拓扑结构和控制结构对孤岛危害和保护技术的影响1)逆变器的工作原理逆变器的工作原理2逆变器分类逆变器分类3线路换向逆变器线路换向逆变器 线路线路(或负荷或负荷)换向逆变器使用半导体晶闸管等开关器件，这换向逆变器使用半导体晶闸管等开关器件，这

28、些器件可用控制信号开通，但需要一个外部电路或电源，使些器件可用控制信号开通，但需要一个外部电路或电源，使电路中电流降到零来进行关闭。电路中电流降到零来进行关闭。 在线路换向逆变器中，配电网作为电源来关闭开关器件。在线路换向逆变器中，配电网作为电源来关闭开关器件。 线路换向逆变器能通过孤岛中外部容性电抗换向，或被孤岛线路换向逆变器能通过孤岛中外部容性电抗换向，或被孤岛中其他分布式发电机换向，因而逆变器将继续运行。中其他分布式发电机换向，因而逆变器将继续运行。4自换向逆变器自换向逆变器 自换向逆变器采用既能实现导通控制也能实现关断控制的开自换向逆变器采用既能实现导通控制也能实现关断控制的开关器件，

29、如关器件，如IGBT和和MOSFET。 根据直流输入端直流到交流的连接方式，自换向逆变器拓扑根据直流输入端直流到交流的连接方式，自换向逆变器拓扑可分为电流源逆变器可分为电流源逆变器(CSI)和电压源逆变器和电压源逆变器(VSI)。 电流源逆变器有一个称为可控电流源的直流母线。通常直电流源逆变器有一个称为可控电流源的直流母线。通常直流母线采用大的串联电感来维持母线上的电流不变。流母线采用大的串联电感来维持母线上的电流不变。 电压源逆变器有一个称为可控电压源的直流母线。通常直电压源逆变器有一个称为可控电压源的直流母线。通常直流母线使用大的并联电容来维持直流母线的电压恒定。流母线使用大的并联电容来维

30、持直流母线的电压恒定。 由于逆变器的输出连接到恒定电压源特性的配电网，因此对由于逆变器的输出连接到恒定电压源特性的配电网，因此对于分布式电源逆变器接口，选择电流源拓扑结构。将电流源于分布式电源逆变器接口，选择电流源拓扑结构。将电流源直接与电压源连接比两个电压源直接连接较易控制潮流。直接与电压源连接比两个电压源直接连接较易控制潮流。 目前电压源逆变器接口通常比电流源接口更普遍，这是因为目前电压源逆变器接口通常比电流源接口更普遍，这是因为如如IGBT和和MOSFET这些开关器件更容易满足电压源逆变器这些开关器件更容易满足电压源逆变器的需要，也因为分布式电源更像电压源而不像电流源。的需要，也因为分布

31、式电源更像电压源而不像电流源。 5逆变器控制结构逆变器控制结构 逆变器控制器测量端电压逆变器控制器测量端电压Uo和输出电流和输出电流Io，再加上可从内部，再加上可从内部计算或从外部电源得到的输出功率设定信号，控制逆变器的计算或从外部电源得到的输出功率设定信号，控制逆变器的输出电流、有功和无功功率。输出电流、有功和无功功率。 电流控制：在电流控制的逆变器中，受控变量是输出电流。电流控制：在电流控制的逆变器中，受控变量是输出电流。反馈环为输出电流反馈环为输出电流Io，逆变器输出，逆变器输出Uac根据测量的输出电流根据测量的输出电流和参考电流控制值之间的误差来调整。和参考电流控制值之间的误差来调整。

32、 将输出端电压将输出端电压Uo作为电流波形参考，对孤岛检测很有利，作为电流波形参考，对孤岛检测很有利，因为它产生正反馈，使孤岛状态不稳定。因为它产生正反馈，使孤岛状态不稳定。 功率角控制：在逆变器的功率角控制中，逆变器通过电感功率角控制：在逆变器的功率角控制中，逆变器通过电感Lo的功率为控制量。的功率为控制量。oacooooac,sinUULUQLUUP Lo一般很小，功率角一般很小，功率角即使在输出额定功率即使在输出额定功率时也很小，因此时也很小，因此cos接近于接近于1。 电流控制和相角控制的逆变器都没有独立的内部频率和输电流控制和相角控制的逆变器都没有独立的内部频率和输出电压控制，它们跟

33、随输出端测量得到的频率和电压变化，出电压控制，它们跟随输出端测量得到的频率和电压变化，并且控制输出电流或功率。并且控制输出电流或功率。 如果孤岛出现且逆变器的输出功率和本如果孤岛出现且逆变器的输出功率和本地负荷之间功率不平衡时，输出频率和地负荷之间功率不平衡时，输出频率和/或电压将快速变化。或电压将快速变化。 LL2oL2o1,CLUQRUP 如果逆变器和负荷之间存在有功功率不如果逆变器和负荷之间存在有功功率不平衡，必须改变逆变器输出电压来获得平衡，必须改变逆变器输出电压来获得新的平衡。如果有功功率相等，但是无新的平衡。如果有功功率相等，但是无功功率不平衡，必须改变频率得到新的功功率不平衡，必

34、须改变频率得到新的平衡。平衡。 由于逆变器为达到控制目的测量输出电压和频率，因此很由于逆变器为达到控制目的测量输出电压和频率，因此很容易采用无源的方法检测孤岛，如检查逆变器的电压或频容易采用无源的方法检测孤岛，如检查逆变器的电压或频率是否偏移额定电压或频率来检测孤岛是否发生。率是否偏移额定电压或频率来检测孤岛是否发生。 非检测区的大小取决于电压和频率的窗口的大小和逆变器非检测区的大小取决于电压和频率的窗口的大小和逆变器控制器的设计。控制器的设计。 电流控制拓扑结构的逆变器非检测区很小，逆变器运行在电流控制拓扑结构的逆变器非检测区很小，逆变器运行在单位功率因数下，其输出电流跟随输出电压的变化，这

35、两单位功率因数下，其输出电流跟随输出电压的变化，这两个因素都是不稳定的，因此即使负荷的匹配相当好，孤岛个因素都是不稳定的，因此即使负荷的匹配相当好，孤岛发生时将使电压或频率产生大的偏移。发生时将使电压或频率产生大的偏移。多模式控制：分布式发电系统可能具有比简单的多模式控制：分布式发电系统可能具有比简单的向配电网供电更复杂的工作模式。当来自电网的向配电网供电更复杂的工作模式。当来自电网的能量无效或很贵时它们能向本地负荷输出功率；能量无效或很贵时它们能向本地负荷输出功率；也可将配电网的能量存储起来，在其他时候再用；也可将配电网的能量存储起来，在其他时候再用；还可通过电压调节、无功功率补偿或有源滤波

36、消还可通过电压调节、无功功率补偿或有源滤波消除谐波来提高电能质量。除谐波来提高电能质量。 由于功率角控制的逆变器可通过改变功率角实现双向转换由于功率角控制的逆变器可通过改变功率角实现双向转换(逆变和整流逆变和整流)，并且控制方法中可包含无功功率控制，因，并且控制方法中可包含无功功率控制，因此它们在并网运行、单机运行或本地负荷需要无功补偿等此它们在并网运行、单机运行或本地负荷需要无功补偿等应用中具有很大的吸引力。应用中具有很大的吸引力。 对于并网运行和单机运行模式，功率角控制逆变器的控制对于并网运行和单机运行模式，功率角控制逆变器的控制环能够在电流控制和电压控制之间转换。环能够在电流控制和电压控

37、制之间转换。 在单机运行模式，通过一个由逆变器控制的开关，配电网在单机运行模式，通过一个由逆变器控制的开关，配电网在公共耦合点和本地负荷断开，逆变器采用内部产生的参在公共耦合点和本地负荷断开，逆变器采用内部产生的参考电压和频率，以电压控制模式工作，向本地负荷供电。考电压和频率，以电压控制模式工作，向本地负荷供电。 当逆变器运行在并网模式时，逆变器或者起一个带有通常当逆变器运行在并网模式时，逆变器或者起一个带有通常的反孤岛保护的逆变器的作用，向电网输送电能，或者起的反孤岛保护的逆变器的作用，向电网输送电能，或者起一个高功率因数有源整流器的作用，从电网接收电能向它一个高功率因数有源整流器的作用，从

38、电网接收电能向它的存储系统充电。的存储系统充电。4.4.2逆变器内部的孤岛检测技术逆变器内部的孤岛检测技术1)无源孤岛检测方法无源孤岛检测方法 逆变器内部的无源孤岛检测方法和同步发电机的本地无源检逆变器内部的无源孤岛检测方法和同步发电机的本地无源检测方法相似，当孤岛形成时，该类方法监视逆变器输出端的测方法相似，当孤岛形成时，该类方法监视逆变器输出端的电压参数，如电压幅值和频率等参数的变化。电压参数，如电压幅值和频率等参数的变化。(1)电压偏高电压偏高/低和频率偏高低和频率偏高/低孤岛检测低孤岛检测 在并网逆变器中通常需要限制逆变器的输出电压和频率，为在并网逆变器中通常需要限制逆变器的输出电压和

39、频率，为用户设备在逆变器电压和频率漂移时提供保护。用户设备在逆变器电压和频率漂移时提供保护。 上述限制也可同时提供孤岛检测功能，因为当孤岛发生时如上述限制也可同时提供孤岛检测功能，因为当孤岛发生时如果逆变器的输出功率和本地负荷功率消耗不平衡，电压和频果逆变器的输出功率和本地负荷功率消耗不平衡，电压和频率将会产生偏移。率将会产生偏移。 如果本地负荷和逆变器的输出功率相差不大，电如果本地负荷和逆变器的输出功率相差不大，电压和频率的偏移不足以超过设定的逆变器的电压压和频率的偏移不足以超过设定的逆变器的电压和频率的极限，则检测不出孤岛。和频率的极限，则检测不出孤岛。 依据逆变器输出功率依据逆变器输出功

40、率(P, Q)和本地负荷和本地负荷(P+P, Q+Q)之间的有功功率不平衡之间的有功功率不平衡(P)和无功功率和无功功率(Q)不平衡，非检测区的大小将随逆变器的控制策略不不平衡，非检测区的大小将随逆变器的控制策略不同而变化。同而变化。 若逆变器的控制使其输出功率恒定不变且为单位功率因数，若逆变器的控制使其输出功率恒定不变且为单位功率因数，则可推出下面的关系：则可推出下面的关系： 112min2maxUUPPUU2maxf2minf11ffQPQffQ 如果负荷采用并联如果负荷采用并联RLC电路模拟，则品质因数为电路模拟，则品质因数为LCRQ f 在北美，并网逆变器的允许的电压偏移为在北美，并网

41、逆变器的允许的电压偏移为88和和110，频率，频率上下限为上下限为5759.3Hz和和60.5Hz，若设，若设fmin=59.3Hz，品质因数，品质因数Qf为为2.5，则电压和频率偏高，则电压和频率偏高/偏低的非检测区为：偏低的非检测区为：%13.29%36.17PP%11. 4%94. 5PQ 对于有功功率不平衡的非检测区相当对于有功功率不平衡的非检测区相当大，而对于无功功率不平衡的非检测大，而对于无功功率不平衡的非检测区很小。无功功率不平衡的非检测区区很小。无功功率不平衡的非检测区当品质因数当品质因数Qf降低时甚至更小。降低时甚至更小。(2)电压相位突变孤岛检测电压相位突变孤岛检测(PJD

42、) PJD和同步发电机分布式发电系统中孤岛检测使用的频率变和同步发电机分布式发电系统中孤岛检测使用的频率变化率继电器和相位突变继电器技术相似。化率继电器和相位突变继电器技术相似。 逆变器控制系统通常控制输出电流使电压和电流相位保持一逆变器控制系统通常控制输出电流使电压和电流相位保持一个小的差别，相位发生突变说明配电网不再维持逆变器的端个小的差别，相位发生突变说明配电网不再维持逆变器的端电压，它的相位角发生突变，以便和负荷的相位角相匹配。电压，它的相位角发生突变，以便和负荷的相位角相匹配。 对于电流源型逆变器，系统断开后，逆变器端电压不再被系对于电流源型逆变器，系统断开后，逆变器端电压不再被系统

43、固定，而逆变器输出电流是固定的，它一直跟随逆变器内统固定，而逆变器输出电流是固定的，它一直跟随逆变器内部锁相环提供的波形。由于频率没有发生变化，负载的相位部锁相环提供的波形。由于频率没有发生变化，负载的相位必定与系统断开前相同，因此电压必须跳到新的相位。在下必定与系统断开前相同，因此电压必须跳到新的相位。在下一个过零点，一个过零点，“新电压和逆变器输出电流之间的相位误差即新电压和逆变器输出电流之间的相位误差即可用来检测孤岛。可用来检测孤岛。 PJD的主要优点是易于实现，因为的主要优点是易于实现，因为无论如何逆变器都需要锁相环无论如何逆变器都需要锁相环(PLL)来与系统同步，要实现电压来与系统同

44、步，要实现电压相位突变检测只需增加检测逆变器相位突变检测只需增加检测逆变器输出电流和端电压的相位误差超过输出电流和端电压的相位误差超过阈值时具有关断逆变器的能力。阈值时具有关断逆变器的能力。 PJD很难选择能提供很难选择能提供可靠的孤岛检测的阈可靠的孤岛检测的阈值，而不引起频繁的值，而不引起频繁的误动作。误动作。 (3)电压谐波变化孤岛检测电压谐波变化孤岛检测 逆变器控制器监视逆变器端电压的总的谐波畸变逆变器控制器监视逆变器端电压的总的谐波畸变(THD)，如，如果果THD超过设定的阈值即关闭逆变器。超过设定的阈值即关闭逆变器。 在正常运行时，配电网为一个低阻抗的电压源，能够维持逆在正常运行时，

45、配电网为一个低阻抗的电压源，能够维持逆变器端电压谐波畸变很低，变器端电压谐波畸变很低，THD0。 当孤岛产生时，两个原因使逆变器输出电压的当孤岛产生时，两个原因使逆变器输出电压的THD增强。增强。 逆变器的输出端的阻抗增大，因为低阻抗的配电网被断开，逆变器的输出端的阻抗增大，因为低阻抗的配电网被断开，孤岛系统中只有本地负荷，因此逆变器输出电流的电流谐孤岛系统中只有本地负荷，因此逆变器输出电流的电流谐波将使端电压的电压谐波增大。波将使端电压的电压谐波增大。 孤岛中的非线性负荷，尤其是配电变压器，将通过逆变器孤岛中的非线性负荷，尤其是配电变压器，将通过逆变器的输出电流励磁，非线性负荷的电压响应在励

46、磁电流的作的输出电流励磁，非线性负荷的电压响应在励磁电流的作用下出现高度失真。用下出现高度失真。 从理论上说，电压谐波检测法在很宽范围内都能成功的检测从理论上说，电压谐波检测法在很宽范围内都能成功的检测到孤岛，而且在多台逆变器情况下其效果并没有很大改变。到孤岛，而且在多台逆变器情况下其效果并没有很大改变。 电压谐波变化孤岛检测与电压相位突变孤岛检测具体实现时电压谐波变化孤岛检测与电压相位突变孤岛检测具体实现时面临同样的困难，通常不易选择能保证可靠的孤岛检测的动面临同样的困难，通常不易选择能保证可靠的孤岛检测的动作阈值，而不引起逆变器误动作。作阈值，而不引起逆变器误动作。实际上实际上 如果孤岛中

47、的负载具有很强的低通特性，这种方法会失效，如果孤岛中的负载具有很强的低通特性，这种方法会失效，例如负载具有很高的品质因数时，负载的滤波作用将使例如负载具有很高的品质因数时，负载的滤波作用将使THD减小。减小。 当发电机端的负荷分流无功电流或者逆变器具有高质量、低当发电机端的负荷分流无功电流或者逆变器具有高质量、低失真输出时，该方法也可能失效。失真输出时，该方法也可能失效。 另外另外 2有源孤岛检测方法有源孤岛检测方法 逆变器内部有源孤岛检测方法采用逆变器逆变器内部有源孤岛检测方法采用逆变器能够调整其输出电流、电压或频率的能力能够调整其输出电流、电压或频率的能力扰动负荷，然后监视其响应来探测具有

48、稳扰动负荷，然后监视其响应来探测具有稳定的电压、频率和低阻抗的配电网是否断定的电压、频率和低阻抗的配电网是否断开。开。(1)阻抗测量孤岛检测方法阻抗测量孤岛检测方法 阻抗测量孤岛检测通过探测当低阻抗配电网断开后，逆变器阻抗测量孤岛检测通过探测当低阻抗配电网断开后，逆变器输出电路阻抗的变化来判断孤岛是否产生。输出电路阻抗的变化来判断孤岛是否产生。)sin(ooootIi 当逆变器与配电网并网运行时，由于电流幅值波动即功率变当逆变器与配电网并网运行时，由于电流幅值波动即功率变化引起的电压波动大小与系统额定阻抗和功率有关。化引起的电压波动大小与系统额定阻抗和功率有关。PRPU2 如果配电网与逆变器断

49、开，电流幅值的变化将引起可检测到如果配电网与逆变器断开，电流幅值的变化将引起可检测到的逆变器端电压幅值的变化，从而可检测到孤岛的发生。的逆变器端电压幅值的变化，从而可检测到孤岛的发生。 实际上，逆变器测量的是实际上，逆变器测量的是du/dio，因此这种方法通常称为阻，因此这种方法通常称为阻抗测量法。抗测量法。 电流源时电流源时 阻抗测量孤岛检测方法最主要的优点是对于只有一个阻抗测量孤岛检测方法最主要的优点是对于只有一个逆变器的孤岛，若本地阻抗大于配电网阻抗，在理论逆变器的孤岛，若本地阻抗大于配电网阻抗，在理论上则具有非常小的非检测区。上则具有非常小的非检测区。 该方法最突出的缺点是在多该方法最

50、突出的缺点是在多逆变器情况下孤岛检测的效逆变器情况下孤岛检测的效率将降低，即使孤岛中所有率将降低，即使孤岛中所有的逆变器的阻抗测量法也会的逆变器的阻抗测量法也会降低检测效率，除非所有逆降低检测效率，除非所有逆变器输出的扰动信号都同步。变器输出的扰动信号都同步。 即使对于非常大的电网，系统等效电压源的阻抗也不为零，即使对于非常大的电网，系统等效电压源的阻抗也不为零，因此，必须设定逆变器动作的阈值，如果低于该阈值则认因此，必须设定逆变器动作的阈值，如果低于该阈值则认为逆变器仍然与配电网连接。因此该方法也存在非检测区，为逆变器仍然与配电网连接。因此该方法也存在非检测区，如果本地负荷的阻抗低于动作阈值

51、，阻抗测量法不会认为如果本地负荷的阻抗低于动作阈值，阻抗测量法不会认为所测量得到的阻抗是本地负荷的阻抗，从而允许孤岛继续所测量得到的阻抗是本地负荷的阻抗，从而允许孤岛继续存在。存在。 (2)特定频率下阻抗测量孤岛检测方法特定频率下阻抗测量孤岛检测方法 该方法是谐波检测方法的一个特例，之所以被认为是有源的该方法是谐波检测方法的一个特例，之所以被认为是有源的而不是无源的是因为它通过逆变器人为地注入特定频率的电而不是无源的是因为它通过逆变器人为地注入特定频率的电流谐波。当孤岛发生后，注入的谐波电流将在负载上产生谐流谐波。当孤岛发生后，注入的谐波电流将在负载上产生谐波电压，只要该谐波电压足够大，则可检

52、测到孤岛。波电压，只要该谐波电压足够大，则可检测到孤岛。 该方法与无源的电压谐波变化检测法具有同样缺点。该方法与无源的电压谐波变化检测法具有同样缺点。 多台逆变器注入相同的谐波可能产生误动作，因为即使与低多台逆变器注入相同的谐波可能产生误动作，因为即使与低阻抗网络相连，谐波电压幅值也将增加很大。阻抗网络相连，谐波电压幅值也将增加很大。 负载具有的频率特性有可能正好滤除掉引入的电流谐波信号负载具有的频率特性有可能正好滤除掉引入的电流谐波信号而使该方法失效。而使该方法失效。(3)滑模频率漂移孤岛检测方法滑模频率漂移孤岛检测方法(SMS) SMS对逆变器输出电压的相角引入正反馈。对逆变器输出电压的相

53、角引入正反馈。 逆变器相角响应曲线设计成在系统频率附近范围内，单位功逆变器相角响应曲线设计成在系统频率附近范围内，单位功率因数时逆变器相角比率因数时逆变器相角比RLC负载增加得快，使工频成为逆变负载增加得快，使工频成为逆变器运行的不稳定工作点。器运行的不稳定工作点。 当逆变器与配电网并列运行当逆变器与配电网并列运行时，配电网通过提供固定的时，配电网通过提供固定的参考相角和频率，使逆变器参考相角和频率，使逆变器工作点稳定在工频。工作点稳定在工频。 当孤岛形成后，负载和逆当孤岛形成后，负载和逆变器的相位频率工作点变器的相位频率工作点必须是负载线和相位响应必须是负载线和相位响应曲线的交点。曲线的交点

54、。 假设逆变器与配电网断开，如果逆变器输出电压频率有微假设逆变器与配电网断开，如果逆变器输出电压频率有微小波动，逆变器的小波动，逆变器的S形相位响应曲线会使相位误差增加而形相位响应曲线会使相位误差增加而不是减少。不是减少。 逆变器在频率逆变器在频率0的这种不稳定使它的波动加强并且使系统运的这种不稳定使它的波动加强并且使系统运行到一个新的工作点，根据波动的方向为行到一个新的工作点，根据波动的方向为A点或点或C点。点。 SMS将使逆变器输出电能质量降低。另外，反馈环中有非常将使逆变器输出电能质量降低。另外，反馈环中有非常高的穿透率和高增益，高的穿透率和高增益，SMS可能会影响整个系统的电能质量可能

55、会影响整个系统的电能质量和暂态响应。和暂态响应。 该方法具有很高的孤岛检测效率，但是有些该方法具有很高的孤岛检测效率，但是有些RLC负载具有这负载具有这样的相位响应曲线：负载的相位增加快于逆变器，这些样的相位响应曲线：负载的相位增加快于逆变器，这些RLC负载的频率响应破坏了负载的频率响应破坏了SMS曲线的不稳定。曲线的不稳定。 在这种方法中，逆变器的输出电流波形有少量畸变，使得其在这种方法中，逆变器的输出电流波形有少量畸变，使得其频率具有连续变化的趋势。当逆变器与配电网并列运行时，频率具有连续变化的趋势。当逆变器与配电网并列运行时，系统频率不可能改变。当逆变器与配电网断开后，逆变器输系统频率不

56、可能改变。当逆变器与配电网断开后，逆变器输出电压的频率将被迫上升或下降，增大了孤岛系统为寻求与出电压的频率将被迫上升或下降，增大了孤岛系统为寻求与负荷频率谐振产生的自然频率偏移。负荷频率谐振产生的自然频率偏移。(4)有源频率偏移孤岛检测方法有源频率偏移孤岛检测方法(AFD) tz与与Ts/2的比被称为斩波系数的比被称为斩波系数cf。 szf/2Ttc 孤岛时，若将此电流加孤岛时，若将此电流加到阻性负载，其电压响到阻性负载，其电压响应会跟随这种失真电流应会跟随这种失真电流波形并且在比纯正弦激波形并且在比纯正弦激励更短时间内励更短时间内(Ts-tz)达达到零，引起输出电压上到零，引起输出电压上升过

57、零点比预期早，引升过零点比预期早，引起输出电压和电流之间起输出电压和电流之间的相位误差，逆变器为的相位误差，逆变器为消除相位误差增加输出消除相位误差增加输出电流频率。电流频率。 阻性负载电压响应的过零点与预期相比提前，逆变器将会继阻性负载电压响应的过零点与预期相比提前，逆变器将会继续检测到相位误差并再次增加频率，该过程一直持续到频率续检测到相位误差并再次增加频率，该过程一直持续到频率偏移偏移f0足够大，能够被足够大，能够被OFP/UFP所检测到。所检测到。 采用采用AFD会降低逆变器输出电能质量，另外，为保证多逆变会降低逆变器输出电能质量，另外，为保证多逆变器情况下的孤岛检测效率，所有逆变器必

58、须保持相同的频率器情况下的孤岛检测效率，所有逆变器必须保持相同的频率偏移方向。而且这种不连续的电流波形可能会产生辐射或传偏移方向。而且这种不连续的电流波形可能会产生辐射或传导的射频干扰。导的射频干扰。 该方法的非检测区与该方法的非检测区与斩波系数斩波系数cf有关。如有关。如果果cf1%，AFD的非的非检测区与检测区与SMS相同。相同。 沙迪亚频率漂移孤岛检测方法是频率偏移方法的扩展，是美沙迪亚频率漂移孤岛检测方法是频率偏移方法的扩展，是美国沙迪亚国家实验室的研究人员提出的利用正反馈来防止孤国沙迪亚国家实验室的研究人员提出的利用正反馈来防止孤岛的一种方法。该方法对逆变器输出电压频率应用正反馈。岛的一种方法。该方法对逆变器输出电压频率应用正反馈。(5)沙迪亚频率漂移孤岛检测方法沙迪亚频率漂移孤岛检测方法(SFS) 当逆变器与配电网相连时，当逆变器与配电网相连时，SFS会使逆变器输会使逆变器输出电能质量有轻微下降。与一个弱的电网连接出电能质量有轻微下降。与一个弱的电网连接时，逆变器电能输出的不稳定性可能产生系统时，逆变器电能输出的不稳定性可能产生系统不期望的暂态响应。不期望的暂态响应。 对于有大电容、小电感和对于有大电容、小电感和(或或)高电阻的负载，即具高电阻的负载，即具有高有高Q值的负载，值的负载，SFS同样具有非检测区。同样具有非检测区。 沙迪亚电压漂移孤岛检测方法对逆变器