孤岛效应分析

孤岛效应分析光伏并网发电系统是利用光伏电池将光能转化为电能,并将转化来的电能传输给电网的装置，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。一、孤岛效应的含义当系统工作于直接并网方式时，除了具有基本的保护功能外,还应该具有预防孤岛效应的特殊功能。根据美国sandia国家实验室提供的报告可知，所谓孤岛效应就是当电力公司的供电系统,因故障事故或停电维修等原因停止工作时，安装在各个用户端的光伏并网发电系统未能及时检测出停电状态而不能迅速将自身切离市电网络，而形成的一个由光伏并网发电系统向周围负载供电的一种电力公司无法掌控的自给供电孤岛现象。光伏并网发电系统市电电网光伏发电并网工作示意图光伏并网发电系统市电电网如上图所示为光伏发电系统并网工作的示意图，孤岛状态的含义:当逆变器并网工作时，因为各种原因导致市电不能给本地负载供电，即图中开关断开，此时如果没有任何孤岛判断技术，逆变器会持续给本地负载和局部电网负载供电，这样就会造成很大的危险，这就是所说的出现了孤岛供电现象。孤岛效应是并网发电系统特有的现象，具有相当大的危险性，不仅会危害到整个配电系统及用户端的设备，更严重的会造成输电线路维修人员的生命安全，这是因为:当电网需要停电维修时,光伏发电系统将会危及维修人员的安全。当孤岛效应发生时，电网不能控制供电孤岛的电压和频率，电压幅值和频率的漂移会对用电设备带来破坏。由于并网系统输出电压和电网电压之间产生了相位差，所以当电网重新恢复供电时会产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来损坏。因此，对光伏并网发电系统来说，具有反孤岛效应的功能是至关重要的。反孤岛效应的关键是电网断电的检测,而检测时间越短效果越好。根据国际标准IEEEstd.2000一929和UL1741,光伏并网发电系统在电网断电后检测到孤岛现象并将并网发电系统与电网断开的最大时间限制,如下表所示：IEEEstd.2000一929/UL1741对孤岛最大检测时间的限制断电后电压幅值断电后电压巍率允许的最大检测时间6cycles2seconds0.88JwF冬1.10"2seconds137乙顽2seconds137/□□mi2cyclesfBonnJ^prai6cycles「ranrmJnomk6cycles注：匕削指电网电压的标准值，对于我国单相市电为交流220V(有效值)，fnorm指电网电压频率的标准值，对我国市电的频率为50Hz。在我国,2004年3月份，由国家科技部能源研究所制定的光伏并网发电系统的技术要求中对反孤岛效应也有了详细的规定，具体是:光伏并网系统除设置过/欠压保护、过/欠频保护作为反孤岛效应后备保护外，还应该设置至少各一种主动和被动方式反孤岛效应保护，并且防孤岛效应保护应该在电网断电后0.5〜1秒内动作，将光伏并网系统与电网断开。二、孤岛效应出现的原因一般的并网逆变器都具备了过压、欠压、过频和欠频等保护功能，当市电脱网时,在并网逆变器输出恒定交流电流的作用下，公共节点处的电压幅值会低于或高于正常值或者是电压频率会高于或低于正常值,逆变器检测到这一异常变化就会马上进行保护，从而使并网逆变器在大多数情况下具备了较好的反孤岛效应功能。然而，当负载和并网逆变器容量近似匹配时，情况就会不同;此时，即使市电

脱网，并网逆变器输出的电流作用在负载上时，接触点的电压幅值和频率基本保持不变，这样逆变器的过压和欠压保护功能、过频和欠频保护功能就会失去作用,也就是说，并网逆变器通过电压幅值异常或者电压频率异常的保护功能来实现系统的反孤岛效应就会变得不可靠，必须具有一种主动检测保护功能，而不能只有被动检测保护功能。下图是用于检测并网逆变器孤岛效应的示意图，逆变器的输出滤波器包含在逆变器的框图中，在逆变器和电网中间是本地负载，它由RLC电路组成。下面具体分析其工作状态：光伏阵列逆变器系统孤岛效应检测示意图光伏阵列逆变器系统孤岛效应检测示意图⑴当开关S1,S2都闭合时，并网系统正常工作Po=Pz+/PQo=Qz+/Q上式中:Po、Qo是光伏系统输出的有功功率和无功功率,Pz、Qz是本地负载的有功功率和无功功率，』P、/Q是输送到电网或来自电网的有功功率和无功功率。如果负载的有功功率大于光伏阵列所提供的功率，则不足部分由电网给予补充;如果负载有功功率小于光伏阵列所提供的功率，则多余功率回馈到电网。(2)开关S2断开时，市电脱网，系统处于孤岛状态，此时负载所需功率仅由光伏阵列提供,故由功率平衡关系可以得到下式：Po=p；二蚌1Qo=Q‘=(———w’C)U‘2

wLab通常情况下，并网逆变器的输出功率因数为1,所以有Qo=Q‘=0

此时负载所需的无功功率只是在电感L和电容C之间交换，并网逆变器工作在负载L和电容C处于谐振的状态，且谐振角频率满足1

w=LC由上述分析可知:当光伏系统输出的功率与负载的功率匹配时，输出点处的电压变化很小，即:AB=AB=UAB这样保护电路中的过压、欠压保护就不起作用了；同理,若频率匹配，电网断电时,系统的输出频率变化也极小，不能被系统过频、欠频检测到，此时一般的保护功能就失去了作用，光伏并网发电系统会继续向负载供电,发生孤岛效应，所以给光伏并网系统增加主动反孤岛效应保护是很有必要的。3、孤岛效应的检测及反孤岛研究根据目前关于孤岛效应的研究来看，孤岛检测方法总的分为两大类即被动检测法和主动检测法。被动检测法是通过观察电网的电压、频率以及相位的变化来判断有无孤岛效应发生。然而当光伏电源的功率与局部电网负载的功率基本接近,导致断电时局部电网的电压和频率变化很小时，被动检测法就会失效。为了解决这种问题，主动检测法应运而生，主动检测法的思想是在逆变器的控制信号中加入很小的电压、或相位的扰动信号，然后检测逆变器的输出情况，当没有发生孤岛现象，即逆变器与主电网相连时，由于扰动信号的作用很小，不会影响输出频率或电压的变化；而当发生孤岛效应时，虽然扰动信号的作用很小，但经过周而复始，它的作用就会显现出来，当输出变化超过规定的限值时,就会检测出孤岛现象，从而做出相应的处理。3.1被动检测法光伏并网系统要求并网电流和电网电压的频率、位相同，即系统的功率因数为1。电网停电时，系统输出端电压由并网电流和负载共同决定，并且输出电流和电压之间的相位也由负载决定。动检测法是指并网系统完全利用电路正常工作的电压、流、率等各种状态和指标用于判断孤岛的方法。常有以下几种方法：（1）输出电压的幅值和频率检测法光伏并网系统一般会有过压保护、欠压保护、过频和欠频保护，这四种保护是检测孤岛效应的最基本、直接的手段，当并网系统的输出电压频率超过正常的范围时，就可以判定电网故障或发生停电，系统会自动停止运行，切断输出通道。电压、相位突变检测法当光伏并网系统正常运行时，系统功率因数为1,输出电流和电网电压的频率、相位完全一致，输出电压和电流的相位差为零。当电网停电时，负载的功率完全由光伏并网系统提供，电压和电流的相位完全由负载决定，对于RLC负载，当电网断电后，系统输出电压相位为：a=—tan-1(R2nfC2nfL可以看出：在电网断电前后，系统输出电压的相位可能有一个突变，瞬时的电压相位改变可以引起系统保护，这样可以防止孤岛效应的发生。电压谐波和电流谐波检测法由于并网电流的参考信号是电网电压，当电网停电时，由于分布系统中变压器的非线性特性，输出的电流在电力变压器上将会产生失真的电压波形，含有很大的电压谐波。失真的电压波形又作为电流的参考信号，这样通过连续的跟踪输出端电压,当谐波增大时，能有效地检测出孤岛效应现象。上述这三种方法虽然可以检测出孤岛效应，但从前面的电路分析可以看出，这类方法的检测是有限的，所以一般在被动的基础上增加主动检测法进行判断。3.2主动检测法由上述分析可知，当光伏并网系统和负载完全匹配时，电网断电后系统输出电压的幅值、频率以及相位没有显著地变化，被动检测的方法将会失去作用，不能快速、有效地检测出孤岛效应。基于这个原因必须加一种主动的检测方法，主动检测法一般都采用对电网电压或频率周期性地施加一定的扰动，然后通过检测输出电压或频率的变化来判断是否发生了孤岛效应。主动频率偏移法和电压偏移法下面从逆变器并网工作和孤岛状态下的简化等效电路入手，分析主动频率偏移法和电压偏移法。下图为并网发电系统的等效电路，其中(a)为并网系统正常工作时的等效电路，(b)为并网系统处于孤岛状态时的等效电路。

(a)正常工作的等效电路(b)(a)正常工作的等效电路图中,Uo(t)和Uz(t)分别表示逆变器输出电压和并网公共点处的电压，Un(t)为电网电压,Ri是并网逆变系统的内部阻抗,.为本地负载阻抗，其中瞬时值eo(t)和eL(t)可以用下面的表达式表示：e(t)=E(t)sin(wt+0)eL(t)=EL(t)sin(wt+0L)其中E(t)和E(t)为幅值，我们可以将E(t)和E(t)以一个稳态量oLoL加扰动量的形式表示出来：E(t)=E0(t)+/E(t)E(t)=E(t)+/E(t)LL0L下面我们根据实际情况来分析一下频率偏移法的具体过程，根据上面的式子,让/E(t)=o,工作频率w=2f在每个电网电压的周期和上升沿过零锁相的时候，o在频率允许的范围内实时调整输出频率fo,fo由市电频率f加上一个很小的偏差/f得到，在并网系统正常工作时，公共点处的电压频率由电网电压决定，保持f不变，所以逆变输出的频率基本保持fo加上一个偏置量/f不变;但如果发生孤岛效应，公共接点处的电压频率不再是稳定的电网频率f,而是逆变器输出的频率fo+/f,这样在下一个周期的开始,逆变器就会以fo+/f为参考频率再加上一个偏移量/f作为逆变器的输出频率，即：fo+2/f,这样几个周期之后，逆变器输出电压的频率就会超出正常频率范围而被检测出发生了孤岛状态，这种方法称为“主动频率偏移法”。类似的方法，电压偏移法就是保持逆变器的输出频率跟随市电频率不变，每个周期改变输出电压的幅值，艮阡让/E。等于一个很小的常数，在输出频率不变的情况下，逆变器输出电压的幅值Eo(t)每次都在市电电压的基础上叠加一个/Eo(t)。当并网系统正常工作时，小小的偏移量不会影响或改变市电电压的值，即el(t)保持不变；当发生孤岛状态时，逆变器输出电压会不断的朝一个方向增加或减少，直到若干个周期后超出电压的正常范围而被检测出错误，这种检测方法称为“电压偏移法〃。输出电压或频率规律扰动法输出电压扰动法是指逆变器在并网过程中，使输出电压按一定的规律高低变化，当并网正常时通过并网公共点检测回