分布式发电系统电孤岛效应对策的研究

第1章绪论1.1研究背景伴随人类社会的发展和科技的进步，对能量的需求越来越大，而与此同时化石能源的储量却难以满足人们的需求。上世纪70年代，一场石油危机在全世界范围蔓延，这些不可再生的传统化石能源已经非常稀少，导致地球上许多国度和区域陷入能源危机[1]。有关专家预测，如果保持现有的能源消耗速度，60年不到将消耗完地球已探测到的石油和天然气。其次，无论是在开发，输送还是消耗这些化石能源的过程中，会严重破坏地球的生态环境。例如，长期大量消耗化石燃料产生的二氧化碳气体使得地球温室效应越来越严重，地球表面温度逐年升高，还使得地球南北两级的冰川加速融化导致海平面上升。另外，消费化石能源生成的烟尘雾霾、、也造成了十分严重的污染了空气。正是在这样的背景下，世界各国纷纷开始关注能源问题并相继出台各种缓解能源危机和环境保护的政策，这也让人们越来越重视新能源的发展，而新能源的一个主要研究方向就是分布式发电系统（DistributedGeneration）。1.2分布式发电系统1.2.1分布式发电系统的概念目前地球上主要的供电系统都是以“高电压、大电网、大机组”为特点的集中式供配电系统。虽然这种单一集中的供电模式在全世界范围内占的比重高达90%，但是随着当今社会的进步，能源结构的调整以及电力行业的发展，传统的大电网供电方式以及无法满足更高的质量要求和安全可靠性。由于大电网系统中任意一点发生故障都会影响或波及到整个电网，从而可能使局部时间扩散成大范围停电事故，严重影响用户的供电。这种变故在海外有过先例，而且大电网很容易受到战役或极端势力的毁坏，甚至对国土安全形成威胁。另一方面传统的电网没有跟踪电力负载的变化的能力，当用电高峰出现时是难以调整的，灵活性不够。以是DG系统才慢慢引起人们的关注，而根据发达国家的研究历程，将传统电网和DG相结合才是节约成本提供能源利用率，满足系统安全性和灵活性的最佳办法。1978年美国最先提出了分布式发电的概念，即将多个小型发电装置就近分布在负载周围，形成可单独向负载输送电，热，冷能的系统。此后，这个概念慢慢被其他西方国家采纳利用。当前的分布式发电一般为那些在用电现场或负载附近配置一些容量小（低于数十兆瓦大于数千瓦）、节能且满足现存配电网运行条件的发电设备。目前主要包含燃料电池、燃气轮机、小型太阳能发电和小型风能发电等发电设备。图1-1是分布式发电系统的示意图，因为分布式发电装置靠近局部电网即用电现场，能提升电网供电的可靠度和供电质量，极大的优化了传统大电网供电方式缺乏灵活和不稳定的问题。分布式发电装置多以清洁能源为主，随着燃料电池和光伏产业以及风力发电等新能源技术的发展，加快了分布式发电的图1-1分布式发电系统结构图发展进程。DG符合当今和未来的能源结构调整方向和可持续发展方针，这也促使分布式发电成为未来电力行业的发展趋势。分布式发电结合传统电力系统应用有很多长处，因为分布式发电系统中并联了很多局部电网，各局部电网是互相不影响的，可由分布式发电装置单独向负载供电，能避免大范围停电事故，提高整个电网的安全可靠性；同时分布式发电能作为大电网发生意外故障时的补充，保证继续供电，解决大电网系统安全稳定性不足的问题；分布式发电系统能对局部电网的电能质量及时实施监视和控制，并且其输配电损耗很低，不需要建立配电站，从而降低了输配电成本，适合向一些偏远地区如山区、农村以及一些中小城市的居民供电，即降低安装成本节约资源又对环境友好；另外，由于各分布式发电装置各自独立，启动停止迅速，操纵简便且调峰性能优异，适合实现全部机械化控制。1.2.2分布式发电系统的应用与前景随着我国经济实力的迅猛展长，集中式配电网格局越来越大，但其弊端也慢慢体现出来，由于对供电质量的要求不断提高，集中式供电的安全性和灵活性往往不能满足部分地区的需求。因为区域经济发展不均衡，要想在经济落后的地方构建一定范围的集中式电网系统需要破费大量资源和时间周期，尤其是偏远山区，能源供应问题往往会限制当地经济发展。可是DG系统能够很好的解决这一问题，在中国内蒙和甘肃等地有着取之不尽的风能资源，像内蒙古一年的发电量已经达到1亿千瓦时，不仅可以满足当地的用电需求还能将多余电量送往其他地区，而且这种绿色环保的新能源发电技术能有效改善当地环境污染问题。分布式发电系统中不仅仅只有风力发电能有效解决这些偏远地区的能源供应问题外，其他类似于光伏发电技术，中小型水电站等新能源皆是不错的方法，理当得到充足的关注。在中国大电网配备比较完善的地区比如城市和乡镇，分布式发电系统通常作为集中式供电网的主要补充部分，这也是将来电力行业的发展趋势之一。在DG系统中用得最为普及最受看好的就是热电冷三者联合技术了，由于在我国几乎家家户户都需要这三种能量，其他医院，商场等公共场所也存在需求[2]。这就为分布式能源系统三联技术提供了很大的市场。现在来看，分布式发电系统在我国配电网中所占比例很小还有待发展。但是不可否认在将来一段时间内，随着分布式发电和供配电技术的发展，分布式发电系统会逐渐被推广取得关键性的进步。其主要的应用体现在这些方面：配合集中式大电网向城镇居民，企业，工业以及公共设施供电，作为大电网的一个重要补充，主要是基于小型燃气轮机，燃料电池，光伏发电的分布式发电系统。在大电网构建耗资较大的偏远山区和农村等地，主要依靠基于小型燃气轮机和小型水电站，风力发电以及光伏发电的分布式发电系统来供电。用于能源的综合利用，分布式发电系统可以因地制宜为用户提供综合热能、冷能以及电能的解决方案，提高能源利用率，构建生态能源循环体系。通过分布式发电系统与传统电网相结合，利用分布式发电系统分布广，易调节，启停快等特点能有效提升电力系统的稳定度、可靠度和灵活度。国外分布式发电技术的发展已慢慢步入正规，在美国，小型分布式发电系统（1KW~10MW）正在成为未来分布式发电系统中的重要角色。由于分布式发电系统的高可靠性以及灵活性等种种优点适用于工业，商业，居住等各种场所，预计不久后，新一代的容量在10千瓦到250千瓦之间的微汽轮机完全可以商业化，普及分布式发电系统。在其他欧洲国家如丹麦，芬兰等，分布式发电系统的装机容量以及超过了总容量的35%。如果说电力市场化是电力行业的重大改革，那么分布式发电可认为是电力行业的重大技术改革，两者共同作用将使未来的电力行业呈现全新的面貌。1.3分布式发电系统孤岛效应问题1.3.1研究意义在集中式大电网慢慢向分布式发电系统过渡时，分布式发电系统给我们带来很多便利的同时会带来新的问题。孤岛效应就是其中关键问题之一，也是研究分布式发电系统的一个热点。孤岛效应是指在与大电网并连的分布式发电系统中，当主电网由于故障或维修等原因而停电时，分布式发电系统中的各局部电网中的发电装置并没有检测到停电状态而继续向公共电网馈送电量，导致分布式发电装置连同周围负载形成一个自给供电的孤岛运行状态，如图1-2所示。图1-2孤岛发生示意图一般来说，这种非人为的由于故障等偶然因素导致的孤岛效应称之为非计划孤岛，对孤岛效应的研究分为两种，一种是防止非计划孤岛产生的反孤岛研究，另一种则是利用孤岛效应的研究。非计划性的孤岛效应，会对电力系统的设备或工作人员产生极大危害，所以对反孤岛对策的研究是很有必要的；当电网故障或检修导致停电时，分布式发电系统其局部电网可以正常向负载供电从而减少不必要的停电损失，则让人们意识到在研究反孤岛对策和孤岛监测技术的同时，对孤岛效应的利用也是未来研究的主要目标之一。本文主要介绍分布式发电系统并网的反孤岛对策研究，在后面章节会简单介绍微电网中对孤岛效应的利用问题。1.3.2孤岛效应的危害在分布式发电系统的运行过程中，一旦没有检测到非计划性的孤岛，可能产生以下的危害：孤岛产生后，由于电网没有孤岛检测功能或反孤岛环节，电网断电后而分布式发电系统的局部电网依然正常工作，系统参数（如电网电压、频率等）会因为功率匹配问题产生波动，严重时会毁坏电网和其他电力设备。主电网停电后，由于有孤岛存在，局部电网可能会带电，如果此时电力维修人员去参与检修工作，极有可能造成触电事故，对于普通居民用电来说也有很大危险。分布式发电系统由于一般建造容量小的发电装置，在孤岛形成后，由于分布式发电装置独立向负载供电，其逆变器可能因超载而损毁。发生孤岛的局部电网重新接入电网时，分布式电源与电网的相位可能不同，重新并网可能会产生较大的冲击电流，从而损毁电力设备导致电网重合闸失效。可见，孤岛效应的危害极其严重，分布式发电系统都要具备快速检测出孤岛问题并能有效停止并网运行的能力。基于可再生能源的分布式发电系统是减小传统化石能源紧张的有效办法，还可以提高传统电网的供电可靠性和灵活性，而对于孤岛效应的检测和研究就是为了极大程度的保证和发扬这些优点，并减少孤岛问题带来的负面作用。1.3.3国内外研究现状虽然对于孤岛效应可以在一定计划和范围内利用，但是由于现阶段技术的不成熟还不能推广使用，所以目前国内外的研究重点都放在如何检测孤岛效应和反孤岛对策上。虽然国际上已经有了对于分布式发电系统并网技术的标准和并要求分布式发电系统要具备反孤岛保护功能。但是由于各个国家本身的电网结构和制度都不相同，所以各国都有自己相应的并网技术标准和要求。如德国要求分布式发电系统采用阻抗测量方案或者ENS装置，有些国家则要求使用过/欠频保护防止孤岛形成，如芬兰。对于孤岛效应的检测时间也各有不同，例如美国通常选择1s作为所允许的检测时间，日本则是0.5s~1s，而德国则规定只要时间不超过5s都是可允许的。在中国，以光伏系统的并网标准为例，并网系统正常运行时，以额定电压为准，单向电压允许偏差为-10%~+7%，频率波动要求不超过正负5%，总谐波电流应小于逆变器额定输出的5%，逆变器向电网馈送的直流电流分量不应超过其交流额定值的1%，分布式发电系统对电网异常电压的响应需在表1-1规定的时间内发生[3]。表1-1国内标准下的电压响应时间公共点电压最大断开时间V<50%0.1s50%~85%2.0s85%~110%正常工作范围110%~135%2.0s135%<V0.05s1.4本文选题意义和主要研究内容基于可再生能源的分布式发电系统的发展对于能源调整，环境保护和电力系统都具有很重要的意义。这种以风能和太阳能等可再生能源为主要消耗的发电装置可以极大缓解能源危机，在满足社会发展所需的能源的同时对环境不会造成污染，还能改善传统集中式供电网的缺点，提高电网的可靠度，安全度和灵活度。而在大力发展分布式发电系统的道路上，孤岛效应成为人们必须要面对的问题。本文从孤岛效应的原理出发，对孤岛效应的形成原因，危害进行了研究，并针对目前已有的几种孤岛检测技术和反孤岛对策，重点分析了基于并网逆变器的反孤岛检测方法中的被动式和主动式两类检测方法，并比较其优缺点。分析了基于坐标系的孤岛检测性能评估方法,还介绍了微电网中对于孤岛效应利用的方法。第2章孤岛效应的基本问题2.1孤岛效应产生的原理图2-1是比较经典的分布式发电系统结构图，我们可以从这张图着手研究不同形式的孤岛效应。如图所示，典型的分布式发电系统由变电站和一条主要输电线路组成，可以看到有许多的发电装置并网进入主输电线路，一般大的分布式发电装置直接连在主线路上如DG1和DG2（同步发电机或异步发电机），小型的类似于光伏发电装置则连在变压器的低压侧如DG3。当系统正常运行时，如果某处电路发生故障，C点开关因保护作用自动断开后，DG1完全有可能单独向负载供电形成孤岛。而电力系统自动重合闸会在短时间内闭合C点开关恢复供电，重新将DG1并网。F点处熔断器发生故障，同样可能是DG3处形成一个孤岛。图2-1典型分布式发电系统当排除故障后，将孤岛部分重新并网进入电力系统，由于频率或电压等波动或功率的不匹配都会导致一系列不确定情况从而毁坏电网设备。上面介绍的孤岛效应都是电网发生故障时引起的，接下来将参照图2-2，通过光伏并网发电系统具体研究孤岛效应产生的具体原因。图2-2光伏并网发电系统如图2-2所示，光伏并网系统由光伏阵列和逆变器构成，经变压器和断路器K连接到电网中。电网无故障时，处于正常运行状态，使用RLC并联电路来充当负载电路，假设图中的逆变器由正弦波进行控制并且功率因素为单位值1。我们假设：此系统中通过逆变器向负载供给的总功率为，P为有功功率，Q为无功功率，而负载电路所需要的功率为，电网向负载提供的功率为。不考虑线路损耗，理想情况下满足能量守恒，则在公共点a处功率关系如下：（2-1）因为逆变器的功率因素为1，所以逆变器产生的无功功率为零即Q为零。所以RLC负载电路的无功功率全部由电网单方面提供，有功功率的关系则分为两种，一种是当光伏发电系统通过逆变器产生的有功功率不足以提供负荷所需的有功功率时，其余有功功率由电网来提供，另一种情况是当负载所需的有功功率少于逆变器产生的有功功率时，剩余的有功功率则会反馈到电网中。有功功率不匹配在电网断电后对节点a处电压幅度的变化并网后的当地负载需要的有功功率都由光伏发电系统中的逆变器来供给，这种情况称之为有功功率匹配，即，相反的就是有功功率不匹配。图2-2中光伏并网系统提供的有功功率是：（2-2）其中是节点a处的电压，是负载电路的等效电阻。电网断开后，当地负载的所有有功功率都是由逆变器来供给，而节点a处的电压随着电网断开后而变化则有下列式子（2-3）其中是电网跳闸后导致孤岛效应产生时节点a处电压，是公共耦合点a处电压的变化量，R是负载电路中的实际电阻值。综合上面式子（2-2）和（2-3）可以得出关于电阻R，节点a处电压值以及电压变化量的一个函数：（2-4）因此，图2-2的分布式发电系统和负载电路之间的失配功率为：（2-5）将式子（2-4）代入式（2-5）中得出失配功率的表达式为:（2-6）由式（2-6）可知，时一定也不为零，也就是说在光伏并网系统与负载出现功有功功率不匹配现象时，公共耦合点a处的电压一定会因为主电网的断电而发生变化。无功功率不匹配在电网断电后对节点a处频率的改变和有功功率的相匹配概念类似，无功功率匹配则是指系统中负载所需要的无功功率都是由逆变器来供给，即。与之相反，如果则系统就属于无功功率失配态势，而且光伏并网系统中的越大的话，无功功率的失配程度就越严重。同样假设和上文中提到的条件一样，逆变器的功率因素为单位1，这时。如果光伏并网系统与当地负载发生无功功率失去匹配，，系统正常并网运行时负载所需要的无功功率都是由电网单方面供给，则有：（2-7）式（2-7）中的是节点a处电压的角频率，也是并网后整个电网电压的角频率；则是图2-2所示RLC负载电路中的谐波角频率，取决于电路中的L和C的值，因为无功功率失配状态下，所以。当系统中发电装置与电网断开后，无功匹配会慢慢形成即负载所需的无功功率将转而由逆变器来供给，则有：（2-8）上式表明光伏发电系统正常并网运行时，处于无功功率失配状态，在电网断开后，节点a处的电压角频率会向靠近，直到两个频率相同时，使得，从而完成系统的无功功率匹配。孤岛效应的产生条件综上所述，分布式发电装置并网后正常运行时整个系统与负载的有功功率和无功功率都处于失配状态，当电网断开，并网结束后，由于光伏发电装置要单独向负载供电，导致节点处的电压幅度和频率都会开始发生变化。功率的失配程度越高则对应的电压特征量变化也越大。如果，有功功率和无功功率的失配程度特别低甚至达到完全匹配状态，那么电压跳闸后节点a处的电压幅度和频率并不会有太大的变化，这会使得一些保护装置感应不到，从而导致逆变器继续单独向负载供电，这就是孤岛效应产生的根本原因。从而可以看出，如果分布式发电系统依靠电压特征量的变化值有没有达到提前设定的临界值为判断孤岛产生的依据时，那么孤岛产生的充分必要条件是：分布式发电系统中的逆变器所产生的有功功率与负载电路所需的有功功率匹配一致；分布式发电系统中的逆变器所产生的无功功率与负载电路所需的无功功率匹配一致[5]。2.2孤岛效应的检测方法鉴于孤岛效应对电网设备和人员有着很大的危害，所以分布式发电系统一定要具备迅速及时检测到孤岛效应的能力，并采取有效措施降低其危害。随着分布式发电技术的逐渐成熟，孤岛检测技术也有了很大的进展。国内外的专家们提出了多种多样的孤岛监测方法，这些检测技术大体上可以分成两类：外部孤岛检测技术和本地孤岛检测技术，其中本地孤岛检测技术又包括主动法和被动法两类。如图2-3所示。图2-3孤岛检测技术方法分类外部检测技术主要是基于通信的孤岛监测方法，它基于分布式发电系统和电网之间的通讯联系，通过无线电通讯来比较分布式发电系统和电网两端的状态是否一致来检测孤岛效应是否产生。主要的技术方法有连锁跳闸法，电力线载波技术实现通信等。这类外部检测孤岛的方法又叫做远程检测法，主要靠建立电网与分布式发电系统的通讯联系，及时监控电网的运转状况，这种技术有着较高的可靠性，检测盲区也比较少，适用于各种分布式发电系统，但是由于要在外部构建通讯线路，造价较大而且不方便，所以一般用得比较少。本地孤岛检测又分为两类，一种是被动式孤岛监测方案，另一种是主动式孤岛监测方案。被动式方案是依靠检测分布式发电系统的电压，频率等系统参数来作为判断依据的，如果这些测量数值超过正常范围则表示发生了孤岛效应。被动法有过/欠压法、过/欠频法。频率变化率法。ROCOF法、电压谐波检测法等。主动式方案则是向分布式发电系统中注入干扰信号，并网系统中的各类参数随扰动信号而发生变化，将变化后的电压，频率这些参数与参考值相比从而检测处主电网是否跳闸，判断孤岛存在与否，一般来说系统正常运行时各参数变化不大但是孤岛发生后参数变化会超出正常范围从而确定孤岛的存在。主动孤岛测试法有输出功率扰动法，阻抗检测法，Sandia电压偏移法等。由于被动孤岛检测技术有一定的缺陷，如检测盲区大，检测周期过长等，而主动式检测需要注入一定的扰动信号也会对电能产生影响，所以一般采用主被动相结合的孤岛检测技术，来互相取长补短。本文中主要研究的孤岛检测方法都是适用于并网逆变器的孤岛检测方案。2.3孤岛检测技术的性能评估前文中有提到过检测盲区，其实在实际的孤岛检测方案中几乎都会存在监控不成功的状况。这是因为孤岛监测中存在检测盲区又叫不可检测区域（Non-detectionzone，NDZ）。对于NDZ可以由失配功率和负载电路进行量化的描绘，所以NDZ能够作为一个孤岛监测方法是否有效可行的重要性能标准。通常被动式孤岛检测采用功率失配坐标系所描述的检测盲区来评估。系统中的失配功率的数值可以由电网向负载所供的和表示，但是由这一坐标系只能得出系统中在电网断闸前后的功率改变状况，无法真正对NDZ进行定量分析。而另一种基于负载的使用谐振电感L和谐振电容C描述的坐标系也由于负载电路中电阻R的各异而产生不同的NDZ，所以没法较好描述出负载电路R对于盲区的各种影响。所以有人提出了使用负载品质因素和谐振频率描述的坐标系来评估孤岛检测方案的可行性，这一方案可以在最糟糕状况下对负载进行分析，并清晰的反映出负载变化对于孤岛监测技术中NDZ的作用。本文在第三章节会详细介绍第一种和第三种孤岛检测技术的性能评估坐标系。2.4本章小结本章从孤岛效应的产生机理出发，论述了孤岛效应的定义。文中以光伏并网系统为例，利用功率流的关系图来详细研究孤岛效应的产生条件，并介绍了孤岛效应的危害。从而突出了反孤岛策略的重要意义，通过对孤岛检测技术的一个分类介绍为下文第三章的详细分析做好了铺垫。同时介绍了孤岛检测技术中的一个性能评定指标，检测盲区的概念。第3章现有反孤岛策略和评估分析虽然基于通讯的外部孤岛检测方法，检测盲区小，能及时有效检测处孤岛。但是由于要安装接收器和信号发生器，增加了安装成本，不便于广泛应用。尤其分布式发电系统的优点之一就是能有效减少电站的建设成本，因此一般不会采用基于通讯的孤岛检测技术。目前的研究重心放在基于并网逆变器的检测孤岛技术，这种方法对供电质量的负面影响很小，而且有很多其他优点，如造价小，检测速度快等。本章主要分析和介绍了基于并网逆变器的被动式和主动式孤岛监测技术中的几类典型的孤岛监测方案，并比较分析其优缺点。3.1被动式孤岛检测方案基于并网逆变器的被动式孤岛监测方案主要依据图2-2公共耦合点a处电压的异常情况来判断孤岛是否产生。由于被动式孤岛监测方案是一种无源检测，不需要加入其他信号的干扰，只检测并网系统中的电压，频率等一种或多种参数，所以并不会对逆变器的输出电流进行干扰，从而保证了电能的质量。3.1.1过/欠压、过/欠频孤岛检测技术过/欠压和过/欠频孤岛检测技术（Undervoltage/overvoltage、Underfrequency/overfrequency）顾名思义和电网的电压和频率有关，是检测并网系统中逆变器输出侧的电压和频率的变化。所测结果如果不符合电网正常运行时的电压和频率范围，则停止逆变器工作，从而防止孤岛产生。还是参考图2.2中的光伏并网系统，我们在第二章了解到的孤岛效应产生的条件可知，电网跳闸前a点的电压和频率会受电网钳制无异常，如果之前逆变器输出的无功功率和有功功率与负载不匹配，那么电网跳闸后则会导致公共点a处的电压和频率向功率匹配方向偏移，产生孤岛。一旦电压或频率超过正常范围，就会触发逆变器的保护功能，停止工作，从而切断孤岛的发生。但是如果在并网系统的无功功率和有功功率非常接近或完全匹配负载时，检测到的电压和频率变化值会很小，不会超过正常范围，逆变器不会触发保护功能，从而检测不到孤岛的发生。优缺点：过/欠压和过/欠频保护是基于逆变器的软件控制实现的，所以一般的逆变器都会自带过/欠压和过/欠频保护功能，不仅作为反孤岛的保护方案也是电网和负载保护设备的方案。这种方案成本很低，易于实现而且对于电能质量无影响，由于中小型分布式发电系统的年产电量通常不是很高，所以安装费用也要尽可能的降低，这种低成本的孤岛检测技术就得到了有效的推广使用。而且一般其他复杂的主动孤岛检测技术都是以过/欠压和过/欠频孤岛检测为基础设计的。这种孤岛检测方案的缺点也很明显，就是其检测盲区比较大。3.1.2电压相位跳变检测法分布式发电系统正常运行时，逆变器为保持单位功率因素运行，会保持输出的电压和电流相位一致[6]。如果电网跳闸，并网发电装置单独向负载供电，失去电网钳制则逆变器输出电压相位会向负载阻抗角方向突变，使得电流和电压存在相位差。这就表示当逆变器输出端的电压和电流出现相位差时则代表电网断开，所以监控逆变器的端电压和输出电流之间的相位差是否超过门阀值可以用来检测孤岛产生与否。优缺点：相位跳变检测法的优点是易于实现，逆变器本身内部就需要配置锁相环来保证电压和电流的相位一致，实现该检测方案时，只需监控逆变器的端电压和输出电流二者之间的相位差是否超过正常范围，超过范围则使逆变器停止工作。作为一种无源检测方法，也不会对电能其他参数产生干扰作用，保证了电能质量。其缺点就是由于电路中一些特定负载如电动机在启动时会造成瞬时的相位跳变，所以使得相位差的门槛值不容易确定，如果门槛值设定太小，容易引起检测出错而误跳闸。而且相位突变的门槛值在不同地点是不同的，这也加大了实际应用的难度。3.1.3谐波检测法谐波检测法就是检测图2-2中节点a处的逆变器端电压的总谐波失真（TotalHarmonicDistortion，THD），如果THD超过了正常范围则表面产生了孤岛，使逆变器停止工作。在分布式发电系统正常运行状况下，可以将电网视为一个较大的电压源，其阻抗很小，并网运行时公共耦合点处的谐波含量通常很小，THD接近为零总是小于检测的门槛值。当失去并网后的谐波畸变率会变高，这有两个原因。其一，逆变器本身就会产生少量谐波电流，只是由于断开电网连接后，这些谐波电流会流入负载阻抗中，而负载阻抗相对于之前正常并网下的电网阻抗是非常大的，由于负载的非线性而放大谐波，使电压失真很大。另一个原因则是因为逆变器输出的电流会在经过变压器时形成电压响应从而产生较大谐波。优缺点：谐波检测可以在较大范围内检检测孤岛效应，而且在功率匹配状况下也能检测到孤岛产生，就算有多组逆变器额接入并网系统也不会有稀释作用。但是和上文提到的相位突变检测法类似，最大的缺点就是难以确定门槛值。另外理论分析时一般用RLC电路代替负载电路但在实际的分布式发电系统中，负载的实际表现形式一般不是线性的，这会使电压的THD变得很高，这也加大了谐波检测的门阀值的确定难度。所以该方案目前还没有得到广泛使用。3.2主动式孤岛检测方案上文介绍的几种被动式孤岛检测方案都存在一定的缺陷，如检测盲区偏大，存在误动等。而且被动式检测方案是一种无源检测，与之对应的主动式检测方案则是有源检测。主动式孤岛检测方案需要对系统注入一定的干扰信号，在并网系统正常运行时，由于电网的钳制作用，对于电网参数的扰动作用比较小，当孤岛产生后，扰动信号积累迅速并超过限定值就会触发逆变器保护功能，从而进行反孤岛保护。该方法精度高，非检测区很小，但是主动式孤岛检测技术由于在电网中加入了干扰信号，会影响电能质量。所以目前较好的分布式发电系统的孤岛检测手段是在被动式检测方法的基础上结合一种主动式检测技术。3.2.1主动频率偏移法主动频率偏移法（ActiveFrequencyDrift）简称AFD，是现在用得比较多的一种基于对输出电流的频率进行扰动的检测方法。AFD是在系统中引入少量谐波电流，让逆变器输出的电流有一个频率偏移。电网正常状态下，由于逆变器锁相环的存在逆变器的输出电流频率和电网频率保持一致，在孤岛形成后，电压频率会随电流频率变化而发生偏移，最终超过设定的门槛值，则检测到孤岛效应。以向上频移为例，逆变器输出的电流波形图如图3-1所示。在图3-1给出了一个正常的正弦波作为对比。图中是电网中电压周期，是逆变器输出电流正弦波的周期，是图中所示电流波形中存在的为零段（死区）。该波形的斩波系数公式为：（3-1）分布式发电系统在正常运行时，逆变器处于并网状态，其电压会收到电网的限制而保持固定。当孤岛产生后，由于逆变器的端电压会跟随图3-1中的失真电流波形，通过零点的时间会减小，这就导致电压的周期减小，与之相应的是的频率增大，称之为上移。当上移幅度超过设定的安全值时，触发逆变器的保护装置。图3-1用于主动式频移的电流波形图优缺点：AFD方案便于实现，检测孤岛的速度很快而且非检测区很小，所以应用比较广泛。但是由于在并网系统中加入了干扰信号，使电流波形产生略微失真，降低了供电质量，而且在多个逆变器的并网系统中，如果每个逆变器的频移方向不相同，有的逆变器选择频率上移，有的逆变器选择频率下移，则会产生抵消，这就是稀释效应，降低孤岛检测的成功率。其次，孤岛检测用AFD方案还要考虑负载的性质，比如，负载不呈现阻性或阻感性时，用向上频移的AFD方案可能会导致检测失败。3.2.2Sandia频率偏移法为了优化上述的AFD方案，美国的Sandia实验室提出了一种改良后的频移检测法，即Sandia频率偏移法简称SFS[7]。SFS实际上是一种具备正反馈的主动式频移检测方案，其原理和AFD相似，只不过在注入的扰动信号基础上多加了一个正反馈环节。斩波系数的表达式为：（3-2）式3-2中为工频下的斩波系数；K为加速增益；为逆变器端电压的频率，就是工频频率。系统正常运行状况下，由于电网的钳制效果，频率保持稳定。在电网断开后，频率偏差被检测到，并随增加而变大，此时的斩波系数也会变大，于是逆变器的输出电流频率也会上升，直到超过正常范围就会触发保护动作，检测到孤岛。向下频移则是减小由于正反馈导致斩波系数减小，最后输出电流频率变小，小于正常范围就实现检测作用。优缺点：加入正反馈后，强化了频率误差，使得检测速度得到有效提升，并且在所有有源主动式检测手段中，SFS的非检测区最小，说明其成功率高。不可避免的仍然是对电能质量的降低，而且在连接到小型电网时，会出现系统瞬态响应不理想的情况。3.2.3滑膜频率偏移法滑模频率偏移法简称SFS，也是利用正反馈的一种孤岛检测技术。SFS是利用逆变器输出的电流与公共耦合点处的电压存在相位差的原理，使得电流—电压相位差频移后进一步引起频率发生偏移从而检测孤岛产生与否。将逆变器输出的电流相位用正弦函数表示为：（3-3）式中，是电流的最大相位偏移值，则是相位偏移处于最大值时的频率，是上一个周期和电网频率的差值。假设端电压初始相位是0，则是分布式发电装置中逆变器输出的电流—电压相位之差。分布式发电装置正常并网运行时，由于逆变器功率因素为单位1的原因，，电网断开一刹那间，逆变器的有功和无功和负载之前的失配会导致电压频率产生微弱的突变，则电流—电压相位差不为零，如果此时电流是超前电压的话，在响应过程中紧随电流改变，变现为在波形图中，电压的向上到0时间会提早，所以的频率会上升。接下来的一个周期内，逆变器输出的电流相位会更加大一点，这是导致电压频率受正反馈继续变大。如果公共点的电压频率超过设定的正常范围则认为产生了孤岛效应。优缺点:对靠微处理器控制的逆变器来说，SMS非常易于达成，和上面介绍的其他主动是检测方法相比，它的非检测区相对较小对孤岛检测比较有效，但是缺点和其他有源检测方法一样，都是无法保证电能质量不受扰动，还具有瞬态响应等问题。不过这些缺点在其他正反馈的主动式检测方法中都存在。3.3检测盲区和有效性评估3.3.1基于坐标系的有效性评估坐标系是根据2.1章节所介绍的孤岛效应的产生机理定义的一种有功和无功不匹配坐标系，由于、反应的是并网前后分布式发电系统中功率流的改变状况，所以此坐标系只能对被动式孤岛检测技术的检测盲区做出定量分析。参考图2.2所示的光伏并网系统功率流向图，之前的讨论得出，如果功率失配程度很高，即、很大，则形成孤岛后，公共耦合点的电压和频率都会超出门阀值，引起过/欠压，过/欠频保护，中断逆变器的工作使孤岛效应停止。反之，如果功率失配程度不高甚至完全匹配，电网断闸前后公共耦合点的电压和频率波动很低，不会引起反孤岛手段的动作，从而检测失败。放到功率失配的坐标系中来讨论，如图3-2所示，在坐标系的原点附近即和的图像附近，逆变器输出的电压幅值和频率变化率很低，不会引起反孤岛措施，图中区域就是坐标系中的检测盲区。图3-2基于坐标系的检测盲区3.3.2基于坐标系的有效性评估接下来要介绍的是以负载品质因素为横轴，负载的谐振频率为纵轴的负载特征参数坐标系。利用坐标系中的相位判断依据和频率的正常工作范围可以得出NDZ图像，本小节通过介绍有源频移检测方案的检测盲区分析来讨论坐标系的有效性评估。3.3.2.1基于坐标系的孤岛检测相位判据系统中的阻抗角的值主要取决于负载电路的品质因素和谐振频率，对于并联的RLC电路中的电感和电容保持恒定时，负载电路中的电阻分量R的变化量可以借助的变化来表现，所以基于坐标系的孤岛检测技术的性能评估是比较不错的方法。要想利用坐标系来对孤岛检测技术中的检测盲区（NDZ）量化分析，需要依靠对应的相位判断依据。坐标系的相位判断依据如下：（3-4）上式中，是所选取的孤岛检测方案中，并网系统中逆变器输出电流超前公共点处电压的相位角。假设式3-4中的频率f没有超出孤岛发生时的检测范围，那么孤岛效应不会被中断。因此，坐标系的相位判断依据公式可以用来评估孤岛检测方法的性能好坏。由上述式3-4中的相位判断依据可得，在这个坐标系中任何一处，系统出现孤岛时，使用给定的孤岛检测技术的相位判断依据公式都可以计算出其系统的频率稳定状态值。如果在出现孤岛效应下，其稳定值没有超过过/欠频保护所限定的正常门槛值，这时根据相位判据所计算出的系统的频率稳态点就包含在此技术方案的检测盲区中，相反的话，就不在检测盲区范围内。3.3.2.2滑模频移方案（SMS）的NDZ分析SMS方案中的相位判断依据公式为：（3-5）上式中的是滑模频移孤岛检测方案中系统中逆变器输出电流超前公共耦合点电压的相位角，将式3-5代入式3-4中可以得到SMS的NDZ图像计算方法。可以通过计算出频率最大值和频率最小值各自的负载品质因素和谐振频率来得到NDZ图像。通过负载的线性近似处理后得到公式：（3-6）将式3-6代进3-5中可得滑模频移的相位判据公式为：（3-7）在系统电网额定频率大于负载电路谐振频率时（），孤岛效应发生后逆变器输出的电压稳态频率会小于电网额定频率（）；但是系统电网额定频率小于负载的谐振频率时（），系统稳定后公共耦合点的电压的频率会大于电网额定频率（）。由这两个条件则可以求出其NDZ在坐标系中的曲线图像满足下式：，时（3-8），时（3-9）3.4主被动相结合的孤岛检测技术上面已经分析了传统被动式孤岛检测法、主动式孤岛检测法各自的优缺点，无论采用哪一种孤岛检测方法，都不可避免的存在这样那样的问题。所以本节提出一种基于被动式过/欠压与过/欠频孤岛检测法和AFD孤岛检测法的主被动相结合的孤岛检测方案。基于被动式的过/欠压与过/欠频孤岛检测方法原理简单，实现容易，不会对电能质量造成不良影响，但是存在较大的检测盲区。AFD孤岛检测法检测效果良好，大大减小了检测盲区，但是因为引进主动频率偏移，对电能质量造成了一定的干扰，而且仍然无法避免检测盲区。过/欠压与过/欠频孤岛检测法虽然存在较大检测盲区，但是配合AFD孤岛检测法后，其不足可以得到弥补，同时可以提高孤岛检测效率，减小检测盲区。因此，探究主被动相结合的孤岛检测方案具有很好的现实意义。主被动相结合的孤岛检测方案的总体思路是根据光伏并网逆变系统正常并网工作时本地系统公共点处的功率流情况选择合适的孤岛检测方法进行孤岛检测。由图3-4所示，根据光伏并网逆变系统的并网工作状态，可以将主电网和逆变系统在公共点处的功率流情况详细分为十种情况。由流程图知道只有两种工作状态需要采用AFD孤岛检测法进行反孤岛保护，其余八种工作状态下依靠被动式过/欠压与过/欠频孤岛检测法完全可以检测出孤岛以便及时进行反孤岛保护。光伏并网逆变系统并网工作时，多数情况下是工作在单位功率因数下，即逆变系统只发出有功功率不发无功功率。如3-4流程图所示，逆变系统工作在单位功率因数时，依据本地负载的特性可以划分为两种功率流的状态。如果本地负载是纯阻性负载且并网逆变系统提供的有功功率与本地负载所消耗的有功功率恰好匹配，那么可以确定在主网断电脱离之前必须采用AFD孤岛检测法进行反孤岛保护；如果逆变系统提供的有功功率与本地负载所消耗的有功功率不匹配程度较大，那么在主网断电脱离之前完全可以采用被动式过/欠压与过/欠频孤岛检测法进行反孤岛保护。如果光伏并网逆变系统工作在非单位功率因数下，即逆变系统既发出有功功率又发出无功功率，可以将本地系统公共点处的功率流情况详细划分为八种。由流程图可以看出只有当逆变系统与本地负载所消耗的有功功率、无功功率都匹配时才需要AFD孤岛检测法进行反孤岛保护，其他功率流情况下都可以采用被动式过/欠压与过/欠频孤岛检测法进行反孤岛保护。图3-4主被动相结合孤岛检测法3.5本章小结经过本章的分析和详细的介绍，对于现有的几种反孤岛策略和不可检测区分析可以知道被动式和主动式相比，被动式孤岛检测技术的检测周期比较长，且其不可检测区域很大效率不高；而主动式虽然在降低不可检测区域上比较有效，但是注入的干扰源会降低电能的质量。所以一般实际应用中，为追求更有效的处理孤岛问题，保护分布式发电系统的正常运行，都会结合两种方案共同检测。本章主要对三种被动式和三种主动式孤岛检测技术的工作原理和优缺点进行了详细分析和比较，并分析了两种坐标系的盲区和有效性评估。第4章微电网及其孤岛利用4.1微电网为了提高分布式发电系统供配电的可靠程度，以及解决分布式发电系统的各种并网问题，提出了微电网（micro-grid）的概念，由于使用的能源为可再生能源具有绿色环保的特点，所以成为各国的重点研究方向[10]。4.1.1微电网的概念微电网是由小型分布式发电装置与其连接的负荷和低压配电网组成的一个发配电系统，同样能看成一个控制局部能量需求关系的基于分布式发电装置的小电网[5]。微电网是一个可以实现自我控制、保护和管理的自治系统，它作为完整的电力系统，依靠自身的控制及管理供能实现功率平衡控制、系统运行优化、故障检测与保护、电能质量治理等方面的功能。微电网的主要有点有以下几点：微电网和其他热电站或水电站相比，微电网的规模很小，且消耗的是清洁能源，从而减少了环境污染，有效改善能源结构，提高对新能源的开发利用。微电网中负载和发电装置之间的距离很短，和传统电网相比不需要建立各种变电站，电能运输距离短减少了损耗，提高了能量利用率，免去了很多对传统电站的大量投资。微电网因为有着独立控制的供配电体系，一般不会突然造成用户停电，保证了供电的可靠，而且电网发生故障时便于维修。微电网的发展促进了分布式发电系统的大力发展，使电力市场化进度加快，又由于建设成本的降低会使得市场电价更便宜。4.1.2微电网的运行模式微电网和分布式并网系统类似，有两种不同的运行状况，并网运行和孤岛运行。微电网的并网运行模式：在这种运行状况下，微电网视为传统电网中的一部分参与运行。微电网的电压和频率等参数远小于电网的这些特征参数，所以微电网会受到大电网的钳制而保持电压，频率趋于稳定，并且处在正常范围内，根据微电网中发电装置的输出功率和负载需求功率的满足情况来决定是向电网输出或者吸收功率。微电网的孤岛运行模式：在电网跳闸后，微电网会与电网断开从而单独向负载供电，但是由于失去大电网的钳制会是频率和电压发生跳动，导致不满足微电网中各电力设备正常运行是的额定频率和电压。所以就需要微电网中的发电装置经过一定的配合和控制，将微电网的电压和频率稳定在正常范围内。微电网的孤岛运行也存在非计划孤岛和计划孤岛两种情况，而前文提到过无论是分布式发电系统还是微电网中的非计划孤岛都是百害无一利，需要避免。所以本章节对于微电网的反孤岛策略就不一一介绍了，主要研究微电网中对于计划孤岛的利用。4.2微电网的孤岛利用4.2.1微电网孤岛利用的基本问题按照一般的反孤岛策略，在分布式发电系统中当孤岛产生后，会要求系统迅速检测到孤岛效应，并及时将分布发电装置从电网中断开，来保证电力系统安全。这样做虽然降低了孤岛发生后分布式发电系统对电网的危害，但是却同样不能保证供电的可靠性，使得分布式发电系统并不能得到充分有效的利用。而为了克服这些缺点，各国专家都开始研究关于孤岛效应的利用问题，来最大程度的利用分布式发电系统。孤岛效应的利用就是要按照提起设定的控制手段，使微电网的并网运行模式没有波动的进入孤岛模式，即有计划的进行孤岛效应。这需要在为配电网因为故障或检修而停电断网时，微电网及时检测到并与电网断开连接，装换运行模式，进入微电网单独向负载供电的状态，并且由提前设定好的控制手段来保证微电网的频率和电压不能波动太大，要保持在正常范围内。从而保证微电网的持续供电，提高微电网和DG的利用率，优化电能质量和供电可靠程度。目前对于微电网中孤岛效应的利用还处于研究阶段，下面是利用孤岛效应的一些主要难点：由于电网断网前后功率流的改变，会使得公共耦合点电压和频率产生较大变化，这就要求微电网的发电装置充分具备调压调频能力，能使电压和频率波动维持在允许范围内，但一般微电网中的小型发电装置调节能力非常有限。由于微电网的容量较小，在并网运行时，负载会向电网吸收能量。那么在与电网断开连接后，单独有微电网中的发电装置没法满足负载的需求功率，所以这要求微电网孤岛运行时识别负载的重要程度，把无关紧要的附和切断，只保留重要部分的供电。如何让微电网具备这种识别负载重要性的能力也是有待研究的。一般孤岛效应功率匹配特别接近甚至完全匹配时很难检测到孤岛的产生，然而这种状况下，微电网反到时很容易实现两种模式的平稳转换。相反如果功率失配严重时，虽然容易检测到电网断开，但是跳闸后系统中电压和频率的波动会很严重，给微电网并网模式向孤岛运行模式增添了很大难度。微电网在孤岛运行时，虽然能保证供电可靠性，但其自身仍然是一个不稳定系统。当主电网恢复正常供电后，还要将微电网短时间内并网，需要竟可能减少对主电网的冲击。4.2.2微电网利用的相关技术为了完成微电网中的孤岛利用，就得让微电网从并网模式平稳的过渡到孤岛运行状态，而在其中最关键的技术就是对于能量的平衡控制方面。孤岛运行时既需要保证负载的安全工作还要保证微电网中能量的平衡，与此同时，对于电网频率，电压幅度和电能质量等都需要加以改善和控制。能量平衡在电力系统中当负载不变时，如果负载所需的有功功率小于发电设备所提供的有功功率，频率会升高；相反，负载所需有功要大于发电设备提供的有功时，频率会下降。因此在微电网的两种运行状态进行平稳转换时，频率是不能发生改变的，所以这时必须保证微电网的能量平衡。保证能量平衡的技术有很多，但是因为微电网的系统较小，相应的技术实施也提高了难度，例如减少负载负荷，提高系统的发电量和设置储能装置等。与传统电网不同的是，诸如微电网这样的小型并网系统，本身就是一个不稳定的系统，因为这样的小型发电装置即不具备储能能力，也不能及时响应负载的变化。所以在微电网中加入短期的储能装置可以让微电网能有着及时响应的能力，能保