现有反孤岛策略和评估分析

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。1.1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。1.1.1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。1.1.2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。1.1.3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。1.2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。1.2.1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。1.2.2Sandia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。1.2.3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。1.3检测盲区和有效性评估1.1.1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1.1.2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。1.1.2.1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。1.1.2.2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）1.4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