光伏防孤岛保护检测标准及试验影响因素分析_吴盛军
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吴盛军 1，徐青山 1，袁晓冬 2，李强 2，柳丹 2
（1．东南大学 电气工程学院，江苏省 南京市 210096； 2．国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏省 南京市 211103）
Anti-Islanding Detection Standards for Distributed PV Power Generations and Analysis on
面有差别，国内的防孤岛检测标准尚不完善。在光伏孤岛理 论基础上推导了 2 种孤岛检测算法的盲区，通过分析不同的 光伏孤岛检测标准和检测盲区关系，得出了频率和电压的保 护阈值。负载品质因数以及孤岛检测算法的参数设置会影响 光伏防孤岛保护试验，并采用仿真算例验证了以上因素对孤 岛试验结果的影响。最后用一个实测的孤岛试验案例说明了 标准差异的结果和孤岛检测的必要性，从而为光伏防孤岛保 护试验和标准完善提供参考。
KEY WORDS: grid-connected photovoltaic generation system; islanding detection; anti-islanding standard
摘要：随着光伏发电的快速发展，完善光伏并网技术要求保 障并网光伏安全稳定运行越显重要。光伏防孤岛保护是光伏 发电系统必备的保护功能，国内外光伏标准在孤岛保护方
2002 年，IEA-PVPS-Task-V 曾用“故障树理 论”分析分布式光伏发生孤岛运行对电力检修人 员和用户的风险概率，未采取安全措施的光伏孤 岛风险概率为 8.3×10−6 次/a，采取安全措施后的光 伏孤岛对电力检修人员的风险概率为 2×10−9 次/a， 对用户的风险概率为 8.3×10−11 次/a，参照英国电力 检修人员触电致死的基准概率为 10−6 人/a[2]。可见 光伏孤岛对电力检修人员有严重危害，采取相关安 全措施后可极大的减小安全风险，孤岛安全问题不 容忽视。
(UPCC / Umax )2 − 1 ≤ ΔP / Pinv ≤ (UPCC / Umin )2 − 1 (7) Qf [1 − ( f / fmin )2 ] ≤ ΔQ / Pinv ≤ Qf [1 − ( f / fmax )2 ] (8)
Qf =R C/L
(9)
式中：Umin 指欠压保护阈值；Umax 指过压保护阈值；
fmin 指低频保护阈值；fmax 指高频保护阈值；f 为公
共点频率；Qf 指负载的品质因数。
2 国内外孤岛检测标准
国 际 上 光 伏 并 网 标 准 主 要 有 IEEE Std.929-2000，IEEE Std.1547-2003，UL1741，IEC 62116 等，这些标准对光伏孤岛检测的技术参数、 测试电路和测试步骤做了详细的规定。目前，我国 已发布实施的、有效的关于并网光伏系统的国家标 准为 GB/T 29319—2012《光伏发电系统接入配电网 技术规定》，国家电网公司的企业标准 Q/GDW 617—2011 《 光 伏 电 站 接 入 电 网 技 术 规 定 》 和 Q/GDW 618—2011《光伏电站接入电网测试规程》 对光伏电站接入电网测试内容、方法和步骤、测试 条件和时间点选择等做了规定。
ABSTRACT: With the rapid development of photovoltaic (PV) power generation, it becomes more and more important to perfect the grid-connection technology of distributed PV generations and to ensure the secure and stable operation of grid-connected PV generations. The anti-islanding protection of islanded PV generation is a necessary protection function of PV generation system, and there are differences between the anti-islanding protection standard in China and those in the other countries, and the anti-islanding detection standard in China is yet imperfect. Based on theoretical basis of islanded PV generation, the non-detected zones of two islanding detection algorithms are derived, and by means of analyzing the relations between different islanding detection standards for distributed PV generation and corresponding non-detection zones the protective thresholds of frequency and voltage are obtained. The loaded quality factor and the parameter setting of islanding detection algorithm will influence the anti-islanding protection test for PV generation and the impacts of above-mentioned factors on the results of the islanding test are validated by simulation cases. Finally, the difference between domestic anti-islanding detection standard and the anti-islanding detection standards in the other countries as well as the necessity of carrying out islanding detection are illustrated by the measured results of an islanded test case.
Factors Influencing Non-Detection Zone of Islanded PV Generation
WU Shengjun1, XU Qingshan1, YUAN Xiaodong2, LI Qiang2, LIU Dan2
(1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China; 2. Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, Jiangsu Province, China)
成立[5]：
Pinv = Plo′ad = UP′2CC / R
(5)
Qinv = Ql′oad = UP′2CC / [1 / (ω′L) + ω′C]
(6)
式中： Plo′ad 、Ql′oad 为并网断路器 S 断开后本地负载
消耗有功功率和无功功率；Up′cc 、ω′为并网断路器
S 断开后 PCC 处电压和角频率。
关键词：光伏并网系统；孤岛检测；防孤岛标准 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.04.008
0 引言
国际能源机构(International Energy Agency， IEA)对光伏孤岛效应定义是在任何情况下分布式 光伏发电系统与大电网断开时仍然有逆变器继续 发电，与本地负载形成一个不受公共电网系统控制 的独立供电的自给供电孤岛[1]。当光伏孤岛发生时， 孤岛运行的电压、频率不稳，影响设备的正常运行， 重合闸会产生大的冲击电流，造成配电系统及用户 端设备损坏。
由于不同国家的电网结构和运行情况不同，光 伏并网技术条件有所不同，国际上光伏防孤岛保护 标准并不统一，几种主要的防孤岛保护检测标准的 技术参数[7-17]如表 1 所示。
正常运行时，本地负载消耗有功功率 Pload 和无功功
率 Qload，光伏逆变器输出的有功功率和无功功率分
别为 Pinv 和 Qinv，从电网获得的有功功率和无功功
率分别为 ΔP 和 ΔQ。
Pload wenku.baidu.com Pinv + ΔP
(1)
Qload = Qinv + ΔQ
(2)
Pload
=
U
2 PCC
/
R
(3)
Qload
=
U
2 PCC
/ [1 /
(ωL)
+ ωC]
(4)
式中：R、L、C 分别为负载电路的电阻、电感、电
容值；ω为公共点电压角频率；Upcc 为公共点电压。
图 1 光伏并网发电系统 Fig. 1 Grid-connected photovoltaic system
并网断路器 S 断开将对光伏系统和本地负载产 生影响，主要表现为对 PCC 处电压和频率的影响。 当电网与本地负荷交换功率不为零时，电网断开后 PCC 处的电压和频率将发生变化，超出一定范围将 触发电压或频率保护；当光伏逆变器提供的有功功 率、无功功率与本地负载需求的有功功率、无功功 率相匹配时或不匹配度较小时，断路器断开前后 PCC 处电压和频率的变化不超出电压或频率的保 护限值，则可能发生光伏孤岛运行，有如下关系式
本文从光伏孤岛的理论分析出发，对被动和主 动光伏孤岛检测算法分别进行检测盲区研究，分析 孤岛检测算法盲区分布特点，通过对比国内外光伏 防孤岛保护检测标准，分析防孤岛试验的影响因素， 从而为光伏孤岛检测工作以及相关的标准修订和 优化提供指导。
1 光伏孤岛理论分析
光伏并网发电系统如图 1 所示，光伏并网系统
当并网断路器 S 断开时，若有功功率差值 ΔP
和无功功率差值 ΔQ 较大，电压和频率将出现较大
的变化，破坏稳态运行；若两者差值较小或基本无
差值且满足式(7)(8)[6]，电压和频率波动在电力系统
允许的范围内，光伏与本地负载的形成的孤岛状态
能稳定运行，此时被动孤岛检测方法失效，孤岛检
测必须采用检测盲区更小的主动孤岛检测方法。
基于光伏逆变器本身的孤岛检测方法分被动
第 39 卷 第 4 期
电网技术
925
孤岛检测和主动孤岛检测方法 2 大类[3-4]，各种孤岛 检测方法各有优缺点，被动孤岛检测方法存在孤岛 检测时间长和盲区大问题，主动孤岛检测方法引入 扰动信号加快孤岛检测速度，同时减小检测盲区， 但对系统的暂态响应和电能质量有不良影响。光伏 孤岛检测算法的性能由孤岛检测试验和检测标准评 价，国内外光伏孤岛研究主要集中于孤岛检测算法 的研究，却缺少孤岛检测标准及孤岛试验的影响因 素分析研究，这不利于孤岛检测标准及试验的完善， 孤岛检测标准的不足将限制孤岛检测技术的发展。
第 39 卷 第 4 期 2015 年 4 月
文章编号：1000-3673（2015）04-0924-08
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 39 No. 4 Apr. 2015
学科代码：470·4051
光伏防孤岛保护检测标准及试验影响因素分析
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51377021)；国家电网公司 科技项目(5210EF140002)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51377021); Project Supported by Science and Technology Project of SGCC(5210EF140002).
（1．东南大学 电气工程学院，江苏省 南京市 210096； 2．国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏省 南京市 211103）
Anti-Islanding Detection Standards for Distributed PV Power Generations and Analysis on
面有差别，国内的防孤岛检测标准尚不完善。在光伏孤岛理 论基础上推导了 2 种孤岛检测算法的盲区，通过分析不同的 光伏孤岛检测标准和检测盲区关系，得出了频率和电压的保 护阈值。负载品质因数以及孤岛检测算法的参数设置会影响 光伏防孤岛保护试验，并采用仿真算例验证了以上因素对孤 岛试验结果的影响。最后用一个实测的孤岛试验案例说明了 标准差异的结果和孤岛检测的必要性，从而为光伏防孤岛保 护试验和标准完善提供参考。
KEY WORDS: grid-connected photovoltaic generation system; islanding detection; anti-islanding standard
摘要：随着光伏发电的快速发展，完善光伏并网技术要求保 障并网光伏安全稳定运行越显重要。光伏防孤岛保护是光伏 发电系统必备的保护功能，国内外光伏标准在孤岛保护方
2002 年，IEA-PVPS-Task-V 曾用“故障树理 论”分析分布式光伏发生孤岛运行对电力检修人 员和用户的风险概率，未采取安全措施的光伏孤 岛风险概率为 8.3×10−6 次/a，采取安全措施后的光 伏孤岛对电力检修人员的风险概率为 2×10−9 次/a， 对用户的风险概率为 8.3×10−11 次/a，参照英国电力 检修人员触电致死的基准概率为 10−6 人/a[2]。可见 光伏孤岛对电力检修人员有严重危害，采取相关安 全措施后可极大的减小安全风险，孤岛安全问题不 容忽视。
(UPCC / Umax )2 − 1 ≤ ΔP / Pinv ≤ (UPCC / Umin )2 − 1 (7) Qf [1 − ( f / fmin )2 ] ≤ ΔQ / Pinv ≤ Qf [1 − ( f / fmax )2 ] (8)
Qf =R C/L
(9)
式中：Umin 指欠压保护阈值；Umax 指过压保护阈值；
fmin 指低频保护阈值；fmax 指高频保护阈值；f 为公
共点频率；Qf 指负载的品质因数。
2 国内外孤岛检测标准
国 际 上 光 伏 并 网 标 准 主 要 有 IEEE Std.929-2000，IEEE Std.1547-2003，UL1741，IEC 62116 等，这些标准对光伏孤岛检测的技术参数、 测试电路和测试步骤做了详细的规定。目前，我国 已发布实施的、有效的关于并网光伏系统的国家标 准为 GB/T 29319—2012《光伏发电系统接入配电网 技术规定》，国家电网公司的企业标准 Q/GDW 617—2011 《 光 伏 电 站 接 入 电 网 技 术 规 定 》 和 Q/GDW 618—2011《光伏电站接入电网测试规程》 对光伏电站接入电网测试内容、方法和步骤、测试 条件和时间点选择等做了规定。
ABSTRACT: With the rapid development of photovoltaic (PV) power generation, it becomes more and more important to perfect the grid-connection technology of distributed PV generations and to ensure the secure and stable operation of grid-connected PV generations. The anti-islanding protection of islanded PV generation is a necessary protection function of PV generation system, and there are differences between the anti-islanding protection standard in China and those in the other countries, and the anti-islanding detection standard in China is yet imperfect. Based on theoretical basis of islanded PV generation, the non-detected zones of two islanding detection algorithms are derived, and by means of analyzing the relations between different islanding detection standards for distributed PV generation and corresponding non-detection zones the protective thresholds of frequency and voltage are obtained. The loaded quality factor and the parameter setting of islanding detection algorithm will influence the anti-islanding protection test for PV generation and the impacts of above-mentioned factors on the results of the islanding test are validated by simulation cases. Finally, the difference between domestic anti-islanding detection standard and the anti-islanding detection standards in the other countries as well as the necessity of carrying out islanding detection are illustrated by the measured results of an islanded test case.
Factors Influencing Non-Detection Zone of Islanded PV Generation
WU Shengjun1, XU Qingshan1, YUAN Xiaodong2, LI Qiang2, LIU Dan2
(1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China; 2. Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, Jiangsu Province, China)
成立[5]：
Pinv = Plo′ad = UP′2CC / R
(5)
Qinv = Ql′oad = UP′2CC / [1 / (ω′L) + ω′C]
(6)
式中： Plo′ad 、Ql′oad 为并网断路器 S 断开后本地负载
消耗有功功率和无功功率；Up′cc 、ω′为并网断路器
S 断开后 PCC 处电压和角频率。
关键词：光伏并网系统；孤岛检测；防孤岛标准 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.04.008
0 引言
国际能源机构(International Energy Agency， IEA)对光伏孤岛效应定义是在任何情况下分布式 光伏发电系统与大电网断开时仍然有逆变器继续 发电，与本地负载形成一个不受公共电网系统控制 的独立供电的自给供电孤岛[1]。当光伏孤岛发生时， 孤岛运行的电压、频率不稳，影响设备的正常运行， 重合闸会产生大的冲击电流，造成配电系统及用户 端设备损坏。
由于不同国家的电网结构和运行情况不同，光 伏并网技术条件有所不同，国际上光伏防孤岛保护 标准并不统一，几种主要的防孤岛保护检测标准的 技术参数[7-17]如表 1 所示。
正常运行时，本地负载消耗有功功率 Pload 和无功功
率 Qload，光伏逆变器输出的有功功率和无功功率分
别为 Pinv 和 Qinv，从电网获得的有功功率和无功功
率分别为 ΔP 和 ΔQ。
Pload wenku.baidu.com Pinv + ΔP
(1)
Qload = Qinv + ΔQ
(2)
Pload
=
U
2 PCC
/
R
(3)
Qload
=
U
2 PCC
/ [1 /
(ωL)
+ ωC]
(4)
式中：R、L、C 分别为负载电路的电阻、电感、电
容值；ω为公共点电压角频率；Upcc 为公共点电压。
图 1 光伏并网发电系统 Fig. 1 Grid-connected photovoltaic system
并网断路器 S 断开将对光伏系统和本地负载产 生影响，主要表现为对 PCC 处电压和频率的影响。 当电网与本地负荷交换功率不为零时，电网断开后 PCC 处的电压和频率将发生变化，超出一定范围将 触发电压或频率保护；当光伏逆变器提供的有功功 率、无功功率与本地负载需求的有功功率、无功功 率相匹配时或不匹配度较小时，断路器断开前后 PCC 处电压和频率的变化不超出电压或频率的保 护限值，则可能发生光伏孤岛运行，有如下关系式
本文从光伏孤岛的理论分析出发，对被动和主 动光伏孤岛检测算法分别进行检测盲区研究，分析 孤岛检测算法盲区分布特点，通过对比国内外光伏 防孤岛保护检测标准，分析防孤岛试验的影响因素， 从而为光伏孤岛检测工作以及相关的标准修订和 优化提供指导。
1 光伏孤岛理论分析
光伏并网发电系统如图 1 所示，光伏并网系统
当并网断路器 S 断开时，若有功功率差值 ΔP
和无功功率差值 ΔQ 较大，电压和频率将出现较大
的变化，破坏稳态运行；若两者差值较小或基本无
差值且满足式(7)(8)[6]，电压和频率波动在电力系统
允许的范围内，光伏与本地负载的形成的孤岛状态
能稳定运行，此时被动孤岛检测方法失效，孤岛检
测必须采用检测盲区更小的主动孤岛检测方法。
基于光伏逆变器本身的孤岛检测方法分被动
第 39 卷 第 4 期
电网技术
925
孤岛检测和主动孤岛检测方法 2 大类[3-4]，各种孤岛 检测方法各有优缺点，被动孤岛检测方法存在孤岛 检测时间长和盲区大问题，主动孤岛检测方法引入 扰动信号加快孤岛检测速度，同时减小检测盲区， 但对系统的暂态响应和电能质量有不良影响。光伏 孤岛检测算法的性能由孤岛检测试验和检测标准评 价，国内外光伏孤岛研究主要集中于孤岛检测算法 的研究，却缺少孤岛检测标准及孤岛试验的影响因 素分析研究，这不利于孤岛检测标准及试验的完善， 孤岛检测标准的不足将限制孤岛检测技术的发展。
第 39 卷 第 4 期 2015 年 4 月
文章编号：1000-3673（2015）04-0924-08
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 39 No. 4 Apr. 2015
学科代码：470·4051
光伏防孤岛保护检测标准及试验影响因素分析
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51377021)；国家电网公司 科技项目(5210EF140002)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51377021); Project Supported by Science and Technology Project of SGCC(5210EF140002).