并网逆变器的孤岛效应与检测方法

• 孤岛效应是并网发电系统特有的现象，具有相当大的危害性，不仅会危害 到整个配电系统及用户端的设备，更严重的是会造成输电线路维修人员的 生命安全。
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9.1 孤岛效应的产生机理及危害
9.1.2 孤岛效应发生的机理
• 孤岛效应产生的主要原因
1）公共电网检测到故障，导致网侧投闸 开关跳开，但是并网发电装置或者保护装 置没有检测到故障而继续运行。
• 本地检测：
1. 被动式检测法：被动式检测法是利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐 波的变化进行孤岛效应检测。
2. 主动式检测法：通过控制逆变器，使输出的功率、频率或 相位存在一定的扰动，然 后检测它的响应，根据检测到的响应参数的变化来确定孤岛是否发生。
• 其他检测方法
1. 逆变器外部的检测方法。如“网侧阻抗插值法”，该方法是电网出现故障时在电网负 载侧自动插入一个大阻抗，使得网侧阻抗突然发生显著变化，从而破坏系统功率平衡， 造成电压、频率和相位的变化。
光伏发电技术及其应用 第9章 并网逆变器的孤岛效应与检测方法
Prof. Wei Xueye
魏 學業 教授
Email: xywei@bjtu.edu.cn Working Room: SD410
School of Electronics and Information Engineering Beijing Jiaotong University
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9.3 被动式孤岛检测方法
9.3.1 过/欠电压和高/低频率检测法
• 检测原理
3）当Q>0时，负载消耗的无功分量中感性大于容性，由负载消耗的无功
功率
QL U 2
1 L
C
，可知此时有
LC0。.5 当S1断开的瞬间，Q突然降
LC
1 fmax f
f
(L L) (C C)
f

f fmax
2
1 剟 LL

C C

f fmin
2
1
由此可得ΔL、ΔC和ΔQ三者之间的关系为
Q

U
2

2πf
1 (L
L)

2πf
(C

C )

U
2

2πfL(1
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9.2 孤岛检测标准及发展现状
9.2.1 孤岛检测标准
根据国际专用标准IEEE Std.929-2000、UL1741的规定，并网逆变器必须具有防孤 岛（Anti–Islanding）的功能，同时给出了逆变系统在电网断电后检测到孤岛现 象并实现脱网的时间限制，具体规定见表。Unom是指电网电压幅值的正常值， fnom是指电网电压频率的正常值。
Umin 剟Ua Umax fmin 剟 fa fmax
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9.3 被动式孤岛检测方法
（1）逆变器工作在恒功率（PPV）状态 由图9-2可知，逆变器并网工作时，有功功率不平衡对逆变器功率的归一化可表示为
1）当P>0时，逆变系统提供的有功功率小于负载所消耗的功率，即Pload>P，当S1 断开的瞬间，P突然降为零，导致供给负载的有功能量Pload突然减小，U' 将随之降 低，如果U' 降低至超出低压保护阈值，即可通过UVP实施孤岛保护。
2）当P<0时，逆变系统提供的有功功率多于负载所消耗的功率，即，当S1断开的 瞬间，P突然降为零，逆变系统提供的有功功率全部共给负载，导致突然增大， Uwk.baidu.com 将随之升高，如果U' 升高至超出高压保护阈值，即可通过UVP实施孤岛保护。
为零，为维持逆变器单位功率因数的并网条件，应有Qload Q Q 0
，因此需要升高ω直至负载谐振角频率 res LC0.5。一旦ω升至超出频率
保护阈值，即可通过OFP实施孤岛保护。
4）当Q<0时，负载消耗的无功分量中感性小于容性，此时有 LC 。 0.5
与Q>0的情况类似，当S1断开瞬间，只有降低ω直至负载谐振角频率 res 时
如果逆变器过电压（OVR）、欠电压（UVR）继电器的动作值是Umax、Umin， 则当断网后负载的不匹配程度满足不等式（9-19）时，电压的变化没有越限， 继电器不动作。
U Umax
2
1 剟P P
U Umin
2
1
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图9-3 并网逆变器防孤岛测试电路
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9.2 孤岛检测标准及发展现状
9.2.1 孤岛检测标准
我国2005年底发布的标准GB/T 19939—2005《光伏系统并网技术要求》中对防孤岛 效应也作了具体规定，要求“应设置至少各一种主动和被动防孤岛效应保护”，同时还 对公共节点处的过/欠电压、过/欠频保护见表9-2的规定。Unom对于中国的单相市电， 为交流220V（有效值），fnom对于中国的单相市电，频率为50Hz。
2π LC
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9.1 孤岛效应的产生机理及危害
如果逆变器过频（OFR）、欠频（UFR）继电器的动作值是fmax、fmin，则当断网后 负载的不匹配程度满足下面不等式时，频率的变化没有越限，频率继电器不动作。
令ΔCΔL=0，则
fmin f 剟
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9.1 孤岛效应的产生机理及危害
9.1.3 孤岛效应的危害
1）当电网无法控制孤岛发生区域中的电压和频率，可能发生供电电压与频率不稳定 的现象，电源的电压和频率可能会对孤岛系统中的用电设备产生一定的损害。 2）如果负载容量大于逆变电源容量，导致逆变电源过载运行，逆变电源容易被烧毁。 3）孤岛的电压相量会相对于主网产生漂移，如果两者相位相差很大，当电网快速恢 复时，可能引起孤岛系统并网重合闸时再次跳闸，甚至损坏发电设备和其他连接设 备。 4）当发电系统处于孤岛时，与逆变电源相连的线路仍然带电，可能会危及电力线路 的维护人员的安全，降低电网的安全性。 5）妨碍供电系统正常恢复供电。孤岛发生后，逆变电源的输出与电网失去了同步时 序，当电网恢复供电时可能因出现大的冲击电流而导致该线路再次跳闸（重合闸失 败），导致损坏逆变器和设备。
L U2 2πfQf P
f 1 2π LC
当电网掉电以后的等效电路如图9-2b所示，节点a处的电压变为U'，RLC负载的谐
振频率为
f
1
2π (L L) (C C)
由此可得
1
1
f f f
2π
(L L) (C C) 1
2π LC
LC
1
(L L) (C C)
P U 2 U 2 R R R
则
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P

U2 R

U2 R R

1
1
P U 2 /(R R) 1 R / R
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P
P

1
2
1
U U

U U
2 1
1
U U
1
2
1
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9.1 孤岛效应的产生机理及危害
fnom
2.0s
E
U≥135%Unom
fnom
0.05s
F
Unom
f<fnom-0.5Hz
0.2s
G
Unom
f>fnom+0.5Hz
0.2s
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9.2 孤岛检测标准及发展现状
9.2.2 孤岛检测方法研究现状
• 远程检测：
远程检测是利用通信、电力载波等方法，在电网侧对孤岛状态进行检测。
表9-2 GB/T 19939-2005关于过/欠电压、过/欠频保护的规定
状态
断电后电压幅值 断电后电压频率 允许最大检测时间
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A
U <50%Unom
fnom
0.1s
B
50%Unom≤U <85%Unom
fnom
2.0s
C
85%Unom≤U ≤110%Unom
fnom
继续运行
D
110%Unom<U <135%Unom
并网运行时，逆变器输出的有功功率为
P U 2 /(R R)
电网断开后，负载的有功功率变为 PL U 2 / R
假设并网系统采用的是恒定功率控制，则有
简化上式，得
R 2 U U 2
R UU
U2 (U U )2 U 2
R
R
R R
并网运行时，AP由电网提供，即
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目录
• 9.1 孤岛效应的产生机理及危害 • 9.2 孤岛检测标准及发展现状 • 9.3 被动式孤岛检测方法 • 9.4 主动式孤岛检测方法
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9.1 孤岛效应的产生机理及危害
9.1.1 孤岛效应的定义
• 所谓的“孤岛”是指电力系统的一部分（含负载和正在运行的发电设备） 与其余部分隔离，能独立供电运行的一种状态。
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9.1 孤岛效应的产生机理及危害
并网逆变器两种防护方式：
• 被动式防护：当电网中断供电时，会在电网电压的幅值、频率和相位参数上产生 跳变信号，通过检测跳变信号来判断电网是否断电；
• 主动式防护：对电网参数发出小干扰信号，通过检测反馈信号来判断电网是否断 电。一旦并网逆变器检测并确定电网断电后，会立即自动运行“电网断电自动关 闭”功能。当电网恢复自动供电时，并网逆变器会在检测到电网信号后持续90s， 待电网完全恢复正常后才开始运行“电网恢复自动运行”功能。
2）由于电网设备故障而导致正常供电的 意外中断。
3）电网维修造成的供电中断。 4）工作人员的误操作或蓄意破坏。 5）自然灾害（风、雨、雷电等）。
图9-1 孤岛研究的电网拓扑
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9.1 孤岛效应的产生机理及危害
• 孤岛检测的基本原理 电流控制型并网逆变器发电系统的功率图如图9-2所示
状态
断电后电压幅值 断电后电压频率 允许最大检测时间
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A
U<50%Unom
fnom
6周期
B
50% Unom≤U<88%Unom
fnom
C
88%Unom≤U≤Unom110 %
fnom
D
110%Unom <U <137%Unom
fnom
E
U≥137%Unom
fnom
120周期 正常工作 120周期
2. 运用电网系统的故障信号进行控制，一旦电网出现故障，电网侧自身的监控系统就会 向光伏发电系统发出控制信号，以便能够及时切断分布式发电系统与电网的并联运行。
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9.3 被动式孤岛检测方法
9.3.1 过/欠电压和高/低频率检测法
• 检测原理
对于图9-2，电网正常（开关S1闭合）时，逆变电源输出功率为P+jQ，负载功率 为Pload+jQload,电网输出功率为Δ P+jΔ Q。
才能维持逆变器单位功率因数并网条件。一旦ω降至超出频率保护阈值，
即可通过UFP实施孤岛保护。
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• 有效性评估
9.3 被动式孤岛检测方法
盲区：指在某种孤岛检测方法下，使检测失败的所有负载总和。
功率失配空间法：该描述方法是一个二维空间，以有功不匹配度（ΔP/PPV）为 横轴，无功不匹配度（ΔQ/PPV）为纵轴。设置电压和频率保护的阈值如下：
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图9-2 断网前后孤岛区域等效电路图
a) 并网运行等效电路图 b) 断网后等效电路图
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9.1 孤岛效应的产生机理及危害
a处的功率为
QPloloaadd

P P Q Q
R U2 P
C

Qf P 2πfU 2
L U2 2πfQf P
2周期
F
Unom
f<fnom-0.7Hz
6周期
G
Unom
f<fnom+0.5Hz
6周期
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9.2 孤岛检测标准及发展现状
9.2.1 孤岛检测标准
标准IEEE Std.929-2000、UL1741还给出了用于测试并网逆变器 防孤岛能力的测试电路和方法，如图9-3所示。
1
L
/
L)

2πfC (1

C
/
C )

1
QL L
/
L

QC
(1
C
/
C)
可以得出
Qf
1


f fmin
2

剟Q PL
Qf
1


f fmax
2


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