新能源发电与并网技术(2)-5

新能源发电与并网技术
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
1、孤岛效应的基本问题
孤岛效应的危害： • 孤岛系统中的电压和频率将会发生较大的波动，从而对电网和用 户设备造成损坏。 • 孤岛系统重新接入电网时，重合闸时系统中的分布式发电装置可 能与电网不同步而使电路断路器装置受到损坏，并且可能产生很 高的冲击电流，从而损害孤岛系统中的分布式发电装置，甚至导 致电网重新跳闸。 • 孤岛效应可能导致故障不能清除，从而导致电网设备的损害，并 且干扰电网正常供电系统的自动或手动恢复。 • 孤岛效应使得一些被认为已经与所有电源断开的线路带电，这会 给相关人员带来电击的危险。
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
(4) 基于电压谐波检测的反孤岛策略 • 通过监控并网逆变器输出端电压谐波失真来检测孤岛效应的一 种被动式策略。 • 电网连接时，逆变器产生的谐波电流流入低阻抗的电网，很小 的谐波与低值的电网阻抗在并网逆变器输出端处的电压响应ua 仅含有非常小的谐波。、 • 电网跳闸后，ua中的谐波增加： ① 逆变器电流流入阻抗远高于电网的负载，从而使逆变器输出 端电压ua产生较大的失真； ② 如果开关位于变压器一次侧，逆变器输出电流流过变压器的二 次绕组，由于变压器的磁滞现象及其非线性特性，变压器的电 压响应将高度失真，增加ua中的谐波含量。该谐波电压主要是 三次谐波。
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
(2) 过/欠频率反孤岛策略（OFP/UFP） • 若并网逆变器运行于单位功率因数状态，在孤岛形成前后的两 个稳定状态下，逆变器输出电流与PCC电压间的相位差为0，即
ϕ = ϕ0 ≈ 0
• 孤岛状态下PCC点电压的角频率
ω=
2Q f Pload ω 0 −ΔQ +
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
① AFD方案 • 缺点：频率降低了电能质量；不连续的电流波形可导致射频干 扰；多台逆变器并联时，必须统一逆变器频率偏移的方向，否 则其综合效果可能会相互抵消，从而产生稀释效应；负载的阻 抗特性可能会阻止频率偏移，从而导致策略失效。 ② Sandia频移方案 • Sandia频移是对AFD的改进方法，是对ua的频率运用正反馈的 主动式频移方案。 • 定义斩波因子为：
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
(1)“过/欠压”反孤岛策略 • 并网逆变器采用电流控制策略，在孤岛形成前后的两个稳态 下，逆变器输出电流和它与PCC电压之间的相位差不变，即：
I = I0 ,ϕ = ϕ0
• 正常电网条件下： Pload − ΔP I0 = U 0 cos ϕ o • 电网断开并达到稳态时：
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
① AFD方案 • 常用执行向上频移的方案。
f i = f v + Δf
• 并网运行时，在前半个周 期，光伏系统输出电流的频 率略高于电网频率，当输出 电流达到零点时，电流保持 tz直到后半周期的起始点。 • 定义斩波因子为：
• 非检测区NDZ为： U max U min ΔP < < 1− 1− U0 Pload U0 (2) 过/欠频率反孤岛策略（OFP/UFP） • 当并网逆变器检测出PCC处的电压频率超出正常范围时，通过 控制命令停止逆变器并网运行以实现反孤岛的一种被动式方法。 • 频率的上、下限：f0=60Hz, f1=59.3Hz, f2=60.5Hz; f0=50Hz, f1=49.4Hz, f2=50.4Hz。
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School of Electrical and Electronics Engineering
新能源发电与并网技术 光伏发电 （5）
主讲人： 朱晓荣
2.8 孤岛效应及反孤岛策略
1、孤岛效应的基本问题
孤岛效应：当电网由于电 气故障、误操作或自然因 素等原因中断供电时，分 布式发电系统未能检测出 停电状态而将自身切离市 电网络，仍然向周围的负 载提供电能，从而形成一 个电力公司无法控制的自 给供电网络。
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
1、孤岛效应的基本问题
孤岛效应发生的机理 • 正常运行时，公共连 接点处的功率流具有 以下规律：
⎧ Pload = P + ΔP ⎨ ⎩Qload = Q + ΔQ
• 电网断电时，如果逆变器输出功率与负载功率之间存在较大差异，则系 统的电压、频率会发生较大变化，很容易检测到孤岛效应。 • 如果输出功率和负载功率相匹配，则QF跳闸后，电压、频率变化不大， 孤岛效应发生。
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
(4) 基于电压谐波检测的反孤岛策略 • 优点：能在大范围内检测孤岛效应；多台逆变器时不会产生稀 释效应；即使在功率匹配的情况下，也能检测到孤岛效应；不 会影响逆变器输出电能的质量，不会干扰系统的暂态响应。 • 缺点：存在阈值的选择问题。
ϕ0 = 0
2 U0 R= Pload
U = IR cos ϕ
• 联立求解，可得：
⎛ ΔP ⎞ U = U0 ⎜ 1 − ⎟wenku.baidu.comPload ⎠ ⎝
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
(1)“过/欠压”反孤岛策略 • 如果U在正常检测范围内时，孤岛检测就会失败。
U min < U < U max
1、孤岛效应的基本问题
孤岛效应的检测方法
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
2、基于并网逆变器的被动式反孤岛策略
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 进行孤岛检测。 在电源-负载不匹配程度较大时才能有效，在其他情况下可能导 致孤岛检测失效。 优点：不需要额外的硬件，不影响输出的电能质量，多台逆变 器的情况下，检测效率不会降低。 (1)“过/欠压”反孤岛策略 • 当并网逆变器检测出逆变器输出的电网公共连接点PCC处的电 压幅值超出正常范围时，通过控制命令停止逆变器并网运行以 实现反孤岛的一种被动式方法。
)
• 电网连接时，逆变器输出 电压频率为fg，电压-电流 相位差为0. • 电网断开时，若频率上升，电流超前于电压的相位增大，逆变 器增加输出电流的频率，正反馈的作用驱使系统达到一个新的 工作点C.
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
③ 滑模频率偏移法 • 优点：易于实现；多台逆变器并联对检测效率影响不大。 • 缺点：影响电能质量和暂态响应。对L相对较小，C相对较大或 R很大的情况，仍存在NDZ。
• 逆变器输出电压是光伏系统输出功率和负载需求功率之比的函数。 • 孤岛系统的频率是光伏输出有功、无功及负载谐振频率的函数。 • △P>±20%时，利用过/欠电压检测可容易检出孤岛效应； △Q>±5%时，利用过/欠频率检测可容易检出孤岛效应。
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
Δω = ω − ω g
cf k = cf k −1 + K Δω
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② Sandia频移方案 • 电网跳闸后，若频率往上偏移，则频率偏差将增加，斩波因子 也增加，于是并网逆变器增加了输出电流的频率，这种状况持 续直到频率增大到触发过频保护。 • 若电网跳闸后，频率往下偏移（容性负荷），则频率偏差为负 值，斩波因子减小，逆变器减小输出电流的频率，最终斩波因 子变为负值，触发欠频保护。 • 优点：比AFD更小的NDZ。 • 缺点：增加了扰动，降低了电能质量；连接到弱电网时，逆变 器输出功率不稳定可能导致系统不理想的暂态响应。
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
孤岛效应发生的机理 • 孤岛运行时，负载用最不利的 RLC并联电路代替。 • 系统的频率可表示为：
⎛1 Q ⎞ + 1⎟ ⎜ LC ⎝ 2 qP ⎠ 1
ωi ≈
q=R
C L
k= P Pload
• 系统的电压为： U i = kU
3、基于并网逆变器的主动式反孤岛策略
主要包括频移法、功率扰动法和阻抗测量法。 (1)频移法 • 频移法是主动式反孤岛策略方案中最为常用的方案，主要包括 主动频移（AFD）、Sandia频移和滑模频移等。 • 主动频移AFD反孤岛策略是针对过/欠频率反孤岛策略存在较大 的NDZ而提出的。
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( ΔQ )
2
2 + 4Q 2 Pload f
• 如果频率在正常范围内，孤岛检测就会失败，NDZ为。
⎛ ω1 ω 0 ⎞ Δ Q < Qf ω1 < ω < ω 2 , Q f ⎜ − ⎟ < ⎝ ω 0 ω1 ⎠ Pload
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⎛ ω2 ω0 ⎞ − ⎜ ⎟ ω0 ω2 ⎠ ⎝
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cf =
tz TVutil 2
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① AFD方案 • 电网断开后，对于电阻性负载，电压响应将跟随失真的电流波 形，将比标准的正弦激励响应更早到达过零点。逆变器检测ua 的频率并再次增加电流的频率，直到频率偏移足够大足以触发 过/欠频保护，从而实现了主动频移反孤岛保护。 • 对于并联RLC负载，AFD可能存在NDZ。设负载呈阻容性。电网 跳闸后，负载的阻容性导致ua过零点滞后于电流，逆变器认为 ua频率降低，逆变器输出电流的频率向上的变化量被部分甚至 全部抵消；此时频率未超出预设的阈值，无法检测到孤岛发生。 • 优点：易于实现；在纯电阻负载的情况下，可以阻止持续的孤 岛运行。
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
(1) 频移法 • 主动频移AFD方案仍具有较大的NDZ，美国Sandia实验室首先提 出了AFD方案的改进，即带正反馈的主动移频反孤岛策略，也 即Sandia频移反孤岛策略。 • AFD方案和Sandia频移方案均存在稀释效应，滑模频移反孤岛 策略可克服该不足。 ① AFD方案 • 工作原理：通过并网光伏系统向电网注入略微有些变形的电 流，以形成一个连续改变频率的趋势。当连接有电网时，频率 是不能改变的。与电网分离后，逆变器输出端电压ua的频率被 强迫向上或向下偏移，以此检测孤岛的发生。
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
(3) 基于相位跳变的反孤岛策略 • 通过监控并网逆变器端电压 与端电流之间的相位差来检 测孤岛效应的一种被动式策 略。 • 正常情况下，单位功率因数 逆变器的输出电流与输出电 压同相；跳闸后逆变器端电 压将不再由电网控制，此时 逆变器端电压的相位将发生 跳变。
• 优点：容易实现。 • 缺点：动作阈值选择较难。
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
③ 滑模频率偏移法 • 滑模频移反孤岛方案是对并网逆变器输出的电流-电压的相位 运用正反馈使相位偏移进而使频率发生偏移的方案。 • 逆变器输出电流的相位定义为：
θ SMS = θ m sin(
π f − fg
2 fm − f g
（2）功率扰动法
① 有功功率扰动法 • 电网断开后，孤岛系统的电压为：
U i = kU
k=
P Pload
• 周期性的改变PV逆变器的输出功率是一种简单的反孤岛策略。 • 可通过逆变器输出电流扰动来实现来实现有功的扰动。
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2.8 孤岛效应及反孤岛策略
① 有功功率扰动法 • 优点：单台逆变器运行时，不存在检测盲区；并网运行时，仅 影响逆变器输出功率。 • 缺点：多台逆变器运行时，功率扰动必须同步进行，否则可能 会相互抵消而产生稀释效应，进入NDZ；影响输出效率；孤岛 检测的阈值选取困难，过大，会增加孤岛不可检测区，过小， 会引起孤岛检测与保护系统误动作。 ② 无功功率扰动法 • 调节无功功率输出改变孤岛状态下的电源-负载之间的无功匹 配度，通过负载频率的持续变化达到孤岛检测的目的。 • 逆变器输出的无功电流可调节，负载无功需求在一定的电压幅 值和频率条件下是不变的。