第7章 并网光伏发电系统的孤岛效应及反孤岛策略

总结以上分析，只有在下列事件都发生的情况下，孤岛效应才会产生 危险： 1.电网因故障或维修等原因而造成供电中断； 2.发电装置的输出（有功和无功）与孤岛系统中的负载需求非常匹配； 3.当孤岛系统的工作状况在反孤岛方案的NDZ以内，此时发电装置无 法检 测到孤岛效应即检测失败； 4.工作人员接触了与并网系统相连的不绝缘的带电导体。 在考虑了以上4个因素的基础上，英国的一项研究计算出了孤岛效应 产生电击对人身伤害的总危险性水平，相关的研究结果可以归纳如下： 1.当电网中发电装置相对负载来说输出功率较低，即输出功率小于平 均最 大需求功率的30%时，功率匹配的可能性几乎为0;然而当发电装置输 出功率相对增加时，功率匹配的可能性随之增加。 2.利用英国关于电网跳阐、发电装置输出功率高等情况发生的可能性 的数 据，以及对并网逆变器反孤岛能力的合理假设，孤岛效应造成电击 的总危险性约 为10_9次/年，而英国一般电击发生的危险性约为1(T6次/年， 显然前者比后者 要小得多。 可见由孤岛效应造成的电击危险，即使是在并网逆变器系统输出功率 很髙 时，只要正确处理，也不会增加本身就存在的电击危险。实际应用 中应尽量避免 选择理论上不可检测区小但可靠性低的反孤岛方案。
2.1.1孤岛效应的发生与检测 2.1.1.1孤岛效应发生的机理 下面以典型的并网光伏发电系统为例分析其孤岛效应发生的机 理，阐述孤岛效应发生的必要条件。
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图是并网光伏发电系统的功率流图，并网光伏发电系统由光伏阵 列和逆 变器组成，该发电系统通常通过一台变压器（可能安装在逆 变器外或不安装）和断路器QF连接到电网。当电网正常运行时，假设 图7-2系统中的逆变器工作 于单位功率因数正弦波控制模式，而相关 的局部负载用并联RLC电路来模拟，并且假设逆变器向负载提供的有 功功率、无功功率分别为P、Q,电网向负载提 供的有功功率、无功功 率分别为AP、AQ,负载需求的有功功率、无功功率为Pload、Qload 。
根据能量守恒定律，公共连接点（Point of Common Coupling，PCC) 处的功 率流具有以下规律： Pbad =P + AP (7-1) Qload=Q+AQ 当电网断电时，通常情况下，由于并网发电系统的输出功率和负载 功率之间 的巨大差异会引起系统的电压和频率的较大变化，因而通过对 系统电压和频率的 检测，可以很容易地检测到孤岛效应。但是如果逆变 器提供的功率与负载需求的 功率相匹配，那么当线路维修或故障而导致 网侧断路器 QF跳闸时，公共连接点（PCC)处电压和频率的变化很小，很 难通过对系统电 压和频率的检测来判断孤岛的发生，这样逆变器可能继 续向负载供电，从而形成 由并网光伏发电系统和周围负载构成的一个自 给供电的孤岛发电系统。 从以上分析可以看出，并网发电系统孤岛效应发生的必要条件是： 1）发电装置提供的有功功率与负载的有功功率相匹配； 2）发电装置提供的无功功率与负载的无功功率相匹配，即满足相位平 衡关系。
2.1.2. 2危险性分析
孤岛效应一旦发生将带来具有以下不利影响的危险性，即 1）孤岛效应引起的重合闸问题 2）孤岛效应对正常供电的自动或手动恢复产生的干扰 3）孤岛效应给相关人员带来电击的危险 针对上述危害，虽然已研究出多种反孤岛方案，但这些方案仍 然有以下局限性： 1.执行成本髙； 2.需要光伏发电系统与电网之间的协调； 3.易误检测（误跳闸）； 4.在某些情况下具有不可检测性； 5.降低电网供电质量以及电压和频率的稳定性。
2.1.2孤岛效应发生的可能性与危险性 孤岛效应的发生可能会带来一系列危害，其中给相关人员带来的电 击危险应当是最严重的，因此这里提到的危险性主要是指孤岛效应产生 电击的危险性。 2.1.2.1可能性分析 对孤岛效应发生的可能性认识常存在两种极端：一方面，孤岛效应 被认为是可能性很小的事件，不需要特别考虑；另一方面，仅理论上的 分析都足以使人们 对孤岛效应发生的可能性引起重视。实际上，孤岛效 应发生的可能性介于两种极 端观点之间。研究孤岛效应发生可能性的主 要困难是缺少孤岛效应发生的频率、 持续时间以及发生时带来危险的实 际数据，并且关于孤岛效应的讨论不少还是基 于个人的“感觉”或“直 觉”。 针对并网光伏发电系统的孤岛效应，荷兰相应的研究机构曾做过深人 的研 究，并提供了配电网中孤岛效应发生的频率以及持续时间的实际数 据[3]。该项 研究是通过测量安装有并网光伏发电系统的典型居民区的负 荷情况来进行的，并 在两年中连续测量了每一秒钟负载需求的有功功率 和无功功率，同时将相关数据 存储在计算机内用于离线分析，由于电网 负载和并网光伏系统提供的功率之间存 在直接相关性，因而离线分析是 可行的。通过对安装有并网光伏发电系统的典型 居民区的孤岛效应研究 得出了以下结论：
2.1.5并网光伏系统的反孤岛测试 为了验证实际中反孤岛方案的有效性，必须对并网光伏发电装置进 行反孤岛测试，以验证并网光伏发电装置是否能够在规定的时间内检测 到孤岛效应，并停止运行。本传根据IEC 62116 Edition 1_0的标准，介 绍了基于并网逆变器的反孤 岛测试电路，并详述了孤岛测试的步骤及测 试判据。 • 1.反孤岛测试电路组成 • 2.测试要求 • 3.具体测试步骤
孤岛效应的发生会给系统设备和相关人员带来如下危害： 1)孤岛效应使电压及其频率失去控制，如果分布式发电系统中的发 电装置没有电压和频率的调节能力，且没有电压和频率保护继电器来限 制电压和频率的偏移，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。 2）孤岛系统被重新接入电网时，由于重合W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。 3）孤岛效应可能导致故障不能清除（如接地故障或相间短路故障）， 从而可能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。 4）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（如电网维修人员和用户）带来电击的危险。 由上可知，当主电网跳闸时，分布式发电装置.的孤岛运行将对用户 以及配电 设备造成严重损害，因此在包括并网光伏发电等系统在内的分 布式发电系统中， 并网发电装置必须具备反孤岛保护的功能，即具有检 测孤岛效应并及时与电网切 离的功能。
《太阳能光伏发电及其逆变控制》
项目三 光伏发电系统
— —2 孤岛效应及反孤岛策略
2.1孤岛效应的基本问题
相对于离网光伏发电系统而言，并网光伏发电系统在运行时具有较高 的光伏 电能利用率，然而由于并网光伏发电系统直接将光伏阵列发出的电 能逆变后馈送 到电网，因此在工作时必须满足并网的技术要求，以确保系 统安装者的安全以及 电网的可靠运行。对于通常系统工作时可能出现的功 率器件过电流、功率器件过 热、电网过/欠电压等故障状态，比较容易通过 硬件电路与软件配合进行检测、 识别并处理。但对于并网光伏发电系统来 说，还应考虑一种特殊故障状态下的应 对方案，这种特殊故障状态就是所 谓的孤岛效应。
2.1.1. 2孤岛效应的检测
了解岛效应发生的机理后，重要的是要能够及时而有效地检测出孤岛 效应，即 1）必须能够检测出不同形式的孤岛系统，每个孤岛系统可能由不同的负 载 和分布式发电装置（如光伏发电、风力发电等）组成，其运行状 况可能存在很 大差异。一个可靠的反孤岛方案必须能够检测出所有 吋能的孤岛系统。 2）必须在规定时间内检测到孤岛效应。这主要是为了防止并网发电装置 不 同步的重合闸。空气开关通常在0.5 ~ Is的延迟后重新合上，反 孤岛方案必须在 重合闸发生之前使并网发电装置停止运行。
2.负载品质因数Qf的确定 将并联RLC谐振电路的品质因数Qf与负载电路的位移功率因数（ Displace­ment Power Factor, DPF)联系起来将更有利于反孤岛测试中 对负载品质因数（>f 的确定，那么负载品质因数Qf与位移功率因数（ DPF)究竟有何关系呢？ 为了便于定量分析，首先做下列假设[5]: 1.假设负载电路中不含补偿功率因数的电容，并a已知负载电路消耗 的有 功功率和负载电路的功率因数，由这两个数据和电网电压及频率， 可以计算出负 载电路中的电阻和电感L; 2.假设并上的无功补偿电容刚好使负载电路的功率因数为1。这种假 设是 合理的，因为负载电路的功率因数等于1意味着负载电路的谐振频 率等于电网频 率，而这是反孤岛保护所面临的最严重情况（任何其他的 谐振频率都将有助于 而不是有碍于反孤岛保护），此时A和C将有一个固 定的关系。 2.1.3.3有功功率和无功功率的不匹配分析 1.孤岛时系统的功率流图及相关分析 2.孤岛时系统的功率匹配分析
1）如果电网中并网光伏发电系统能够提供的最大功率约为夜间最小 负载的 2~3倍，那么负载与并网光伏发电系统功率匹配的状况就不会发生； 2）如果每个住户所安装的并网光伏发电系统的最大功率不超过400W, 功 率匹配状况也不会发生； 3）并网光伏发电系统的发电量不会显著影响功率匹配状况发生的频 率和 时间； 4）无论并网光伏发电系统发电量在总发电量中的比例高低，功率匹 配状况 发生的可能性都非常小； 5）功率匹配状况发生的可能性与连接到馈电线上的住户的数域无关； 6）低压电网中功率匹配状况发生的可能性小于10_6 ~丨0_5次/ 年； 7）功率匹配同时电网供电中断的可能性即孤岛效应发生的可能性几 乎为0。 以上研究结论表明：并网光伏发电系统中功率匹配状况发生的可能性 非常小，而孤岛效应发生的可能性几乎为0。 虽然荷兰相关机构在对某个典型居民区孤岛效应的研究中得出了孤岛 效应发 生的可能性几乎为0的结论，但是毕竟研究的范围有限，也不能满 足未来发展的 要求，因此孤岛效应作为一个技术问题，必须对其危险性 有足够的重视，并采用 适当的方案来加以防止或利用。
2.1.4孤岛效应的检测标准与研究状况 由于一系列技术和经济障碍，使得近些年对孤岛效应的利用是不可 能推广的，这主要是因为对于孤岛效应的利用需要对系统进行满足孤岛 安全运行模式的 重新设计，于是现阶段还是要求必须及时检测并禁止孤 岛效应的发生。国际上先 后制定的并网技术标准如UL1741[6]、IEEE Std. 929⑴和IEEE Std. 1547. l7]等 都规定了并网发电装置必须具有反 孤岛保护功能，并设计出具体的反孤岛测试电 路和测试方法。 • • • • • • 近年来，关于孤岛效应的研究主要集中于以下几个方面： 1.孤岛效应的机理研究； 2.反孤岛策略的研究； 3.反孤岛策略的有效性评估； 4.并网光伏发电装置的反孤岛测试； 5.孤岛效应的利用。
2.1.3并网逆变器发生孤岛效应时的理论分析 2.1.3.1并网逆变器系统 逆变器并网运行时，输出电压由电网电压钳位，逆变器所能控制的 只是输人电网的电流。其中，并网电流的频率和相位应与电网电压的相 同，而幅值是根据 实际系统的控制来决定的。 2.1.3.2反孤岛测试电路中的负栽品质因数 1.负载品质因数Qf的定义
2.2基于并网逆变器的被动式反孤岛策略 在并网光伏发电系统中，基于并网逆变器的反孤岛策略主要分为 两类：第一类称为被动式反孤岛策略，如不正常的电压和频率、相位 监视和谐波监视等；第 二类称为主动式反孤岛策略，如频率偏移和输 出功率扰动等。第-类方法只能在 电源一负载不匹配程度较大时才能 有效，在其他情况（例如逆变器输出负载并 联电容）下可能会导致将 孤岛检测的失效。第二类方法如频率偏移法，则是通 过在控制信号中 人为注入扰动成分，从而使得频率或者相位偏移，这类主动式方 法虽 然使系统的反孤岛能力得到了加强，但仍然存在不可检测区，即当电 压幅值 和频率变化范围小于某一值时，系统无法检测到孤岛的存在。 本节及下一节主要 将介绍并网逆变器的被动与主动两种反孤岛策略。 • 2. 2.1 过/欠电压、过/欠频率反孤岛策略 • 1.过/欠电压反孤岛策略（OVP/UVP) • 2.过/欠频率反孤岛策略（OFP/UFP)