光伏逆變器防孤島效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1、光伏并網(wǎng)逆變器防孤島效應(yīng)實(shí)驗(yàn)周璇根據(jù)2009年8月3日北京鑒衡認(rèn)證中心公布的CGC/GF0012009并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)要求和實(shí)驗(yàn)方法。IECG2006光伏并網(wǎng)系統(tǒng)用逆變器防孤島測試方法的相關(guān)要求，并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品必須嚴(yán)格進(jìn)行出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)。根據(jù)IEEE1547和UL1741的相關(guān)規(guī)定。光伏并網(wǎng)逆變器必須具有防孤島效應(yīng)自動(dòng)保護(hù)功能。原理：在電容器串聯(lián)的電路里,只有與外電路相連接的兩個(gè)極板（注意：不是同一電容器的極板）有電流流動(dòng)（電荷交換），其他極板的電荷總量是不變的，所以稱為孤島。 孤島是一種電氣現(xiàn)象，發(fā)生在一部分的電網(wǎng)和主電網(wǎng)斷開，而這部分電網(wǎng)完全由光伏系統(tǒng)來供電。在國際光伏并網(wǎng)標(biāo)

2、準(zhǔn)化的課題上這仍是一個(gè)爭論點(diǎn)，因?yàn)楣聧u會(huì)損害公眾和電力公司維修人員的安全和供電的質(zhì)量，在自動(dòng)或手動(dòng)重新閉合供電開關(guān)向孤島電網(wǎng)重新供電時(shí)有可能損壞設(shè)備。所以，逆變器通常會(huì)帶有防止孤島效應(yīng)裝置。被動(dòng)技術(shù)（探測電網(wǎng)的電壓和頻率的變化）對于平衡負(fù)載很好條件下通電和重新通電兩種情況下的孤島防止還不夠充分，所以必須結(jié)合主動(dòng)技術(shù)，主動(dòng)技術(shù)是基于樣本頻率的移位、流過電流的阻抗監(jiān)測、相位跳躍和諧波的監(jiān)控、正反饋方法、或?qū)Σ环€(wěn)定電流和相位的控制器基礎(chǔ)上的?，F(xiàn)在已有許多防止的辦法，在世界上已有16個(gè)專利，有些已獲得，而有些仍在申請過程當(dāng)中。其中的有些方法，如監(jiān)測電網(wǎng)流過的電流脈沖被證明是不方便的，特別是當(dāng)多臺(tái)的逆變

3、器并行工作時(shí)，會(huì)降低電網(wǎng)質(zhì)量，并且因?yàn)槎嗯_(tái)逆變器的相互影響會(huì)對孤島的探測產(chǎn)生負(fù)面影響。在另一些場合，對電壓和頻率的工作范圍的限制變得寬了，而安裝工人通常可以通過軟件來設(shè)置這些參數(shù)，甚至于ENS（一種監(jiān)測裝置，在德國是強(qiáng)制性的）為了能在弱的電網(wǎng)中工作，可以把它關(guān)掉。孤島效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室：一般是用諧振模擬負(fù)載電路，同時(shí)定義了一個(gè)質(zhì)量因數(shù)，“Q-factor”。盡管如此，這些試驗(yàn)還是很難運(yùn)行，特別是對于那些高功率的逆變器，它們需要很大的試驗(yàn)室。試驗(yàn)的電路和參數(shù)會(huì)根據(jù)不同國家有所不同，測試結(jié)果很大程度上取決于試驗(yàn)者的技術(shù)水平。 現(xiàn)已開展了一些研究，用來評(píng)估孤島效應(yīng)和它關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)的各種可能性，研究表明對于低密度

4、的光伏發(fā)電系統(tǒng)，事實(shí)上孤島是不可能的，這是因?yàn)樨?fù)載和發(fā)電能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不可能匹配。但是，對于帶高密度光伏發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)部分，主動(dòng)孤島效應(yīng)保護(hù)方法是必要的，同時(shí)輔以電壓和頻率的控制，來保證光伏帶來的風(fēng)險(xiǎn)降到極其微小，這一數(shù)據(jù)須與不帶光伏的電網(wǎng)的年觸電預(yù)計(jì)數(shù)相比較。大多數(shù)光伏逆變器同時(shí)帶有主動(dòng)和被動(dòng)孤島保護(hù)，雖然沒有很多光伏突入電網(wǎng)的例子，但對于這方面，國外的標(biāo)準(zhǔn)沒有放松。 孤島效應(yīng)是基站覆蓋性問題，當(dāng)基站覆蓋在大型水面或多山地區(qū)等特殊地形時(shí)，由于水面或山峰的反射，使基站在原覆蓋范圍不變的基礎(chǔ)上，在很遠(yuǎn)處出現(xiàn)"飛地"，而與之有切換關(guān)系的相鄰基站卻因地形的阻擋覆蓋不到，這樣就造成&qu

5、ot;飛地"與相鄰基站之間沒有切換關(guān)系，"飛地"因此成為一個(gè)孤島，當(dāng)手機(jī)占用上"飛地"覆蓋區(qū)的信號(hào)時(shí)，很容易因沒有切換關(guān)系而引起掉話。光伏系統(tǒng)的孤島效應(yīng)：由于孤島效應(yīng)的潛在危險(xiǎn)性和對設(shè)備的損壞性，社會(huì)公共工程和發(fā)電設(shè)備業(yè)主長期以來一直關(guān)注光伏并網(wǎng)逆變器的反孤島控制。因此，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用中必須防止孤島效應(yīng)。含義所謂孤島效應(yīng)，即指如并入公共電網(wǎng)中的發(fā)電裝置，在電網(wǎng)斷電的情況下，這個(gè)發(fā)電裝置卻不能檢測到或根本沒有相應(yīng)檢測手段，仍然向公共電網(wǎng)饋送電量。孤島效應(yīng)的危害一般來說，孤島效應(yīng)可能對整個(gè)配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶端的設(shè)備造成不利的影響，包括：

6、1)危害電力維修人員的生命安全； 2)影響配電系統(tǒng)上的保護(hù)開關(guān)動(dòng)作程序； 3)孤島區(qū)域所發(fā)生的供電電壓與頻率的不穩(wěn)定性質(zhì)會(huì)對用電設(shè)備帶來破壞； 4)當(dāng)供電恢復(fù)時(shí)造成的電壓相位不同步將會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，可能會(huì)引起再次跳閘或?qū)夥到y(tǒng)、負(fù)載和供電系統(tǒng)帶來損壞； 5)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)因單相供電而造成系統(tǒng)三相負(fù)載的欠相供電問題。 由此可見，作為一個(gè)安全可靠的并網(wǎng)逆變裝置，必須能及時(shí)檢測出孤島效應(yīng)并避免所帶來的危害。孤島效應(yīng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std2000929和ULl74規(guī)定，所有的并網(wǎng)逆變器必須具有反孤島效應(yīng)的功能，同時(shí)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)給出了并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電后檢測到孤島現(xiàn)象并將逆變器與電網(wǎng)

7、斷開的時(shí)間限制，如下表： Voltage Time to operate V <50%Vnorm 6 cycles 50%Vnorm <V <88%Vnorm 2 seconds 88%Vnorm <V <11O%Vnorm Normal operation 110%Vnorm <V <l37%Vnorm 2 seconds V >l37%Vnlorm 2 cycles Frequency Time to operate fnorm+0.5 <f 6 cycles f<fnorm-0.7 6 cycles 注：(1)Vnorm指電網(wǎng)電

8、壓幅值的額定值，對于我國單相市電為交流220V(有效值)； (2)fnorm指電網(wǎng)電壓頻率的額定值，對于我國的單相市電為50Hz。 在我國的GB/T 19939-2005光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求中，對頻率偏移、電壓異常、防孤島效應(yīng)也有明確的要求。 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)與電網(wǎng)同步運(yùn)行，電網(wǎng)額定頻率為50Hz，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后的頻率允許偏差應(yīng)符合GB/T15945的規(guī)定，即偏差值允許士O.5HZ，當(dāng)超出頻率范圍時(shí)，應(yīng)當(dāng)在0.2S內(nèi)動(dòng)作，將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。具體的異常頻率響應(yīng)時(shí)間規(guī)定見下表： 頻率范圍/Hz 響應(yīng)時(shí)間/s <49.5 0.16 >50.5 0.16 <47.0 0.16

9、 <(47.049.3) 0.16到300可變 >50.5 0.16 檢測方法孤島現(xiàn)象的檢測方法根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)，可以分為三大類：被動(dòng)檢測方法、主動(dòng)檢測方法和開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測方法(基于通訊的方法)。一、被動(dòng)檢測方法被動(dòng)式方法利用電網(wǎng)斷電時(shí)逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波的變化進(jìn)行孤島效應(yīng)檢測。但當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出功率與局部負(fù)載功率平衡，則被動(dòng)式檢測方法將失去孤島效應(yīng)檢測能力，存在較大的非檢測區(qū)域(Non-Detection Zone，簡稱NDZ)。并網(wǎng)逆變器的被動(dòng)式反孤島方案不需要增加硬件電路，也不需要單獨(dú)的保護(hù)繼電器。1)過/欠壓和高/低頻率檢測法過/欠電壓和高/低頻率檢測法是在公共耦合點(diǎn)

10、的電壓幅值和頻率超過正常范圍時(shí)，停止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的一種檢測方法。逆變器工作時(shí)，電壓、頻率的工作范圍要合理設(shè)置，允許電網(wǎng)電壓和頻率的正常波動(dòng)，一般對220V/50Hz電網(wǎng)，電壓和頻率的工作范圍分別為194VV242V、49.5Hzf50.5Hz。如果電壓或頻率偏移達(dá)到孤島檢測設(shè)定閥值，則可檢測到孤島發(fā)生。然而當(dāng)逆變器所帶的本地負(fù)荷與其輸出功率接近于匹配時(shí)，則電壓和頻率的偏移將非常小甚至為零，因此該方法存在非檢測區(qū)。這種方法的經(jīng)濟(jì)性較好，但由于非檢測區(qū)較大，所以單獨(dú)使用OVR/UVR和OFR/UFR孤島檢測是不夠的。2)電壓諧波檢測法電壓諧波檢測法(Harmonic Hetection)通過檢測

11、并網(wǎng)逆變器的輸出電壓的總諧波失真(totalharmonic distortion-THD)是否越限來防止孤島現(xiàn)象的發(fā)生，這種方法依據(jù)工作分支電網(wǎng)功率變壓器的非線性原理。如圖4-2，發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)工作時(shí)，其輸出電流諧波將通過公共耦合點(diǎn)a點(diǎn)流入電網(wǎng)。由于電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)阻抗很小，因此a點(diǎn)電壓的總諧波畸變率通常較低，一般此時(shí)Va的THD總是低于閾值(一般要求并網(wǎng)逆變器的THD小于額定電流的5%)。當(dāng)電網(wǎng)斷開時(shí)，由于負(fù)載阻抗通常要比電網(wǎng)阻抗大得多，因此a點(diǎn)電壓(諧波電流與負(fù)載阻抗的乘積)將產(chǎn)生很大的諧波，通過檢測電壓諧波或諧波的變化就能有效地檢測到孤島效應(yīng)的發(fā)生。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于非線性負(fù)載等因素的存在

12、，電網(wǎng)電壓的諧波很大，諧波檢測的動(dòng)作閥值不容易確定，因此，該方法具有局限性。3)電壓相位突變檢測法(PJD)電壓相位突變檢測法（Phase Jump Detection，PJD）是通過檢測光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓與電流的相位差變化來檢測孤島現(xiàn)象的發(fā)生。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)通常工作在單位功率因數(shù)模式，即光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出電流電壓(電網(wǎng)電壓)同頻同相。當(dāng)電網(wǎng)斷開后，出現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)給負(fù)載供電的孤島現(xiàn)象，此時(shí)，a點(diǎn)電壓由輸出電流Io和負(fù)載阻抗Z所決定。由于鎖相環(huán)的作用，Io與a點(diǎn)電壓僅僅在過零點(diǎn)發(fā)生同步，在過零點(diǎn)之間，Io跟隨系統(tǒng)內(nèi)部的參考電流而不會(huì)發(fā)生突變，因此，對于非阻性負(fù)載，

13、a點(diǎn)電壓的相位將會(huì)發(fā)生突變，如圖4-3所示，從而可以采用相位突變檢測方法來判斷孤島現(xiàn)象是否發(fā)生。相位突變檢測算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)負(fù)載阻抗角接近零時(shí)，即負(fù)載近似呈阻性，由于所設(shè)閥值的限制，該方法失效。被動(dòng)檢測法一般實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，然而當(dāng)并網(wǎng)逆變器的輸出功率與局部電網(wǎng)負(fù)載的功率基本接近，導(dǎo)致局部電網(wǎng)的電壓和頻率變化很小時(shí)，被動(dòng)檢測法就會(huì)失效，此方法存在較大的非檢測區(qū)。二、主動(dòng)檢測方法主動(dòng)式孤島檢測方法是指通過控制逆變器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動(dòng)。電網(wǎng)正常工作時(shí)，由于電網(wǎng)的平衡作用，檢測不到這些擾動(dòng)。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，逆變器輸出的擾動(dòng)將快速累積并超出允許范圍，從而觸發(fā)孤島效應(yīng)檢測

14、電路。該方法檢測精度高，非檢測區(qū)小，但是控制較復(fù)雜，且降低了逆變器輸出電能的質(zhì)量。目前并網(wǎng)逆變器的反孤島策略都采用被動(dòng)式檢測方案加上一種主動(dòng)式檢測方案相結(jié)合。1）頻率偏移檢測法(AFD)頻率偏移檢測法(Active Frequency Drift,AFD)是目前一種常見的主動(dòng)擾動(dòng)檢測方法。采用主動(dòng)式頻移方案使其并網(wǎng)逆變器輸出頻率略微失真的電流，以形成一個(gè)連續(xù)改變頻率的趨勢，最終導(dǎo)致輸出電壓和電流超過頻率保護(hù)的界限值，從而達(dá)到反孤島效應(yīng)的目的。2）滑模頻漂檢測法(SMS)滑模頻率漂移檢測法（Slip-Mode Frequency Shift，SMS）是一種主動(dòng)式孤島檢測方法。它控制逆變器的輸出電

15、流，使其與公共點(diǎn)電壓間存在一定的相位差，以期在電網(wǎng)失壓后公共點(diǎn)的頻率偏離正常范圍而判別孤島。正常情況下，逆變器相角響應(yīng)曲線設(shè)計(jì)在系統(tǒng)頻率附近范圍內(nèi)，單位功率因數(shù)時(shí)逆變器相角比RLC負(fù)載增加的快。當(dāng)逆變器與配電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)通過提供固定的參考相角和頻率，使逆變器工作點(diǎn)穩(wěn)定在工頻。當(dāng)孤島形成后，如果逆變器輸出電壓頻率有微小波動(dòng)逆變器相位響應(yīng)曲線會(huì)使相位誤差增加，到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn)。新狀態(tài)點(diǎn)的頻率必會(huì)超出OFR/UFR動(dòng)作閥值，逆變器因頻率誤差而關(guān)閉。此檢測方法實(shí)際是通過移相達(dá)到移頻，與主動(dòng)頻率偏移法AFD一樣有實(shí)現(xiàn)簡單、無需額外硬件、孤島檢測可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，也有類似的弱點(diǎn)，即隨著負(fù)載品質(zhì)

16、因數(shù)增加，孤島檢測失敗的可能性變大。3）周期電流干擾檢測法（ACD）周期電流擾動(dòng)法（Alternate CurrentDisturbances，ACD）是一種主動(dòng)式孤島檢測法。對于電流源控制型的逆變器來說,每隔一定周期, 減小光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流, 則改變其輸出有功功率。當(dāng)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí), 其輸出電壓恒定為電網(wǎng)電壓；當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí), 逆變器輸出電壓由負(fù)載決定。每每到達(dá)電流擾動(dòng)時(shí)刻,輸出電流幅值改變,則負(fù)載上電壓隨之變化,當(dāng)電壓達(dá)到欠電壓范圍即可檢測到孤島發(fā)生。4）頻率突變檢測法(FJ)頻率突變檢測法是對AFD的修改，與阻抗測量法相類似。FJ檢測在輸出電流波形(不是每個(gè)周期)中加入死區(qū)，頻率按

17、照預(yù)先設(shè)置的模式振動(dòng)。例如，在第四個(gè)周期加入死區(qū)，正常情況下，逆變器電流引起頻率突變，但是電網(wǎng)阻止其波動(dòng)。孤島形成后，F(xiàn)J通過對頻率加入偏差，檢測逆變器輸出電壓頻率的振動(dòng)模式是否符合預(yù)先設(shè)定的振動(dòng)模式來檢測孤島現(xiàn)象是否發(fā)生。這種檢測方法的優(yōu)點(diǎn)是：如果振動(dòng)模式足夠成熟，使用單臺(tái)逆變器工作時(shí)，F(xiàn)J防止孤島現(xiàn)象的發(fā)生是有效的，但是在多臺(tái)逆變器運(yùn)行的情況下，如果頻率偏移方向不相同，會(huì)降低孤島檢測的效率和有效性。三、其他方法孤島效應(yīng)檢測除了上述普遍采用的被動(dòng)法和主動(dòng)法，還有一些逆變器外部的檢測方法。如“網(wǎng)側(cè)阻抗插值法”，該方法是指電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)在電網(wǎng)負(fù)載側(cè)自動(dòng)插入一個(gè)大的阻抗，使得網(wǎng)側(cè)的阻抗突然發(fā)生顯著

18、變化，從而破壞系統(tǒng)功率平衡，造成電壓、頻率及相位的變化。還有運(yùn)用電網(wǎng)系統(tǒng)的故障信號(hào)進(jìn)行控制。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，電網(wǎng)側(cè)自身的監(jiān)控系統(tǒng)就向光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，以便能夠及時(shí)切斷分布式能源系統(tǒng)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行。  PV-RLC防孤島測試負(fù)載根據(jù)國家新能源光伏并網(wǎng)逆變器防孤島保護(hù)試驗(yàn)的相關(guān)測試要求專門研發(fā)的一款測試設(shè)備。PV-RLC防孤島測試負(fù)載滿足：中國的孤島防護(hù)國家標(biāo)準(zhǔn)草案、IEEE 1547.1-2005帶電力系統(tǒng)的設(shè)備互連配電資源的合格試驗(yàn)程序、VDE0126-1-1德國標(biāo)準(zhǔn)-發(fā)電機(jī)和公共低壓網(wǎng)之間的自動(dòng)開關(guān)設(shè)備、IEC 62116-2008并網(wǎng)連接式光伏逆變器孤島防護(hù)

19、措施測試方法、AS_4777.3-2005能源系統(tǒng)通過逆變器并網(wǎng)第3部分電網(wǎng)保護(hù)要求中文版、G83-1-1英國認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)、UL1741-2010美國認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)、DK5940意大利認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足中國金太陽認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)。中國金太陽認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)CGC/GF001：2010并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)要求和試驗(yàn)方法要求。防孤島效應(yīng)保護(hù)方案和被動(dòng)式防孤島保護(hù)方案。防孤島效應(yīng)保護(hù)試驗(yàn)： 驗(yàn)中負(fù)載消耗的有功功率、無功功率與額定值的偏差百分比（%）圖1 防孤島效應(yīng)保護(hù)試驗(yàn)平臺(tái)圖1給出了防孤島效應(yīng)保護(hù)試驗(yàn)平臺(tái)，K1為被測逆變器的網(wǎng)側(cè)分離開關(guān)，K2為被測逆變器的負(fù)載分離開關(guān)。負(fù)載采用可變RLC諧振電路，諧振頻

20、率為被測逆變器的額定頻率（50/60Hz），其消耗的有功功率與被測逆變器輸出的有功功率相當(dāng)。試驗(yàn)應(yīng)在表5規(guī)定的條件下進(jìn)行。注：由于電網(wǎng)從逆變器吸收有功功率和無功功率的不確定性，該項(xiàng)試驗(yàn)使用實(shí)際電網(wǎng)比模擬電網(wǎng)更具有說服力。  表1 防孤島效應(yīng)保護(hù)的試驗(yàn)條件  條件被測逆變器的輸出功率PEUT被測逆變器的輸入電壓a被測逆變器跳閘設(shè)定值A(chǔ)100%額定交流輸出功率>直流輸入電壓范圍的90%制造商規(guī)定的電壓和頻率跳閘值B66%額定交流輸出功率直流輸入電壓范圍的50%±10%設(shè)定電壓和頻率跳閘值為額定值C33%額定交流輸出功率<直流輸入電壓范圍

21、的10%設(shè)定電壓和頻率跳閘值為額定值a 若直流輸入電壓范圍為XY，則（直流輸入電壓范圍的90%）=X+0.9*（Y-X）。 試驗(yàn)步驟如下：a）閉合K1，斷開K2，啟動(dòng)逆變器。通過調(diào)節(jié)直流輸入源，使逆變器的輸出功率PEUT等于額定交流輸出功率，并測量逆變器輸出的無功功率QEUT；b）使逆變器停機(jī)，斷開K1；c）通過以下步驟調(diào)節(jié)RLC電路使得Qf=1.0±0.05；RLC電路消耗的感性無功滿足關(guān)系式：QL=Qf*PEUT=1.0*PEUT；接入電感L，使其消耗的無功等于QL；并入電容C，使其消耗的容性無功滿足關(guān)系式：QC+QL=- QEUT；最后并入電阻R，使其消耗的有功等于PEUT。d）閉合K2接入RLC電路，閉合K1，啟動(dòng)逆變器，確認(rèn)其輸出功率符合步驟a）的規(guī)定。調(diào)節(jié)R、L、C，直到流過K1的基頻電流小于穩(wěn)態(tài)時(shí)逆變器額定輸出電流的1%；e）斷開K1，記錄K1斷開至逆變器輸出電流下降并維持在額定輸出電流的1%以