第8章 孤島效應(yīng)及反孤島策略

2023/2/5第八章孤島效應(yīng)及反孤島策略2023/2/5最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)1.為什么有最大功率點(diǎn)問題？光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，是一種非線性直流源。2.最大功率點(diǎn)追蹤有幾種方法？恒定電壓跟蹤法;圖7-3 光伏電池不同日照強(qiáng)度下的P-V特性曲線2023/2/5圖7-6 擾動(dòng)觀測(cè)法誤判示例擾動(dòng)觀測(cè)法（爬山法）;基于變步長的擾動(dòng)觀測(cè)法1.最優(yōu)梯度法2.逐步逼近法2023/2/5基于功率預(yù)測(cè)的擾動(dòng)觀測(cè)法2023/2/5導(dǎo)納增量法;2023/2/58.1孤島效應(yīng)的基本問題8.2被動(dòng)式反孤島策略8.3主動(dòng)式反孤島策略第八章孤島效應(yīng)及反孤島策略2023/2/58.1 孤島效應(yīng)的基本問題

光伏逆變器過電流、過熱，電網(wǎng)過/欠電壓的故障情況與處理。

電網(wǎng)跳閘故障時(shí)，光伏系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而退出供電網(wǎng)絡(luò)，形成并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)載組成的孤島發(fā)電系統(tǒng)。2023/2/5

孤島效應(yīng)發(fā)生后的不良影響：1.孤島效應(yīng)使電壓及其頻率失去控制，對(duì)電網(wǎng)和用戶設(shè)備造成損壞。2.孤島系統(tǒng)被重新接入電網(wǎng)時(shí)，可能損壞孤島系統(tǒng)中分布式發(fā)電系統(tǒng)。3.孤島效應(yīng)可能導(dǎo)致故障不能清除，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備造成損壞。4.孤島效應(yīng)可能會(huì)給相關(guān)人員帶來電擊的危險(xiǎn)。2023/2/5圖8-2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖8-9一、孤島效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理設(shè)：逆變器向負(fù)載提供的有功功率為P，無功功率為Q；電網(wǎng)向負(fù)載提供的有功功率為ΔP，無功功率為ΔQ；負(fù)載需求的有功功率為Pload，無功功率為Qload。2023/2/5由能量守恒定律，公共連接點(diǎn)(PointofCommonCoupling,PCC)處的功率滿足:8-10PloadQload

P

P

Q

Q圖8-2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖2023/2/58-11通常由于當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)的電壓和頻率的較大變化，因而通過對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率的檢測(cè)，可很容易的檢測(cè)到孤島效應(yīng)。圖8-2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖2023/2/5而如果Pload=P、Qload=Q，當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，PCC處電壓和頻率的變化很小，很難再通過對(duì)系統(tǒng)的電壓和頻率的檢測(cè)來判斷孤島的發(fā)生，逆變器繼續(xù)向負(fù)載供電，從而形成光伏系統(tǒng)和負(fù)載組成的孤島發(fā)電系統(tǒng)。圖8-2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖2023/2/5

孤島形成后，PCC處電壓瞬時(shí)值ua由負(fù)載歐姆定律確定，并受逆變器控制系統(tǒng)的監(jiān)控，逆變器將逐漸改變輸出電流iinv的頻率finv

，以保持iinv與ua

的同步，直至iinv與ua的相位差等于0，從而使得finv到達(dá)一個(gè)唯一的穩(wěn)態(tài)值，即負(fù)載的諧振頻率。圖8-2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖2023/2/5這是電網(wǎng)跳閘后RLC負(fù)載的無功功率需求只能通過逆變器提供（Qload=Q）的必然結(jié)果。這種因電網(wǎng)跳閘而形成的無功功率平衡關(guān)系可用相位平衡關(guān)系來描述其中：φload表示逆變器輸出電流超前于端電壓的相位角。θinv表示負(fù)載的阻抗角。2023/2/5? 孤島效應(yīng)的兩個(gè)必要條件：有功功率匹配，無功功率匹配。2023/2/5二、孤島效應(yīng)的可能性分析圖8-3 分布式發(fā)電功率匹配狀況示意圖8-162023/2/5功率匹配是針對(duì)一定的匹配誤差帶而言，孤島效應(yīng)的發(fā)生則與功率匹配的持續(xù)時(shí)間有關(guān)。因此孤島效應(yīng)的可能性可定義為：可能性=一年中功率匹配狀況可能發(fā)生的相關(guān)時(shí)段(s)

功率匹配的次數(shù)持續(xù)時(shí)間次/年2023/2/52023/2/5

通過對(duì)安裝有光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的典型居民小區(qū)的孤島效應(yīng)研究得出以下結(jié)論。8-192023/2/5可能會(huì)造成因供電電壓和頻率不穩(wěn)，造成用戶的用電設(shè)備和電網(wǎng)設(shè)備損壞影響配電系統(tǒng)上保護(hù)開關(guān)的動(dòng)作程序，影響電網(wǎng)手動(dòng)或自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行危害輸電線路維修人員及其他有關(guān)人員的安全三、孤島效應(yīng)的危害2023/2/51)執(zhí)行成本高；2)需要光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)；3)易誤檢測(cè)(誤跳閘)；4)存在有孤島效應(yīng)而不能立即被檢測(cè)出的工作區(qū)域；5)降低電網(wǎng)供電質(zhì)量以及電壓和頻率的穩(wěn)定性。針對(duì)孤島效應(yīng)的危害已有反孤島策略，但存在局限性2023/2/58-22四、孤島檢測(cè)方法2023/2/5? 孤島保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)2023/2/58.2被動(dòng)式反孤島策略

被動(dòng)式反孤島策略：在不正常的電壓、頻率、相位、諧波產(chǎn)生了的情況下，通過檢測(cè)得到孤島效應(yīng)的發(fā)生。2023/2/51)電壓頻率檢測(cè)：并網(wǎng)逆變器檢測(cè)出PCC處的電壓幅值或頻率超出正常范圍時(shí)，通過控制指令停止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行。2)電壓諧波檢測(cè)：并網(wǎng)逆變器檢測(cè)出逆變器輸出端電壓諧波失真時(shí)，通過控制指令停止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行。3)相位偏移檢測(cè)：并網(wǎng)逆變器通過監(jiān)控逆變器端電壓與輸出電流之間的相位差來檢測(cè)孤島效應(yīng)。4)復(fù)合電量檢測(cè)：并網(wǎng)逆變器同時(shí)監(jiān)控PCC處與逆變器輸出的關(guān)鍵電量信號(hào)來檢測(cè)孤島效應(yīng)。孤島檢測(cè)包括：2023/2/5一、過/欠電壓反孤島策略

過/欠電壓反孤島策略是指當(dāng)并網(wǎng)逆變器檢測(cè)出逆變器輸出的電網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC處的電壓幅值超出正常范圍（U1、U2）時(shí)，通過控制命令停止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)反孤島的一種被動(dòng)式方法。U1、U2為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電壓最小值和最大值。2023/2/5二、過/欠頻率反孤島策略

過/欠頻率反孤島策略是指當(dāng)并網(wǎng)逆變器檢測(cè)出逆變器輸出的電網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC處的電壓頻率超出正常范圍（f1、f2）時(shí)，通過控制命令停止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)反孤島的一種被動(dòng)式方法。f1、f2為電網(wǎng)頻率正常范圍的上、下限值。我國標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)頻率為50Hz，頻率上、下限為f1=49.4Hz，f2=50.4Hz。2023/2/5三、基于相位跳變的反孤島策略

相位跳變反孤島策略是通過監(jiān)控并網(wǎng)逆變器端電壓與輸出電流之間的相位差來檢測(cè)孤島效應(yīng)的一種被動(dòng)式反孤島策略。

為實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，正常情況下并網(wǎng)逆變器總是控制輸出電流與電網(wǎng)電壓同相，而跳閘后逆變器的端電壓將不再由電網(wǎng)控制，此時(shí)，逆變器的端電壓的相位將發(fā)生跳變。2023/2/5四、基于電壓諧波檢測(cè)的反孤島策略

電壓諧波檢測(cè)反孤島策略是通過監(jiān)控并網(wǎng)逆變器端電壓諧波失真來檢測(cè)孤島效應(yīng)的一種被動(dòng)式反孤島策略。

當(dāng)電網(wǎng)連接時(shí)，電網(wǎng)可以看作是一個(gè)很大的電壓源，并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生的諧波電流將流入低阻抗的電網(wǎng)，這些很小的諧波電流與低值的電網(wǎng)阻抗在并網(wǎng)逆變器輸出端處的電壓相應(yīng)僅含有非常小的諧波。

當(dāng)電網(wǎng)跳閘后，諧波增加，主要是三次諧波，因此，只要檢測(cè)三次諧波即可。2023/2/5被動(dòng)檢測(cè)法的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合

檢測(cè)方法特點(diǎn)適用場(chǎng)合電壓頻率檢測(cè)1.對(duì)電網(wǎng)無干擾,輸出電能質(zhì)量無影響;2.有些電量不能直接測(cè)量而需要通過比較復(fù)雜算法計(jì)算,如電壓諧波,輸出有功等等;3.當(dāng)負(fù)載和逆變器輸出功率匹配,存在較大的檢測(cè)盲區(qū);4.檢測(cè)時(shí)間長。1.應(yīng)用于負(fù)載功率變動(dòng)不大,且與逆變器的輸出不匹配的場(chǎng)合；2.一般需要和主動(dòng)檢測(cè)方法結(jié)合起來運(yùn)用。電壓諧波檢測(cè)相位偏移檢測(cè)關(guān)鍵電量變化率檢測(cè)2023/2/5被動(dòng)式孤島檢測(cè)法總結(jié)2023/2/5

主動(dòng)式反孤島策略的幾種方法8.3主動(dòng)式反孤島策略1)主動(dòng)頻率偏移：

并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)中注入略微有點(diǎn)變形的電流，以形成一個(gè)連續(xù)改變頻率的趨勢(shì)。斷網(wǎng)后，逆變器輸出端電壓的頻率被強(qiáng)迫向上或向下偏移，通過監(jiān)控端電壓頻率的變化檢測(cè)孤島的發(fā)生。

稀釋效應(yīng)：當(dāng)有多臺(tái)逆變器并網(wǎng)時(shí)，一些逆變器采用向上頻移，一些逆變器采用向下頻移，其綜合效果可能會(huì)抵消。2023/2/5

并網(wǎng)逆變器工作于單位功率因數(shù)時(shí)，逆變器的輸出端電壓與電流的相位差被控制為零，電網(wǎng)提供固定的相位和頻率參考使工作點(diǎn)穩(wěn)定于電網(wǎng)頻率。斷網(wǎng)后，逆變器的相位-頻率工作點(diǎn)將改變，通過監(jiān)控相位-頻率工作點(diǎn)的偏移檢測(cè)孤島的發(fā)生。2)主動(dòng)相位偏移：

這種方法可以消除稀釋效應(yīng)。2023/2/5

并網(wǎng)逆變器通過基于有功功率和無功功率的擾動(dòng)來檢測(cè)孤島效應(yīng)。3)功率擾動(dòng)：

逆變器控制器將周期性改變逆變器輸出電流的幅值，亦即改變了逆變器輸出的有功功率，從而在電網(wǎng)斷電時(shí)打破逆變器輸出有功功率與負(fù)載消耗的有功功率平衡以影響公共節(jié)點(diǎn)的電壓，使其超出過/欠電壓保護(hù)閾值，從而檢測(cè)出孤島。2023/2/5主動(dòng)檢測(cè)法的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合2023/2/5主動(dòng)檢測(cè)法的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合2023/2/5主動(dòng)式孤島檢測(cè)法總結(jié)2023/2/5習(xí)題1.簡(jiǎn)述光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理。2.說明什么是被動(dòng)式反孤島策略和主動(dòng)式反孤島策略，并分析各自的特點(diǎn)。2023/2/5第九章 逆變器的并聯(lián)技術(shù)9.1概述9.2逆變器并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)及控制策略2023/2/5

單個(gè)逆變器的容量是有限的，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)總?cè)萘吭黾訒r(shí)，常采用逆變器并聯(lián)技術(shù)。在并網(wǎng)模式下,電源通過逆變器并聯(lián)在一起向電網(wǎng)注入電能。并網(wǎng)注入電流的質(zhì)量受到高度的重視。并聯(lián)后要實(shí)現(xiàn)有功、無功負(fù)載功率甚至諧波負(fù)載功率的均分。9.1概述無輸出隔離變壓器結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器不能自動(dòng)抑制直流注入,直流注入可能引起電網(wǎng)中配電變壓器的飽和,導(dǎo)致電能質(zhì)量變差,電力系統(tǒng)產(chǎn)生大的損耗和過熱。2023/2/5多模塊并聯(lián)有以下特點(diǎn):1)多個(gè)電源模塊單元并聯(lián)分擔(dān)負(fù)載功率,各個(gè)模塊中主開關(guān)器件的電流應(yīng)力小,從根本上保證了可靠性;2)每個(gè)模塊的容量較小,功率密度高,從而使整個(gè)電源體積、重量減小;3)多模塊并聯(lián)可以靈活擴(kuò)充電源容量、易安裝、維護(hù)費(fèi)用低;4)可以實(shí)現(xiàn)冗余并聯(lián)運(yùn)行方式。2023/2/5并網(wǎng)時(shí)要解決2個(gè)問題：1.抑制直流注入2.各模塊承受的電流能自動(dòng)均衡,實(shí)現(xiàn)均流。2023/2/5國際上對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)制定了相應(yīng)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。由于無輸出隔離變壓器結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器不能自動(dòng)抑制直流注入,直流注入可能引起電網(wǎng)中配電變壓器的飽和,導(dǎo)致電能質(zhì)量變差,電力系統(tǒng)產(chǎn)生大的損耗和過熱。因而,國際上一些國家已經(jīng)制定了抑制光伏并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)直流分量的標(biāo)準(zhǔn),如表1.1所示。一、抑制直流注入2023/2/52023/2/5抑制并網(wǎng)逆變器直流注入的控制方法，主要包括:采用電容隔斷直流注入方法；自身帶有直流抑制能力的電路拓?fù)洌徊捎脵z測(cè)電流的控制方法；采用檢測(cè)電壓的控制方法。應(yīng)用自身帶有直流抑制能力的電路拓?fù)浞椒ǖ脑硎强孔陨淼耐匮a(bǔ)結(jié)構(gòu)來阻斷并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)直流分量的通路，不需要額外增加直流分量檢測(cè)電路。2023/2/5電容隔斷直流注入方法的原理是在逆變器輸出和電網(wǎng)之間串聯(lián)一個(gè)電容，用來隔斷注入電網(wǎng)的直流分量，如圖1.11所示。這種方法需要一個(gè)大的隔直電容，會(huì)增加成本和附加損耗。2023/2/5采用檢測(cè)電流控制方法的原理是利用電流傳感器來檢測(cè)流入電網(wǎng)中的直流分量,可是由于霍爾電流傳感器自身存在顯著的零漂特性使這種檢測(cè)方法的有效性受到了限制,為了解決霍爾電流傳感器的零漂問題,Armstrong提出了一種自動(dòng)校正的逆變器，然而這種方法需要根據(jù)H橋的開關(guān)狀態(tài)來測(cè)量系統(tǒng)的零漂問題。2023/2/52023/2/5利用電壓傳感器檢測(cè)逆變器輸出電壓，再用差分放大器和低通濾波器檢測(cè)出輸出電壓中的直流分量，通過把直流分量反饋到控制器來抑制直流分量。2023/2/5二、逆變器并聯(lián)運(yùn)行的原理與分析圖表示逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)等效電路模型其中U1和U2分別是兩個(gè)逆變器輸出SVPWM電壓波中所含的基波分量,U11,U22則分別是各自輸出端電壓,Uo是并聯(lián)結(jié)點(diǎn)電壓(即負(fù)載電壓;C1,C2,L1,L2分別代表兩個(gè)逆變器的輸出濾波電感,電容,濾波電感連接電阻及其內(nèi)阻分別rLI和rL2表示,而和r1,r2表示并聯(lián)連接(導(dǎo)線)電阻,Zo公共負(fù)載。2023/2/5為了簡(jiǎn)化分析忽略。rL1和rL2。r1和r2的影響。根據(jù)圖可列出以下電路基