現(xiàn)有反孤島策略和評估分析

現(xiàn)有反孤島策略和評估分析雖然基于通訊的外部孤島檢測方法，檢測盲區(qū)小，能及時(shí)有效檢測處孤島。但是由于要安裝接收器和信號發(fā)生器，增加了安裝成本，不便于廣泛應(yīng)用。尤其分布式發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一就是能有效減少電站的建設(shè)成本，因此一般不會采用基于通訊的孤島檢測技術(shù)。目前的研究重心放在基于并網(wǎng)逆變器的檢測孤島技術(shù)，這種方法對供電質(zhì)量的負(fù)面影響很小，而且有很多其他優(yōu)點(diǎn)，如造價(jià)小，檢測速度快等。本章主要分析和介紹了基于并網(wǎng)逆變器的被動式和主動式孤島監(jiān)測技術(shù)中的幾類典型的孤島監(jiān)測方案，并比較分析其優(yōu)缺點(diǎn)。1.1被動式孤島檢測方案基于并網(wǎng)逆變器的被動式孤島監(jiān)測方案主要依據(jù)圖2-2公共耦合點(diǎn)a處電壓的異常情況來判斷孤島是否產(chǎn)生。由于被動式孤島監(jiān)測方案是一種無源檢測，不需要加入其他信號的干擾，只檢測并網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓，頻率等一種或多種參數(shù)，所以并不會對逆變器的輸出電流進(jìn)行干擾，從而保證了電能的質(zhì)量。1.1.1過/欠壓、過/欠頻孤島檢測技術(shù)過/欠壓和過/欠頻孤島檢測技術(shù)（Undervoltage/overvoltage、Underfrequency/overfrequency）顧名思義和電網(wǎng)的電壓和頻率有關(guān)，是檢測并網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器輸出側(cè)的電壓和頻率的變化。所測結(jié)果如果不符合電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的電壓和頻率范圍，則停止逆變器工作，從而防止孤島產(chǎn)生。還是參考圖2.2中的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，我們在第二章了解到的孤島效應(yīng)產(chǎn)生的條件可知，電網(wǎng)跳閘前a點(diǎn)的電壓和頻率會受電網(wǎng)鉗制無異常，如果之前逆變器輸出的無功功率和有功功率與負(fù)載不匹配，那么電網(wǎng)跳閘后則會導(dǎo)致公共點(diǎn)a處的電壓和頻率向功率匹配方向偏移，產(chǎn)生孤島。一旦電壓或頻率超過正常范圍，就會觸發(fā)逆變器的保護(hù)功能，停止工作，從而切斷孤島的發(fā)生。但是如果在并網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率和有功功率非常接近或完全匹配負(fù)載時(shí)，檢測到的電壓和頻率變化值會很小，不會超過正常范圍，逆變器不會觸發(fā)保護(hù)功能，從而檢測不到孤島的發(fā)生。優(yōu)缺點(diǎn)：過/欠壓和過/欠頻保護(hù)是基于逆變器的軟件控制實(shí)現(xiàn)的，所以一般的逆變器都會自帶過/欠壓和過/欠頻保護(hù)功能，不僅作為反孤島的保護(hù)方案也是電網(wǎng)和負(fù)載保護(hù)設(shè)備的方案。這種方案成本很低，易于實(shí)現(xiàn)而且對于電能質(zhì)量無影響，由于中小型分布式發(fā)電系統(tǒng)的年產(chǎn)電量通常不是很高，所以安裝費(fèi)用也要盡可能的降低，這種低成本的孤島檢測技術(shù)就得到了有效的推廣使用。而且一般其他復(fù)雜的主動孤島檢測技術(shù)都是以過/欠壓和過/欠頻孤島檢測為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。這種孤島檢測方案的缺點(diǎn)也很明顯，就是其檢測盲區(qū)比較大。1.1.2電壓相位跳變檢測法分布式發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，逆變器為保持單位功率因素運(yùn)行，會保持輸出的電壓和電流相位一致[6]。如果電網(wǎng)跳閘，并網(wǎng)發(fā)電裝置單獨(dú)向負(fù)載供電，失去電網(wǎng)鉗制則逆變器輸出電壓相位會向負(fù)載阻抗角方向突變，使得電流和電壓存在相位差。這就表示當(dāng)逆變器輸出端的電壓和電流出現(xiàn)相位差時(shí)則代表電網(wǎng)斷開，所以監(jiān)控逆變器的端電壓和輸出電流之間的相位差是否超過門閥值可以用來檢測孤島產(chǎn)生與否。優(yōu)缺點(diǎn)：相位跳變檢測法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，逆變器本身內(nèi)部就需要配置鎖相環(huán)來保證電壓和電流的相位一致，實(shí)現(xiàn)該檢測方案時(shí)，只需監(jiān)控逆變器的端電壓和輸出電流二者之間的相位差是否超過正常范圍，超過范圍則使逆變器停止工作。作為一種無源檢測方法，也不會對電能其他參數(shù)產(chǎn)生干擾作用，保證了電能質(zhì)量。其缺點(diǎn)就是由于電路中一些特定負(fù)載如電動機(jī)在啟動時(shí)會造成瞬時(shí)的相位跳變，所以使得相位差的門檻值不容易確定，如果門檻值設(shè)定太小，容易引起檢測出錯(cuò)而誤跳閘。而且相位突變的門檻值在不同地點(diǎn)是不同的，這也加大了實(shí)際應(yīng)用的難度。1.1.3諧波檢測法諧波檢測法就是檢測圖2-2中節(jié)點(diǎn)a處的逆變器端電壓的總諧波失真（TotalHarmonicDistortion，THD），如果THD超過了正常范圍則表面產(chǎn)生了孤島，使逆變器停止工作。在分布式發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行狀況下，可以將電網(wǎng)視為一個(gè)較大的電壓源，其阻抗很小，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)公共耦合點(diǎn)處的諧波含量通常很小，THD接近為零總是小于檢測的門檻值。當(dāng)失去并網(wǎng)后的諧波畸變率會變高，這有兩個(gè)原因。其一，逆變器本身就會產(chǎn)生少量諧波電流，只是由于斷開電網(wǎng)連接后，這些諧波電流會流入負(fù)載阻抗中，而負(fù)載阻抗相對于之前正常并網(wǎng)下的電網(wǎng)阻抗是非常大的，由于負(fù)載的非線性而放大諧波，使電壓失真很大。另一個(gè)原因則是因?yàn)槟孀兤鬏敵龅碾娏鲿诮?jīng)過變壓器時(shí)形成電壓響應(yīng)從而產(chǎn)生較大諧波。優(yōu)缺點(diǎn)：諧波檢測可以在較大范圍內(nèi)檢檢測孤島效應(yīng)，而且在功率匹配狀況下也能檢測到孤島產(chǎn)生，就算有多組逆變器額接入并網(wǎng)系統(tǒng)也不會有稀釋作用。但是和上文提到的相位突變檢測法類似，最大的缺點(diǎn)就是難以確定門檻值。另外理論分析時(shí)一般用RLC電路代替負(fù)載電路但在實(shí)際的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，負(fù)載的實(shí)際表現(xiàn)形式一般不是線性的，這會使電壓的THD變得很高，這也加大了諧波檢測的門閥值的確定難度。所以該方案目前還沒有得到廣泛使用。1.2主動式孤島檢測方案上文介紹的幾種被動式孤島檢測方案都存在一定的缺陷，如檢測盲區(qū)偏大，存在誤動等。而且被動式檢測方案是一種無源檢測，與之對應(yīng)的主動式檢測方案則是有源檢測。主動式孤島檢測方案需要對系統(tǒng)注入一定的干擾信號，在并網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)的鉗制作用，對于電網(wǎng)參數(shù)的擾動作用比較小，當(dāng)孤島產(chǎn)生后，擾動信號積累迅速并超過限定值就會觸發(fā)逆變器保護(hù)功能，從而進(jìn)行反孤島保護(hù)。該方法精度高，非檢測區(qū)很小，但是主動式孤島檢測技術(shù)由于在電網(wǎng)中加入了干擾信號，會影響電能質(zhì)量。所以目前較好的分布式發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測手段是在被動式檢測方法的基礎(chǔ)上結(jié)合一種主動式檢測技術(shù)。1.2.1主動頻率偏移法主動頻率偏移法（ActiveFrequencyDrift）簡稱AFD，是現(xiàn)在用得比較多的一種基于對輸出電流的頻率進(jìn)行擾動的檢測方法。AFD是在系統(tǒng)中引入少量諧波電流，讓逆變器輸出的電流有一個(gè)頻率偏移。電網(wǎng)正常狀態(tài)下，由于逆變器鎖相環(huán)的存在逆變器的輸出電流頻率和電網(wǎng)頻率保持一致，在孤島形成后，電壓頻率會隨電流頻率變化而發(fā)生偏移，最終超過設(shè)定的門檻值，則檢測到孤島效應(yīng)。以向上頻移為例，逆變器輸出的電流波形圖如圖3-1所示。在圖3-1給出了一個(gè)正常的正弦波作為對比。圖中是電網(wǎng)中電壓周期，是逆變器輸出電流正弦波的周期，是圖中所示電流波形中存在的為零段（死區(qū)）。該波形的斬波系數(shù)公式為：（3-1）分布式發(fā)電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，逆變器處于并網(wǎng)狀態(tài)，其電壓會收到電網(wǎng)的限制而保持固定。當(dāng)孤島產(chǎn)生后，由于逆變器的端電壓會跟隨圖3-1中的失真電流波形，通過零點(diǎn)的時(shí)間會減小，這就導(dǎo)致電壓的周期減小，與之相應(yīng)的是的頻率增大，稱之為上移。當(dāng)上移幅度超過設(shè)定的安全值時(shí)，觸發(fā)逆變器的保護(hù)裝置。圖3-1用于主動式頻移的電流波形圖優(yōu)缺點(diǎn)：AFD方案便于實(shí)現(xiàn)，檢測孤島的速度很快而且非檢測區(qū)很小，所以應(yīng)用比較廣泛。但是由于在并網(wǎng)系統(tǒng)中加入了干擾信號，使電流波形產(chǎn)生略微失真，降低了供電質(zhì)量，而且在多個(gè)逆變器的并網(wǎng)系統(tǒng)中，如果每個(gè)逆變器的頻移方向不相同，有的逆變器選擇頻率上移，有的逆變器選擇頻率下移，則會產(chǎn)生抵消，這就是稀釋效應(yīng)，降低孤島檢測的成功率。其次，孤島檢測用AFD方案還要考慮負(fù)載的性質(zhì)，比如，負(fù)載不呈現(xiàn)阻性或阻感性時(shí)，用向上頻移的AFD方案可能會導(dǎo)致檢測失敗。1.2.2Sandia頻率偏移法為了優(yōu)化上述的AFD方案，美國的Sandia實(shí)驗(yàn)室提出了一種改良后的頻移檢測法，即Sandia頻率偏移法簡稱SFS[7]。SFS實(shí)際上是一種具備正反饋的主動式頻移檢測方案，其原理和AFD相似，只不過在注入的擾動信號基礎(chǔ)上多加了一個(gè)正反饋環(huán)節(jié)。斬波系數(shù)的表達(dá)式為：（3-2）式3-2中為工頻下的斬波系數(shù)；K為加速增益；為逆變器端電壓的頻率，就是工頻頻率。系統(tǒng)正常運(yùn)行狀況下，由于電網(wǎng)的鉗制效果，頻率保持穩(wěn)定。在電網(wǎng)斷開后，頻率偏差被檢測到，并隨增加而變大，此時(shí)的斬波系數(shù)也會變大，于是逆變器的輸出電流頻率也會上升，直到超過正常范圍就會觸發(fā)保護(hù)動作，檢測到孤島。向下頻移則是減小由于正反饋導(dǎo)致斬波系數(shù)減小，最后輸出電流頻率變小，小于正常范圍就實(shí)現(xiàn)檢測作用。優(yōu)缺點(diǎn)：加入正反饋后，強(qiáng)化了頻率誤差，使得檢測速度得到有效提升，并且在所有有源主動式檢測手段中，SFS的非檢測區(qū)最小，說明其成功率高。不可避免的仍然是對電能質(zhì)量的降低，而且在連接到小型電網(wǎng)時(shí)，會出現(xiàn)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)不理想的情況。1.2.3滑膜頻率偏移法滑模頻率偏移法簡稱SFS，也是利用正反饋的一種孤島檢測技術(shù)。SFS是利用逆變器輸出的電流與公共耦合點(diǎn)處的電壓存在相位差的原理，使得電流—電壓相位差頻移后進(jìn)一步引起頻率發(fā)生偏移從而檢測孤島產(chǎn)生與否。將逆變器輸出的電流相位用正弦函數(shù)表示為：（3-3）式中，是電流的最大相位偏移值，則是相位偏移處于最大值時(shí)的頻率，是上一個(gè)周期和電網(wǎng)頻率的差值。假設(shè)端電壓初始相位是0，則是分布式發(fā)電裝置中逆變器輸出的電流—電壓相位之差。分布式發(fā)電裝置正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于逆變器功率因素為單位1的原因，，電網(wǎng)斷開一剎那間，逆變器的有功和無功和負(fù)載之前的失配會導(dǎo)致電壓頻率產(chǎn)生微弱的突變，則電流—電壓相位差不為零，如果此時(shí)電流是超前電壓的話，在響應(yīng)過程中緊隨電流改變，變現(xiàn)為在波形圖中，電壓的向上到0時(shí)間會提早，所以的頻率會上升。接下來的一個(gè)周期內(nèi)，逆變器輸出的電流相位會更加大一點(diǎn)，這是導(dǎo)致電壓頻率受正反饋繼續(xù)變大。如果公共點(diǎn)的電壓頻率超過設(shè)定的正常范圍則認(rèn)為產(chǎn)生了孤島效應(yīng)。優(yōu)缺點(diǎn):對靠微處理器控制的逆變器來說，SMS非常易于達(dá)成，和上面介紹的其他主動是檢測方法相比，它的非檢測區(qū)相對較小對孤島檢測比較有效，但是缺點(diǎn)和其他有源檢測方法一樣，都是無法保證電能質(zhì)量不受擾動，還具有瞬態(tài)響應(yīng)等問題。不過這些缺點(diǎn)在其他正反饋的主動式檢測方法中都存在。1.3檢測盲區(qū)和有效性評估1.1.1基于坐標(biāo)系的有效性評估坐標(biāo)系是根據(jù)2.1章節(jié)所介紹的孤島效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理定義的一種有功和無功不匹配坐標(biāo)系，由于、反應(yīng)的是并網(wǎng)前后分布式發(fā)電系統(tǒng)中功率流的改變狀況，所以此坐標(biāo)系只能對被動式孤島檢測技術(shù)的檢測盲區(qū)做出定量分析。參考圖2.2所示的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率流向圖，之前的討論得出，如果功率失配程度很高，即、很大，則形成孤島后，公共耦合點(diǎn)的電壓和頻率都會超出門閥值，引起過/欠壓，過/欠頻保護(hù)，中斷逆變器的工作使孤島效應(yīng)停止。反之，如果功率失配程度不高甚至完全匹配，電網(wǎng)斷閘前后公共耦合點(diǎn)的電壓和頻率波動很低，不會引起反孤島手段的動作，從而檢測失敗。放到功率失配的坐標(biāo)系中來討論，如圖3-2所示，在坐標(biāo)系的原點(diǎn)附近即和的圖像附近，逆變器輸出的電壓幅值和頻率變化率很低，不會引起反孤島措施，圖中區(qū)域就是坐標(biāo)系中的檢測盲區(qū)。圖3-2基于坐標(biāo)系的檢測盲區(qū)1.1.2基于坐標(biāo)系的有效性評估接下來要介紹的是以負(fù)載品質(zhì)因素為橫軸，負(fù)載的諧振頻率為縱軸的負(fù)載特征參數(shù)坐標(biāo)系。利用坐標(biāo)系中的相位判斷依據(jù)和頻率的正常工作范圍可以得出NDZ圖像，本小節(jié)通過介紹有源頻移檢測方案的檢測盲區(qū)分析來討論坐標(biāo)系的有效性評估。1.1.2.1基于坐標(biāo)系的孤島檢測相位判據(jù)系統(tǒng)中的阻抗角的值主要取決于負(fù)載電路的品質(zhì)因素和諧振頻率，對于并聯(lián)的RLC電路中的電感和電容保持恒定時(shí)，負(fù)載電路中的電阻分量R的變化量可以借助的變化來表現(xiàn)，所以基于坐標(biāo)系的孤島檢測技術(shù)的性能評估是比較不錯(cuò)的方法。要想利用坐標(biāo)系來對孤島檢測技術(shù)中的檢測盲區(qū)（NDZ）量化分析，需要依靠對應(yīng)的相位判斷依據(jù)。坐標(biāo)系的相位判斷依據(jù)如下：（3-4）上式中，是所選取的孤島檢測方案中，并網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器輸出電流超前公共點(diǎn)處電壓的相位角。假設(shè)式3-4中的頻率f沒有超出孤島發(fā)生時(shí)的檢測范圍，那么孤島效應(yīng)不會被中斷。因此，坐標(biāo)系的相位判斷依據(jù)公式可以用來評估孤島檢測方法的性能好壞。由上述式3-4中的相位判斷依據(jù)可得，在這個(gè)坐標(biāo)系中任何一處，系統(tǒng)出現(xiàn)孤島時(shí)，使用給定的孤島檢測技術(shù)的相位判斷依據(jù)公式都可以計(jì)算出其系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定狀態(tài)值。如果在出現(xiàn)孤島效應(yīng)下，其穩(wěn)定值沒有超過過/欠頻保護(hù)所限定的正常門檻值，這時(shí)根據(jù)相位判據(jù)所計(jì)算出的系統(tǒng)的頻率穩(wěn)態(tài)點(diǎn)就包含在此技術(shù)方案的檢測盲區(qū)中，相反的話，就不在檢測盲區(qū)范圍內(nèi)。1.1.2.2滑模頻移方案（SMS）的NDZ分析SMS方案中的相位判斷依據(jù)公式為：（3-5）上式中的是滑模頻移孤島檢測方案中系統(tǒng)中逆變器輸出電流超前公共耦合點(diǎn)電壓的相位角，將式3-5代入式3-4中可以得到SMS的NDZ圖像計(jì)算方法。可以通過計(jì)算出頻率最大值和頻率最小值各自的負(fù)載品質(zhì)因素和諧振頻率來得到NDZ圖像。通過負(fù)載的線性近似處理后得到公式：（3-6）將式3-6代進(jìn)3-5中可得滑模頻移的相位判據(jù)公式為：（3-7）在系統(tǒng)電網(wǎng)額定頻率大于負(fù)載電路諧振頻率時(shí)（），孤島效應(yīng)發(fā)生后逆變器輸出的電壓穩(wěn)態(tài)頻率會小于電網(wǎng)額定頻率（）；但是系統(tǒng)電網(wǎng)額定頻率小于負(fù)載的諧振頻率時(shí)（），系統(tǒng)穩(wěn)定后公共耦合點(diǎn)的電壓的頻率會大于電網(wǎng)額定頻率（）。由這兩個(gè)條件則可以求出其NDZ在坐標(biāo)系中的曲線圖像滿足下式：，時(shí)（3-8），時(shí)（3-9）1.4主被動相結(jié)合的孤島檢測技術(shù)上面已經(jīng)分析了傳統(tǒng)被動式孤島檢測法、主動式孤島檢測法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，無論采用哪一種孤島檢測方法，都不可避免的存在這樣那樣的問題。所以本節(jié)提出一種基于被動式過/欠壓與過/欠頻孤島檢測法和AFD孤島檢測法的主被動相結(jié)合的孤島檢測方案?；诒粍邮降倪^/欠壓與過/欠頻孤島檢測方法原理簡單，實(shí)現(xiàn)容易，不會對電能質(zhì)量造成不良影響，但是存在較大的檢測盲區(qū)。AFD孤島檢測法檢測效果良好，大大減小了檢測盲區(qū)，但是因?yàn)橐M(jìn)主動頻率偏移，對電能質(zhì)量造成了一定的干擾，而且仍然無法避免檢測盲區(qū)。過/欠壓與過/欠頻孤島檢測法雖然存在較大檢測盲區(qū)，但是配合AFD孤島檢測法后，其不足可以得到彌補(bǔ)，同時(shí)可以提高孤島檢測效率，減小檢測盲區(qū)。因此，探究主被動相結(jié)合的孤島檢測方案具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。主被動相結(jié)合的孤島檢測方案的總體思路是根據(jù)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)正常并網(wǎng)工作時(shí)本地系統(tǒng)公共點(diǎn)處的功率流情況選擇合適的孤島檢測方法進(jìn)行孤島檢測。由圖3-4所示，根據(jù)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)工作狀態(tài)，可以將主電網(wǎng)和逆變系統(tǒng)在公共點(diǎn)處的功率流情況詳細(xì)分為十種情況。由流程圖知道只有