光伏逆变器——孤岛效应.docx

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1、光伏逆变器一孤岛效应目录1 .前言11. 1.什么是孤岛效应?12. 2.危害22 .防孤岛的工作原理33 .防孤岛检测33.1.概述33.2. 被动式33.2.1. 1.概述33.2.2. 电压和频率检测法43.2.3. 电压谐波检测法43.2.4. 电压相位突变检测法43.3. 主动式53.3. 1.概述53.3.1. 输出频率扰动法AFD63.3.2. 频率偏移检测法63.3.4.滑模频漂检测法63.3.5. 电流干扰检测法73.3.6. 频率突变检测法73.3.7. 其他方法71 .前言11.什么是孤岛效应？在电子电路中，孤岛效应是指电路的某个区域有电流通路而实际没有电流流过的现象。在

2、通信网络中，无线移动基站的覆盖可能会存在的一种现象。孤岛效应(ISIandingEffeCt)是指电网突然失压时,并网光伏发电系统仍保持对电网中的邻近部分线路供电状态的一种效应。孤岛效应是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛的现象。当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，光伏并网发电系统（逆变器）仍然向周围的负载供电，从而形成一个无法控制的自给供电孤岛。在电容器串联的电路里，只有与外电路相连接的两个极板（注意：不是同一电容器的极板）有电流流动（电荷交换），其他极板的电荷总量是不变的，所以称为孤岛。孤岛是一种电气

3、现象，发生在一部分的电网和主电网断开，而这部分电网完全由光伏系统来供电。在国际光伏并网标准化的课题上这仍是一个争论点，因为孤岛会损害公众和电力公司维修人员的安全和供电的质量，在自动或手动重新闭合供电开关向孤岛电网重新供电时有可能损坏设备。所以，逆变器通常会带有防止孤岛效应装置。被动技术（探测电网的电压和频率的变化）对于平衡负载很好条件下通电和重新通电两种情况下的孤岛防止还不够充分，所以必须结合主动技术，主动技术是基于样本频率的移位、流过电流的阻抗监测、相位跳跃和谐波的监控、正反馈方法、或对不稳定电流和相位的控制器基础上的。现在已有许多防止的办法，在世界上已有16个专利，有些已获得有些仍在申请过

4、程当中。其中的有些方法，如监测电网流过的电流脉冲被证明是不方便的，特别是当多台的逆变器并行工作时，会降低电网质量，并且因为多台逆变器的相互影响会对孤岛的探测产生负面影响。在另一些场合，对电压和频率的工作范围的限制变得宽了，而安装工人通常可以通过软件来设置这些参数，甚至于ENS（一种监测装置，在德国是强制性的）为了能在弱的电网中工作，可以把它关掉。1.2. 危害“孤岛效应”对于系统设备、人员安全等都存在着巨大的安全隐患，主要体现在以下方面：1）设备破坏：孤岛效应发生时，电网很可能产生过欠压、过欠频等异常问题，会对工作中的负载设备产生冲击破坏；同时，光伏系统输出电压与电网电压之间会产生相位差，而当

5、电网供电恢复时会产生浪涌电流，很可能会对光伏系统、负载设备等带来损坏或其他危害。2）人员安全：在光伏系统中，当电网因故障或其他原因停电时，若逆变器仍继续工作，光伏系统持续发电，那么维修人员在检修过程中，就很有可能发生危险。止匕外，近年来行业及一些地方也相继出台了相关技术规范，对于防孤岛保护进行了要求。如NB/T32004-2018光伏并网逆变器技术规范，要求B类逆变器，应具备快速监测孤岛且立即断开与电网连接的能力，防孤岛保护动作时间应不大于2s,同时发出警示信号，且孤岛保护还应与电网侧线路保护相配合。2 .防孤岛的工作原理逆变器防孤岛保护的工作原理主要是通过以主动或被动的方式检测电网电压和频率

6、等信息，判断电网的运行情况。当检测到电网断开或者频率异常时，逆变器会通过继电器迅速断开，停止电能的输出，以避免孤岛效应的形成。同时，逆变器还会通过与电网的同步控制来保证光伏发电系统与电网的稳定运行。3 .防孤岛检测3.2. 概述防止孤岛效应的关键点就是电网断电的检测。当孤岛效应发生时，快速、准确地切出并网逆变器。检测方法：被动式和主动式3.2.被动式3.2.1.概述通过检测逆变器的输出是否偏离并网标准规定的范围，如电网、频率或相位，判断孤岛效应是否发生。检测原理：根据电网断电时逆变器输出电压、频率的改变，判断出是否发生孤岛效应。当电网发生故障时，除逆变器的输出电压、输出频率外，其输出电压的相位

7、谐波均会发生改变：1）电压和频率检测法2）电压谐波检测法3）电压相位突变检测法3.2.2.电压和频率检测法过/欠电压和高/低频率检测法是在公共耦合点的电压幅值和频率超过正常范围时，停止逆变器并网运行的一种检测方法。逆变器工作时，电压、频率的工作范围要合理设置，允许电网电压和频率的正常波动，一般对220V50Hz电网，电压和频率的工作范围分别为194VWVW242V、49.5Hzf50.5Hzo如果电压或频率偏移达到孤岛检测设定阀值，则可检测到孤岛发生。然而当逆变器所带的本地负荷与其输出功率接近于匹配时，则电压和频率的偏移将非常小甚至为零，因此该方法存在非检测区。这种方法的经济性较好，但由于非检

8、测区较大，所以单独使用OVR/UVR和OFR/UFR孤岛检测是不够的。3.2.3.电压谐波检测法电压谐波检测法（HarmOniCDeteCtiOn）通过检测并网逆变器的输出电压的总谐波失真（tota1harmonicdistortion-THD）是否越限来防止孤岛现象的发生，这种方法依据工作分支电网功率变压器的非线性原理。发电系统并网工作时，其输出电流谐波将通过公共耦合点a点流入电网。由于电网的网络阻抗很小，因此a点电压的总谐波畸变率通常较低，一般此时Va的THD总是低于阈值（一般要求并网逆变器的THD小于额定电流的5%）。当电网断开时，由于负载阻抗通常要比电网阻抗大得多，因此a点电压（谐波电

9、流与负载阻抗的乘积）将产生很大的谐波，通过检测电压谐波或谐波的变化就能有效地检测到孤岛效应的发生。但是在实际应用中，由于非线性负载等因素的存在，电网电压的谐波很大，谐波检测的动作阀值不容易确定，因此，该方法具有局限性。3.2.4.电压相位突变检测法电压相位突变检测法（PhaSeJUmPDetection,PJD）是通过检测光伏并网逆变器的输出电压与电流的相位差变化来检测孤岛现象的发生。光伏并网发电系统并网运行时通常工作在单位功率因数模式，即光伏并网发电系统输出电流电压（电网电压）同频同相。当电网断开后，出现了光伏并网发电系统单独给负载供电的孤岛现象，此时，a点电压由输出电流Io和负载阻抗Z所决

10、定。由于锁相环的作用，Io与a点电压仅仅在过零点发生同步，在过零点之间，Io跟随系统内部的参考电流而不会发生突变，因此，对于非阻性负载，a点电压的相位将会发生突变，从而可以采用相位突变检测方法来判断孤岛现象是否发生。相位突变检测算法简单，易于实现。但当负载阻抗角接近零时，即负载近似呈阻性，由于所设阀值的限制，该方法失效。被动检测法一般实现起来比较简单，然而当并网逆变器的输出功率与局部电网负载的功率基本接近，导致局部电网的电压和频率变化很小时，被动检测法就会失效，此方法存在较大的非检测区。3.3.主动式3.3.1.概述主动式孤岛检测方法是指通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。

11、电网正常工作时，由于电网的平衡作用，检测不到这些扰动。一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，从而触发孤岛效应检测电路。该方法检测精度高，非检测区小，但是控制较复杂，且降低了逆变器输出电能的质量。目前并网逆变器的反孤岛策略都采用被动式检测方案加上一种主动式检测方案相结合。通过控制逆变器使其输出功率频率和相位存在一定的扰动。电网正常工作时，由于电网的平衡作用，扰动检测不到。检测原理：逆变器运行过程中，控制使其输出存在周期性扰动。电网正常时，因电网的平衡作用，逆变器的输出仍和电网保持一致，扰动量不起作用。电网发生故障时，扰动量逐步积累直至超过并网标准规定范围，从而检测出电网发生

12、故障：1)输出频率扰动法AFD2)频率偏移检测法3)滑模频漂检测法4)电流干扰检测法5)频率突变检测法6)其他方法3.3.2.输出频率扰动法AFD对逆变器电压的输出频率进行扰动是一种更为有效的孤岛效应检测方法。有源频率偏移法(ACtiVeFrequencyDeift,AFD)是一种目前常见的输出频率扰动孤岛效应检测方法。工作原理：通过偏移耦合点处电网电压采样信号的频率，造成对负载端电压频率的扰动。正常情况下，锁相环的作用是控制频率误差在较小范围内，而当电网出现故障时，锁相环失效，逆变器频率发生变化，而扰动加入使误差增加，积累到一定范围，就会有被动法检测出来。3.3.3.频率偏移检测法频率偏移检

13、测法(ACtiVeFrequencyDrift,AFD)是目前一种常见的主动扰动检测方法。采用主动式频移方案使其并网逆变器输出频率略微失真的电流，以形成一个连续改变频率的趋势，最终导致输出电压和电流超过频率保护的界限值，从而达到反孤岛效应的目的。3.3.4.滑模频漂检测法滑模频率漂移检测法(S1iP-ModeFrequencyShift,SMS)是一种主动式孤岛检测方法。它控制逆变器的输出电流，使其与公共点电压间存在一定的相位差，以期在电网失压后公共点的频率偏离正常范围而判别孤岛。正常情况下，逆变器相角响应曲线设计在系统频率附近范围内,单位功率因数时逆变器相角比R1C负载增加的快。当逆变器与配

14、电网并联运行时，配电网通过提供固定的参考相角和频率，使逆变器工作点稳定在工频。当孤岛形成后，如果逆变器输出电压频率有微小波动逆变器相位响应曲线会使相位误差增加，到达一个新的稳定状态点。新状态点的频率必会超出OFR/UFR动作阀值，逆变器因频率误差而关闭。此检测方法实际是通过移相达到移频,与主动频率偏移法AFD一样有实现简单、无需额外硬件、孤岛检测可靠性高等优点，也有类似的弱点，即随着负载品质因数增加，孤岛检测失败的可能性变大。3.3.5.电流干扰检测法周期电流扰动法(A1ternateCurrentDisturbances,ACD)是一种主动式孤岛检测法。对于电流源控制型的逆变器来说，每隔一定

15、周期，减小光伏并网逆变器输出电流，则改变其输出有功功率。当逆变器并网运行时，其输出电压恒定为电网电压；当电网断电时，逆变器输出电压由负载决定。每每到达电流扰动时刻，输出电流幅值改变，则负载上电压随之变化，当电压达到欠电压范围即可检测到孤岛发生。3.3.6.频率突变检测法频率突变检测法是对AFD的修改，与阻抗测量法相类似。FJ检测在输出电流波形(不是每个周期)中加入死区，频率按照预先设置的模式振动。例如，在第四个周期加入死区，正常情况下，逆变器电流引起频率突变，但是电网阻止其波动。孤岛形成后，FJ通过对频率加入偏差，检测逆变器输出电压频率的振动模式是否符合预先设定的振动模式来检测孤岛现象是否发生。这种检测方法的优点是：如果振动模式足够成熟，使用单台逆变器工作时，FJ防止孤岛现象的发生是有效的，但是在多台逆变器运行的情况下，如果频率偏移方向不相同，会降低孤岛检测的效率和有效性。3.3.7.其他方法孤岛效应检测除了上述普遍采用的被动法和主动法，还有一些逆变器外部的检测方法。如“网侧阻抗插值法”，该方法是指电网出现故障时在电网负载侧自动插入一个大的阻抗，使得网侧的阻抗突然发生显著变化，从而破坏系统功率平衡，造成电压、频率及相位的变化。还有运用电网系统的故障信号进行控制。一旦电网出现故障，电网侧自身的监控系统就向光伏发电系统发出控制信号，以便能够及时切断分布式能源系统与电网的并联运行。