1、第五章 分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測 5-1 反孤島保護(hù)的基本原理 5-2 遠(yuǎn)程孤島檢測 5-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 5-4 基于逆變器的分布式發(fā)電系統(tǒng)本地 孤島檢測方法 5-5 孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)和測試技術(shù) 9/25/2022第五章 分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測 5-1 反孤島保護(hù)的基本5-1 反孤島保護(hù)的基本原理 反孤島的能力是指分布式發(fā)電設(shè)備探測其是否處于孤島運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)地從孤島系統(tǒng)中斷開連接的能力。一、分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島的形成當(dāng)一部分配電系統(tǒng)從電力系統(tǒng)中隔離開來，但仍繼續(xù)由分布式發(fā)電設(shè)備供電時(shí)，則形成了孤島。若不能有效地將處于孤島狀態(tài)的分布式發(fā)電設(shè)備從系統(tǒng)中解列，則有可能導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備和負(fù)荷

2、出現(xiàn)問題。孤島是一個(gè)沒有調(diào)節(jié)控制的電力系統(tǒng)，由于發(fā)電和供電之間的不平衡且孤島電網(wǎng)中可能沒有電壓、頻率控制，其特性是不可預(yù)知的。9/25/20225-1 反孤島保護(hù)的基本原理 反孤島的能力是指分布式發(fā)電設(shè)5-1 反孤島保護(hù)的基本原理 由于電力系統(tǒng)不再控制孤島系統(tǒng)中的電壓和頻率，如果孤島系統(tǒng)中的分布式發(fā)電機(jī)不能提供電壓和頻率調(diào)節(jié)，沒有限制電壓和頻率偏移的繼電保護(hù)，則用戶得到的電壓和頻率將波動(dòng)很大，將可能引起用戶設(shè)備的損壞。當(dāng)一條線路本應(yīng)該沒有電而由孤島中的分布式發(fā)電機(jī)供電時(shí)，將使線路維修的工作人員或其他人員有觸電的危險(xiǎn)。當(dāng)孤島系統(tǒng)重新與電力系統(tǒng)并列運(yùn)行時(shí)，有可能損壞孤島系統(tǒng)中的分布式發(fā)電設(shè)備，這是

3、因?yàn)椴⒘袝r(shí)分布式發(fā)電機(jī)可能與系統(tǒng)不同步，并列時(shí)的電壓相位差將對發(fā)電機(jī)產(chǎn)生非常大的沖擊電流，另外也可能導(dǎo)致系統(tǒng)的重新解列。 孤島可能干擾鄰近用戶正常服務(wù)的手動(dòng)或自動(dòng)恢復(fù)。目前電力系統(tǒng)對孤島的處理是立即停止所有分布式發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，使得整個(gè)線路都處于無電狀態(tài)，防止可能對設(shè)備造成的損害，消除潛在的安全隱患。9/25/20225-1 反孤島保護(hù)的基本原理 由于電力系統(tǒng)不再控制孤島系統(tǒng)5-1 反孤島保護(hù)的基本原理 二、孤島的檢測 當(dāng)孤島形成后，應(yīng)能立即檢測出來，要成功地探測到孤島，基本需要為：孤島檢測方案應(yīng)能對任何可能的孤島都有效。 孤島的檢測應(yīng)在允許的時(shí)間內(nèi)完成。 當(dāng)選擇反孤島的方法時(shí)，主要應(yīng)考慮分布式

4、發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，幾乎所有的分布式發(fā)電機(jī)都能歸納為下述三種類型：同步發(fā)電機(jī)：這種類型的分布式發(fā)電機(jī)一般連接在主干母線上，其容量可達(dá)30MW。 感應(yīng)式發(fā)電機(jī)：該類型的分布式發(fā)電設(shè)備一般連接在主母線上，其容量一般也較大，在1020MW左右?；谀孀兤鞯陌l(fā)電設(shè)備：該類型的分布式發(fā)電設(shè)備一般連接在二次母線上，這主要是因?yàn)槠淙萘肯鄬Ρ容^小，一般在數(shù)百瓦到1MW。根據(jù)目前提出的分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測的工作原理，可將孤島檢測分為兩種類型，即遠(yuǎn)程檢測方法和本地檢測方法。9/25/20225-1 反孤島保護(hù)的基本原理 二、孤島的檢測 當(dāng)孤島形成后5-1 反孤島保護(hù)的基本原理 本地檢測方法取決于分布式發(fā)電系統(tǒng)一側(cè)電壓

5、和電流信號(hào)，如果檢測到的信號(hào)超過一定閾值，則可檢測孤島運(yùn)行狀態(tài)。本地檢測方法也可分為兩種類型： 9/25/20225-1 反孤島保護(hù)的基本原理 本地檢測方法取決于分布式發(fā)電5-1 反孤島保護(hù)的基本原理 無源的檢測方法：該方法主要是基于所測量的電壓和電流信號(hào)在孤島發(fā)生后的參數(shù)變化是否超過給定的閾值來判斷孤島是否產(chǎn)生。有源檢測方法：該方法對系統(tǒng)加入擾動(dòng)信號(hào)，然后根據(jù)檢測到的系統(tǒng)響應(yīng)來判斷孤島是否發(fā)生。 三、非檢測區(qū)和孤島危害分析上述所有孤島檢測方法都存在某些局限性，如：投資費(fèi)用高，需要分布式發(fā)電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)之間的相互配合，誤動(dòng)作，在某些情況下可能存在非檢測區(qū)以及對電力系統(tǒng)供電質(zhì)量、電壓和頻率穩(wěn)定

6、性的影響等。 本地檢測方法的主要缺點(diǎn)是存在非檢測區(qū)(Non-Detection Zone，NDZ)，某些方法的NDZ很小，可以忽略，但其他方法的NDZ可能非常大。 基于頻率的孤島檢測方法常用于同步發(fā)電機(jī)中，下面采用此方法來說明NDZ的大小造成的影響。 9/25/20225-1 反孤島保護(hù)的基本原理 無源的檢測方法：該方法主要是5-1 反孤島保護(hù)的基本原理 基于頻率的反孤島方法通過測量本地頻率的變化來判斷孤島是否發(fā)生。 在孤島系統(tǒng)中，母線頻率隨著負(fù)荷與發(fā)電機(jī)的功率是否匹配而變化，發(fā)電機(jī)輸出功率過大將使頻率增高，反之，將使頻率降低。 如果在孤島中存在較大的功率失衡，基于頻率的孤島檢測方法可快速地檢

7、測到孤島的發(fā)生； 如果功率失衡較小，則需要較長的時(shí)間檢測到孤島。 在最壞的情況下，即孤島系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的功率非常接近時(shí)，此方法可能在允許的時(shí)間內(nèi)檢測不到孤島狀態(tài)。孤島中發(fā)電機(jī)和負(fù)荷功率的失配決定了NDZ。 孤島中顯著地影響能量失配程度的因素有兩個(gè)：第一個(gè)因素是線路日負(fù)荷曲線的變化。依據(jù)運(yùn)行特征的不同，線路負(fù)荷會(huì)在平均日負(fù)荷的上下有20%波動(dòng)；第二個(gè)因素是分布式發(fā)電系統(tǒng)中可能形成不同的孤島，每個(gè)孤島的負(fù)荷大小都不相同。 9/25/20225-1 反孤島保護(hù)的基本原理 基于頻率的反孤島方法通過測量5-1 反孤島保護(hù)的基本原理 基于逆變器的分布式發(fā)電系統(tǒng)，其孤島形成的可能性和與孤島的形成相關(guān)的危

8、險(xiǎn)比基于同步發(fā)電機(jī)的分布式發(fā)電系統(tǒng)的要小。無意的孤島可能造成的危害：電力系統(tǒng)中的設(shè)備不能控制孤島的電壓和頻率，可能會(huì)對處在系統(tǒng)不能進(jìn)行控制情況下的用電設(shè)備產(chǎn)生一定的損害 9/25/20225-1 反孤島保護(hù)的基本原理 基于逆變器的分布式發(fā)電系統(tǒng)，5-1 反孤島保護(hù)的基本原理 孤島的重合閘可能導(dǎo)致線路再次跳閘或損壞分布式發(fā)電設(shè)備，或損壞其他連接的設(shè)備。孤島可能干擾由電力設(shè)施進(jìn)行的正常的手動(dòng)或自動(dòng)恢復(fù)供電操作。 孤島的形成可能對電力線路的維護(hù)人員或其他人員造成傷害，因?yàn)橄到y(tǒng)停電后，本應(yīng)不帶電的線路和設(shè)備由于分布式電源的作用而帶電。 與孤島相關(guān)的人員安全危害故障樹來分析。 9/25/20225-1

9、反孤島保護(hù)的基本原理 孤島的重合閘可能導(dǎo)致線路再次5-2 遠(yuǎn)程孤島檢測 在孤島形成后，遠(yuǎn)程孤島檢測方法是依靠無線電通信來進(jìn)行報(bào)警和使分布式發(fā)電系統(tǒng)跳閘，它們的性能通常與分布式發(fā)電機(jī)的類型無關(guān)。 一、傳輸斷路器跳閘信號(hào)傳輸斷路器跳閘信號(hào)孤島檢測方法的基本思想是監(jiān)視配電系統(tǒng)中所有能夠使分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開的斷路器和自動(dòng) 重合閘的狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)開關(guān)操作產(chǎn)生了到變電站的斷路時(shí)，中央算法可確定孤島的范圍，然后給分布式發(fā)電機(jī)的斷路器發(fā)出跳閘信號(hào)。 9/25/20225-2 遠(yuǎn)程孤島檢測 在孤島形成后，遠(yuǎn)程孤島檢測方法是依靠5-2 遠(yuǎn)程孤島檢測 如果系統(tǒng)中有很多自動(dòng)重合閘并且配電線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，則

10、傳輸斷路器跳閘信號(hào)的孤島檢測方法將很復(fù)雜。 傳輸斷路器跳閘信號(hào)的孤島檢測方法需要大量的通信支持。該方法最大的缺點(diǎn)是費(fèi)用較高以及潛在的復(fù)雜性。二、電力線路載波通信電力線路載波通信的孤島檢測采用輸電線傳輸信號(hào)。9/25/20225-2 遠(yuǎn)程孤島檢測 如果系統(tǒng)中有很多自動(dòng)重合閘并且配電線5-2 遠(yuǎn)程孤島檢測 該方法主要優(yōu)點(diǎn)是只采用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，而且信號(hào)接收器只是檢測信號(hào)的連續(xù)性，因此非?？煽?。另外不必考慮配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，因此很容易實(shí)現(xiàn)。 該方法有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：第一個(gè)是信號(hào)發(fā)生器的費(fèi)用，這是一個(gè)中壓裝置，需要有一個(gè)降壓變壓器來連接并且必須安裝在變電站中。第二個(gè)缺點(diǎn)是信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的孤島檢測

11、信號(hào)有可能干擾其他電力線路載波通信設(shè)備的信號(hào)。9/25/20225-2 遠(yuǎn)程孤島檢測 該方法主要優(yōu)點(diǎn)是只采用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器5-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 一、基于頻率的無源孤島檢測方法1. 工作原理有三種基于頻率的繼電器可用于檢測分布式發(fā)電系統(tǒng)的孤島，分別為頻率繼電器(OFR/UFR)、頻率變化率繼電器和相位突變繼電器。 頻率繼電器測量分布式發(fā)電機(jī)端電壓波形頻率，根據(jù)測量的頻率是否高于或低于頻率閾值來判斷孤島是否形成。頻率變化率繼電器測量發(fā)電設(shè)備的頻率變化速率。當(dāng)測量的頻率變化速率超過設(shè)定閾值時(shí)停止分布式發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)供電。 相位突變繼電器檢測發(fā)電機(jī)端電壓波形與參考電壓波形之間的相位角偏

12、移。9/25/20225-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 一、基于頻率的無源5-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 2. 性能特點(diǎn)當(dāng)在孤島中存在較大的功率不平衡時(shí)，將引起孤島中頻率的快速變化，從而減小了檢測孤島的時(shí)間。評(píng)價(jià)基于頻率的反孤島繼電器性能的方法是掌握跳閘(或檢測)時(shí)間和功率不平衡之間的關(guān)系。9/25/20225-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 2. 性能特點(diǎn)當(dāng)在5-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 對于基于頻率的繼電器孤島檢測方法，影響其性能的方面主要有分布式發(fā)電機(jī)的慣性、母線上隨電壓和頻率變化的負(fù)荷以及同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制。頻率變化率繼電器(整定值：1.2Hz/s) 相位

13、突變繼電器(整定值：10) 相位突變繼電器檢測孤島時(shí)間可用下式估算：9/25/20225-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 對于基于頻率的繼電5-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 負(fù)荷隨電壓變化的參數(shù)k由下式定義： 如果孤島中有多個(gè)分布式發(fā)電機(jī)，基于頻率的繼電器可能相互干擾。 基于頻率的繼電器的最大缺點(diǎn)是非檢測區(qū)大，如果孤島中的負(fù)荷功率缺額低于10%30%，繼電器就不能提供有效的反孤島保護(hù)。 二、其他無源孤島檢測方法系統(tǒng)中過剩無功功率將使系統(tǒng)電壓升高，無功不足將使電壓下降。通過電壓變化或變化率，就有可能檢測到孤島狀態(tài)。 9/25/20225-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 負(fù)荷隨電壓變

14、化的參5-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 有功功率輸出變化：這種方法監(jiān)測分布式發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，由于有功功率變化直接導(dǎo)致系統(tǒng)頻率變化，因此該方法的性能和基于頻率的繼電器相似。 孤島中，電壓變化比頻率變化快很多，因?yàn)殡妷鹤兓蜋C(jī)械慣量無關(guān)，所以電壓繼電器能夠迅速動(dòng)作。無功功率輸出的變化：該方法監(jiān)視分布式發(fā)電機(jī)輸出無功功率的變化，它的性能可能比電壓繼電器的好，這是因?yàn)樵诜植际桨l(fā)電低滲透的配電網(wǎng)中，要得到可探測的電壓的變化，系統(tǒng)中無功功率變化必須很大。 功率因數(shù)(P/Q)和(df/dP)：發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率的變化都將影響功率因數(shù)。 三、有源孤島檢測方法有源孤島檢測方法是將干擾信號(hào)注入

15、到供電系統(tǒng)，并測量本地系統(tǒng)的響應(yīng)來檢測孤島是否形成。1.有源阻抗測量孤島檢測9/25/20225-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 有功功率輸出變化：5-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 有源阻抗測量孤島檢測是將干擾信號(hào)注入到系統(tǒng)中，通過測量由干擾信號(hào)產(chǎn)生的響應(yīng)來測量系統(tǒng)阻抗。如果分布式發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)相連，分布式發(fā)電機(jī)端的等效系統(tǒng)阻抗將很小，反之如果分布式發(fā)電系統(tǒng)形成孤島，則等效阻抗將很大。 該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是孤島中的功率不平衡大小不會(huì)影響它的性能，主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)有多個(gè)分布式發(fā)電機(jī)時(shí)，注入的各擾信號(hào)之間將互相沖突，因此很難獲得相當(dāng)精確的測量 阻抗。另外，某些負(fù)荷的頻率響應(yīng)可能正好將干擾信

16、號(hào)濾除掉，不能產(chǎn)生相應(yīng)的電壓和電流響應(yīng)。 2.改變發(fā)電機(jī)端電壓的孤島檢測方法使分布式發(fā)電系統(tǒng)的自動(dòng)電壓調(diào)整器設(shè)置小的電壓變化并且監(jiān)視發(fā)電機(jī)無功功率輸出值變化來檢測孤島。該方法比直接測量阻抗更實(shí)用，它的實(shí)現(xiàn)只需改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)。 9/25/20225-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 有源阻抗測量孤島檢5-3 分布式同步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 當(dāng)分布式發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如果感應(yīng)電動(dòng)勢E0增加，則發(fā)電機(jī)輸出的無功功率將增加。當(dāng)分布式發(fā)電機(jī)處于孤島狀態(tài)時(shí)，由于負(fù)荷的無功功率不變，分布式發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率為常數(shù)，因此隨著感應(yīng)電動(dòng)勢E0的增加系統(tǒng)電壓Ut將增加。 9/25/20225-3 分布式同

17、步發(fā)電機(jī)孤島的本地檢測 當(dāng)分布式發(fā)電機(jī)并網(wǎng)5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 一、逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)對孤島危害和保護(hù)技術(shù)的影響1.逆變器的工作原理基于逆變器接口的分布式發(fā)電系統(tǒng)按照電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)其輸出功率相對較小，為1kW幾兆瓦，另外，它們通常采用不可調(diào)的能源，如光伏電池陣列，因此這些電源的安裝費(fèi)用不高，一般不和電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)通信。 基于逆變器接口的分布式發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測和保護(hù)方法主要采用本地檢測技術(shù)而不是遠(yuǎn)程檢測技術(shù)。9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 一、逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 2.逆變器分類3.線路換向逆變器線路(或負(fù)荷)換

18、向逆變器使用半導(dǎo)體晶閘管等開關(guān)器件，這些器件可用控制信號(hào)開通，但需要一個(gè)外部電路或電源，使電路中電流降到零來進(jìn)行關(guān)閉。 在線路換向逆變器中，配電網(wǎng)作為電源來關(guān)閉開關(guān)器件。 線路換向逆變器能通過孤島中外部容性電抗換向，或被孤島中其他分布式發(fā)電機(jī)換向，因而逆變器將繼續(xù)運(yùn)行。9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 2.逆變器分類3.線5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 4.自換向逆變器自換向逆變器采用既能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通控制也能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷控制的開關(guān)器件，如IGBT和MOSFET。 根據(jù)直流輸入端直流到交流的連接方式，自換向逆變器拓?fù)淇煞譃殡娏髟茨孀兤?CSI)和電壓源逆變器(VSI)。電流源

19、逆變器有一個(gè)稱為可控電流源的直流母線。通常直流母線采用大的串聯(lián)電感來維持母線上的電流不變。電壓源逆變器有一個(gè)稱為可控電壓源的直流母線。通常直流母線使用大的并聯(lián)電容來維持直流母線的電壓恒定。由于逆變器的輸出連接到恒定電壓源特性的配電網(wǎng)，因此對于分布式電源逆變器接口，選擇電流源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將電流源直接與電壓源連接比兩個(gè)電壓源直接連接較易控制潮流。 目前電壓源逆變器接口通常比電流源接口更普遍，這是因?yàn)槿鏘GBT和MOSFET這些開關(guān)器件更容易滿足電壓源逆變器的需要，也因?yàn)榉植际诫娫锤耠妷涸炊幌耠娏髟础?9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 4.自換向逆變器自換5-4 基于逆變器的

20、本地孤島檢測方法 5.逆變器控制結(jié)構(gòu) 逆變器控制器測量端電壓Uo和輸出電流Io，再加上可從內(nèi)部計(jì)算或從外部電源得到的輸出功率設(shè)定信號(hào)，控制逆變器的輸出電流、有功和無功功率。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 5.逆變器控制結(jié)構(gòu) 5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 電流控制：在電流控制的逆變器中，受控變量是輸出電流。反饋環(huán)為輸出電流Io，逆變器輸出Uac根據(jù)測量的輸出電流和參考電流控制值之間的誤差來調(diào)整。將輸出端電壓Uo作為電流波形參考，對孤島檢測很有利，因?yàn)樗a(chǎn)生正反饋，使孤島狀態(tài)不穩(wěn)定。9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 電流控制：在電流控制5-4

21、 基于逆變器的本地孤島檢測方法 功率角控制：在逆變器的功率角控制中，逆變器通過電感Lo的功率為控制量。Lo一般很小，功率角即使在輸出額定功率時(shí)也很小，因此cos接近于1。電流控制和相角控制的逆變器都沒有獨(dú)立的內(nèi)部頻率和輸出電壓控制，它們跟隨輸出端測量得到的頻率和電壓變化，并且控制輸出電流或功率。如果孤島出現(xiàn)且逆變器的輸出功率和本地負(fù)荷之間功率不平衡時(shí)，輸出頻率和/或電壓將快速變化。 如果逆變器和負(fù)荷之間存在有功功率不平衡，必須改變逆變器輸出電壓來獲得新的平衡。如果有功功率相等，但是無功功率不平衡，必須改變頻率得到新的平衡。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 功率角控制：在

22、逆變器5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 功率角控制：在逆變器的功率角控制中，逆變器通過電感Lo的功率為控制量。Lo一般很小，功率角即使在輸出額定功率時(shí)也很小，因此cos接近于1。電流控制和相角控制的逆變器都沒有獨(dú)立的內(nèi)部頻率和輸出電壓控制，它們跟隨輸出端測量得到的頻率和電壓變化，并且控制輸出電流或功率。如果孤島出現(xiàn)且逆變器的輸出功率和本地負(fù)荷之間功率不平衡時(shí)，輸出頻率和/或電壓將快速變化。 如果逆變器和負(fù)荷之間存在有功功率不平衡，必須改變逆變器輸出電壓來獲得新的平衡。如果有功功率相等，但是無功功率不平衡，必須改變頻率得到新的平衡。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 功

23、率角控制：在逆變器5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 由于逆變器為達(dá)到控制目的測量輸出電壓和頻率，因此很容易采用無源的方法檢測孤島，如檢查逆變器的電壓或頻率是否偏移額定電壓或頻率來檢測孤島是否發(fā)生。 非檢測區(qū)的大小取決于電壓和頻率的窗口的大小和逆變器控制器的設(shè)計(jì)。電流控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器非檢測區(qū)很小，逆變器運(yùn)行在單位功率因數(shù)下，其輸出電流跟隨輸出電壓的變化，這兩個(gè)因素都是不穩(wěn)定的，因此即使負(fù)荷的匹配相當(dāng)好，孤島發(fā)生時(shí)將使電壓或頻率產(chǎn)生大的偏移。多模式控制：分布式發(fā)電系統(tǒng)可能具有比簡單的向配電網(wǎng)供電更復(fù)雜的工作模式。當(dāng)來自電網(wǎng)的能量無效或很貴時(shí)它們能向本地負(fù)荷輸出功率；也可將配電網(wǎng)的能量存儲(chǔ)起

24、來，在其他時(shí)候再用；還可通過電壓調(diào)節(jié)、無功功率補(bǔ)償或有源濾波消除諧波來提高電能質(zhì)量。9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 由于逆變器為達(dá)到控制5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 由于功率角控制的逆變器可通過改變功率角實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換(逆變和整流)，并且控制方法中可包含無功功率控制，因此它們在并網(wǎng)運(yùn)行、單機(jī)運(yùn)行或本地負(fù)荷需要無功補(bǔ)償?shù)葢?yīng)用中具有很大的吸引力。 對于并網(wǎng)運(yùn)行和單機(jī)運(yùn)行模式，功率角控制逆變器的控制環(huán)能夠在電流控制和電壓控制之間轉(zhuǎn)換。在單機(jī)運(yùn)行模式，通過一個(gè)由逆變器控制的開關(guān)，配電網(wǎng)在公共耦合點(diǎn)和本地負(fù)荷斷開，逆變器采用內(nèi)部產(chǎn)生的參考電壓和頻率，以電壓控制模式工作，向本

25、地負(fù)荷供電。9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 由于功率角控制的逆變5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 當(dāng)逆變器運(yùn)行在并網(wǎng)模式時(shí)，逆變器或者起一個(gè)帶有通常的反孤島保護(hù)的逆變器的作用，向電網(wǎng)輸送電能，或者起一個(gè)高功率因數(shù)有源整流器的作用，從電網(wǎng)接收電能向它的存儲(chǔ)系統(tǒng)充電。二、逆變器內(nèi)部的孤島檢測技術(shù)1.無源孤島檢測方法逆變器內(nèi)部的無源孤島檢測方法和同步發(fā)電機(jī)的本地?zé)o源檢測方法相似，當(dāng)孤島形成時(shí)，該類方法監(jiān)視逆變器輸出端的電壓參數(shù)，如電壓幅值和頻率等參數(shù)的變化。(1)電壓偏高/低和頻率偏高/低孤島檢測在并網(wǎng)逆變器中通常需要限制逆變器的輸出電壓和頻率，為用戶設(shè)備在逆變器電壓和頻

26、率漂移時(shí)提供保護(hù)。上述限制也可同時(shí)提供孤島檢測功能，因?yàn)楫?dāng)孤島發(fā)生時(shí)如果逆變器的輸出功率和本地負(fù)荷功率消耗不平衡，電壓和頻率將會(huì)產(chǎn)生偏移。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 當(dāng)逆變器運(yùn)行在并網(wǎng)模5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 如果本地負(fù)荷和逆變器的輸出功率相差不大，電壓和頻率的偏移不足以超過設(shè)定的逆變器的電壓和頻率的極限，則檢測不出孤島。依據(jù)逆變器輸出功率(P, Q)和本地負(fù)荷(P+P, Q+Q)之間的有功功率不平衡(P)和無功功率(Q)不平衡，非檢測區(qū)的大小將隨逆變器的控制策略不同而變化。若逆變器的控制使其輸出功率恒定不變且為單位功率因數(shù)，則可推出下面的關(guān)系： 如

27、果負(fù)荷采用并聯(lián)RLC電路模擬，則品質(zhì)因數(shù)為9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 如果本地負(fù)荷和逆變器5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 在北美，并網(wǎng)逆變器的允許的電壓偏移為88和110，頻率上下限為5759.3Hz和60.5Hz，若設(shè)fmin=59.3Hz，品質(zhì)因數(shù)Qf為2.5，則電壓和頻率偏高/偏低的非檢測區(qū)為：對于有功功率不平衡的非檢測區(qū)相當(dāng)大，而對于無功功率不平衡的非檢測區(qū)很小。無功功率不平衡的非檢測區(qū)當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Qf降低時(shí)甚至更小。(2)電壓相位突變孤島檢測(PJD)PJD和同步發(fā)電機(jī)分布式發(fā)電系統(tǒng)中孤島檢測使用的頻率變化率繼電器和相位突變繼電器技術(shù)相似。 逆變器控制

28、系統(tǒng)通?？刂戚敵鲭娏魇闺妷汉碗娏飨辔槐３忠粋€(gè)小的差別，相位發(fā)生突變說明配電網(wǎng)不再維持逆變器的端電壓，它的相位角發(fā)生突變，以便和負(fù)荷的相位角相匹配。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 在北美，并網(wǎng)逆變器的5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 對于電流源型逆變器，系統(tǒng)斷開后，逆變器端電壓不再被系統(tǒng)固定，而逆變器輸出電流是固定的，它一直跟隨逆變器內(nèi)部鎖相環(huán)提供的波形。由于頻率沒有發(fā)生變化，負(fù)載的相位必定與系統(tǒng)斷開前相同，因此電壓必須跳到新的相位。在下一個(gè)過零點(diǎn)，“新”電壓和逆變器輸出電流之間的相位誤差即可用來檢測孤島。 PJD的主要優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闊o論如何逆變器都需要鎖相環(huán)

29、(PLL)來與系統(tǒng)同步，要實(shí)現(xiàn)電壓相位突變檢測只需增加檢測逆變器輸出電流和端電壓的相位誤差超過閾值時(shí)具有關(guān)斷逆變器的能力。 PJD很難選擇能提供可靠的孤島檢測的閾值，而不引起頻繁的誤動(dòng)作。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 對于電流源型逆變器，5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 (3)電壓諧波變化孤島檢測 逆變器控制器監(jiān)視逆變器端電壓的總的諧波畸變(THD)，如果THD超過設(shè)定的閾值即關(guān)閉逆變器。在正常運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)為一個(gè)低阻抗的電壓源，能夠維持逆變器端電壓諧波畸變很低，THD0。 當(dāng)孤島產(chǎn)生時(shí)，兩個(gè)原因使逆變器輸出電壓的THD增強(qiáng)。9/25/20225-4 基于逆變器

30、的本地孤島檢測方法 (3)電壓諧波變化孤5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 逆變器的輸出端的阻抗增大，因?yàn)榈妥杩沟呐潆娋W(wǎng)被斷開，孤島系統(tǒng)中只有本地負(fù)荷，因此逆變器輸出電流的電流諧波將使端電壓的電壓諧波增大。孤島中的非線性負(fù)荷，尤其是配電變壓器，將通過逆變器的輸出電流勵(lì)磁，非線性負(fù)荷的電壓響應(yīng)在勵(lì)磁電流的作用下出現(xiàn)高度失真。從理論上說，電壓諧波檢測法在很寬范圍內(nèi)都能成功的檢測到孤島，而且在多臺(tái)逆變器情況下其效果并沒有很大改變。電壓諧波變化孤島檢測與電壓相位突變孤島檢測具體實(shí)現(xiàn)時(shí)面臨對同樣的困難，通常不易選擇能保證可靠的孤島檢測的動(dòng)作閾值，而不引起逆變器誤動(dòng)作。如果孤島中的負(fù)載具有很強(qiáng)的低通特性

31、，這種方法會(huì)失效，例如負(fù)載具有很高的品質(zhì)因數(shù)時(shí)，負(fù)載的濾波作用將使THD減小。 當(dāng)發(fā)電機(jī)端的負(fù)荷分流無功電流或者逆變器具有高質(zhì)量、低失真輸出時(shí)，該方法也可能失效。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 逆變器的輸出端的阻抗5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 2.有源孤島檢測方法 逆變器內(nèi)部有源孤島檢測方法采用逆變器能夠調(diào)整其輸出電流、電壓或頻率的能力擾動(dòng)負(fù)荷，然后監(jiān)視其響應(yīng)來探測具有穩(wěn)定的電壓、頻率和低阻抗的配電網(wǎng)是否斷開。(1)阻抗測量孤島檢測方法阻抗測量孤島檢測通過探測當(dāng)?shù)妥杩古潆娋W(wǎng)斷開后，逆變器輸出電路阻抗的變化來判斷孤島是否產(chǎn)生。當(dāng)逆變器與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于電流

32、幅值波動(dòng)即功率變化引起的電壓波動(dòng)大小與系統(tǒng)額定阻抗和功率有關(guān)。如果配電網(wǎng)與逆變器斷開，電流幅值的變化將引起可檢測到的逆變器端電壓幅值的變化，從而可檢測到孤島的發(fā)生。實(shí)際上，逆變器測量的是du/dio，因此這種方法通常稱為阻抗測量法。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 2.有源孤島檢測方法5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 阻抗測量孤島檢測方法最主要的優(yōu)點(diǎn)是對于只有一個(gè)逆變器的孤島，若本地阻抗大于配電網(wǎng)阻抗，在理論上則具有非常小的非檢測區(qū)。該方法最突出的缺點(diǎn)是在多逆變器情況下孤島檢測的效率將降低，即使孤島中所有的逆變器的阻抗測量法也會(huì)降低檢測效率，除非所有逆變器輸出的擾動(dòng)

33、信號(hào)都同步。 即使對于非常大的電網(wǎng)，系統(tǒng)等效電壓源的阻抗也不為零，因此，必須設(shè)定逆變器動(dòng)作的閾值，如果低于該閾值則認(rèn)為逆變器仍然與配電網(wǎng)連接。因此該方法也存在非檢測區(qū)，如果本地負(fù)荷的阻抗低于動(dòng)作閾值，阻抗測量法不會(huì)認(rèn)為所測量得到的阻抗是本地負(fù)荷的阻抗，從而允許孤島繼續(xù)存在。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 阻抗測量孤島檢測方法5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 (2)特定頻率下阻抗測量孤島檢測方法該方法是諧波檢測方法的一個(gè)特例，之所以被認(rèn)為是有源的而不是無源的是因?yàn)樗ㄟ^逆變器人為地注入特定頻率的電流諧波。當(dāng)孤島發(fā)生后，注入的諧波電流將在負(fù)載上產(chǎn)生諧波電壓，只要該諧波

34、電壓足夠大，則可檢測到孤島。 該方法與無源的電壓諧波變化檢測法具有同樣缺點(diǎn)。多臺(tái)逆變器注入相同的諧波可能產(chǎn)生誤動(dòng)作，因?yàn)榧词古c低阻抗網(wǎng)絡(luò)相連，諧波電壓幅值也將增加很大。負(fù)載具有的頻率特性有可能正好濾除掉引入的電流諧波信號(hào)而使該方法失效。(3)滑模頻率漂移孤島檢測方法(SMS)SMS對逆變器輸出電壓的相角引入正反饋。逆變器相角響應(yīng)曲線設(shè)計(jì)成在系統(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)載增加得快，使工頻成為逆變器運(yùn)行的不穩(wěn)定工作點(diǎn)。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 (2)特定頻率下阻抗5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 當(dāng)逆變器與配電網(wǎng)并列運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)通過提

35、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，負(fù)載和逆變器的相位頻率工作點(diǎn)必須是負(fù)載線和相位響應(yīng)曲線的交點(diǎn)。假設(shè)逆變器與配電網(wǎng)斷開，如果逆變器輸出電壓頻率有微小波動(dòng)，逆變器的S形相位響應(yīng)曲線會(huì)使相位誤差增加而不是減少。逆變器在頻率0的這種不穩(wěn)定使它的波動(dòng)加強(qiáng)并且使系統(tǒng)運(yùn)行到一個(gè)新的工作點(diǎn)，根據(jù)波動(dòng)的方向?yàn)锳點(diǎn)或C點(diǎn)。SMS將使逆變器輸出電能質(zhì)量降低。另外，反饋環(huán)中有非常高的穿透率和高增益，SMS可能會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的電能質(zhì)量和暫態(tài)響應(yīng)。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 當(dāng)逆變器與配電網(wǎng)并列5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 該方法具有很高的孤島檢測效率

36、，但是有些RLC負(fù)載具有這樣的相位響應(yīng)曲線：負(fù)載的相位增加快于逆變器，這些RLC負(fù)載的頻率響應(yīng)破壞了SMS曲線的不穩(wěn)定。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 該方法具有很高的孤島5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 在這種方法中，逆變器的輸出電流波形有少量畸變，使得其頻率具有連續(xù)變化的趨勢。當(dāng)逆變器與配電網(wǎng)并列運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)頻率不可能改變。當(dāng)逆變器與配電網(wǎng)斷開后，逆變器輸出電壓的頻率將被迫上升或下降，增大了孤島系統(tǒng)為尋求與負(fù)荷頻率諧振產(chǎn)生的自然頻率偏移。(4)有源頻率偏移孤島檢測方法(AFD) tz與Ts/2的比被稱為斬波系數(shù)cf。 孤島時(shí)，若將此電流加到阻性負(fù)載，其電壓響應(yīng)

37、會(huì)跟隨這種失真電流波形并且在比純正弦激勵(lì)更短時(shí)間內(nèi)(Ts-tz)達(dá)到零，引起輸出電壓上升過零點(diǎn)比預(yù)期早，引起輸出電壓和電流之間的相位誤差，逆變器為消除相位誤差增加輸出電流頻率。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 在這種方法中，逆變器5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 阻性負(fù)載電壓響應(yīng)的過零點(diǎn)與預(yù)期相比提前，逆變器將會(huì)繼續(xù)檢測到相位誤差并再次增加頻率，該過程一直持續(xù)到頻率偏移f0足夠大，能夠被OFP/UFP所檢測到。 采用AFD會(huì)降低逆變器輸出電能質(zhì)量，另外，為保證多逆變器情況下的孤島檢測效率，所有逆變器必須保持相同的頻率偏移方向。而且這種不連續(xù)的電流波形可能會(huì)產(chǎn)生輻射或

38、傳導(dǎo)的射頻干擾。該方法的非檢測區(qū)與斬波系數(shù)cf有關(guān)。如果cf1%，AFD的非檢測區(qū)與SMS相同。 9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 阻性負(fù)載電壓響應(yīng)的過5-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法 沙迪亞頻率漂移孤島檢測方法是頻率偏移方法的擴(kuò)展，是美國沙迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出的利用正反饋來防止孤島的一種方法。該方法對逆變器輸出電壓頻率應(yīng)用正反饋。(5)沙迪亞頻率漂移孤島檢測方法(SFS)當(dāng)逆變器與配電網(wǎng)相連時(shí)，SFS會(huì)使逆變器輸出電能質(zhì)量有輕微下降。與一個(gè)弱的電網(wǎng)連接時(shí)，逆變器電能輸出的不穩(wěn)定性可能產(chǎn)生系統(tǒng)不期望的暫態(tài)響應(yīng)。 對于有大電容、小電感和(或)高電阻的負(fù)載，即具有高Q值的負(fù)載，SFS同樣具有非檢測區(qū)。9/25/20225-4 基于逆變器的本地孤島檢測方法