项目三 光伏发电系统 ——2 孤岛效应及反孤岛策略

1. 项目三 光伏发电系统 ——2孤岛效应及反孤岛策略 《太阳能光伏发电及其逆变控制》

2. 2.1孤岛效应的基本问题 相对于离网光伏发电系统而言，并网光伏发电系统在运行时具有较高的光伏 电能利用率，然而由于并网光伏发电系统直接将光伏阵列发出的电能逆变后馈送 到电网，因此在工作时必须满足并网的技术要求，以确保系统安装者的安全以及 电网的可靠运行。对于通常系统工作时可能出现的功率器件过电流、功率器件过 热、电网过/欠电压等故障状态，比较容易通过硬件电路与软件配合进行检测、 识别并处理。但对于并网光伏发电系统来说，还应考虑一种特殊故障状态下的应 对方案，这种特殊故障状态就是所谓的孤岛效应。

3. 孤岛效应的发生会给系统设备和相关人员带来如下危害：1)孤岛效应使电压及其频率失去控制，如果分布式发电系统中的发电装置没有电压和频率的调节能力，且没有电压和频率保护继电器来限制电压和频率的偏移，孤岛系统中的电压和频率将会发生较大的波动，从而对电网和用户设备造 成损坏。2）孤岛系统被重新接入电网时，由于重合W时系统中的分布式发电装置可能与电网不同步而使电路断路器装置受到损坏，并且可能产生很高的冲击电流，从而损害孤岛系统中的分布式发电装置，甚至导致电网重新跳闸。3）孤岛效应可能导致故障不能清除（如接地故障或相间短路故障），从而可能导致电网设备的损害，并且干扰电网正常供电系统的自动或手动恢复。4）孤岛效应使得一些被认为已经与所有电源断开的线路带电，这会给相关人员（如电网维修人员和用户）带来电击的危险。由上可知，当主电网跳闸时，分布式发电装置.的孤岛运行将对用户以及配电 设备造成严重损害，因此在包括并网光伏发电等系统在内的分布式发电系统中， 并网发电装置必须具备反孤岛保护的功能，即具有检测孤岛效应并及时与电网切 离的功能。

4. 2.1.1孤岛效应的发生与检测 图是并网光伏发电系统的功率流图，并网光伏发电系统由光伏阵列和逆 变器组成，该发电系统通常通过一台变压器（可能安装在逆变器外或不安装）和断路器QF连接到电网。当电网正常运行时，假设图7-2系统中的逆变器工作 于单位功率因数正弦波控制模式，而相关的局部负载用并联RLC电路来模拟，并且假设逆变器向负载提供的有功功率、无功功率分别为P、Q,电网向负载提 供的有功功率、无功功率分别为AP、AQ,负载需求的有功功率、无功功率为Pload、Qload 。 2.1.1.1孤岛效应发生的机理 下面以典型的并网光伏发电系统为例分析其孤岛效应发生的机理，阐述孤岛效应发生的必要条件。

5. 根据能量守恒定律，公共连接点（Point of Common Coupling，PCC)处的功 率流具有以下规律：Pbad =P + AP(7-1) Qload=Q+AQ当电网断电时，通常情况下，由于并网发电系统的输出功率和负载功率之间 的巨大差异会引起系统的电压和频率的较大变化，因而通过对系统电压和频率的 检测，可以很容易地检测到孤岛效应。但是如果逆变器提供的功率与负载需求的 功率相匹配，那么当线路维修或故障而导致网侧断路器 QF跳闸时，公共连接点（PCC)处电压和频率的变化很小，很难通过对系统电 压和频率的检测来判断孤岛的发生，这样逆变器可能继续向负载供电，从而形成 由并网光伏发电系统和周围负载构成的一个自给供电的孤岛发电系统。 从以上分析可以看出，并网发电系统孤岛效应发生的必要条件是： 1）发电装置提供的有功功率与负载的有功功率相匹配； 2）发电装置提供的无功功率与负载的无功功率相匹配，即满足相位平衡关系。

6. 2.1.1. 2孤岛效应的检测 了解岛效应发生的机理后，重要的是要能够及时而有效地检测出孤岛效应，即 1）必须能够检测出不同形式的孤岛系统，每个孤岛系统可能由不同的负载 和分布式发电装置（如光伏发电、风力发电等）组成，其运行状况可能存在很 大差异。一个可靠的反孤岛方案必须能够检测出所有吋能的孤岛系统。 2）必须在规定时间内检测到孤岛效应。这主要是为了防止并网发电装置不 同步的重合闸。空气开关通常在0.5 ~ Is的延迟后重新合上，反孤岛方案必须在 重合闸发生之前使并网发电装置停止运行。

7. 2.1.2孤岛效应发生的可能性与危险性孤岛效应的发生可能会带来一系列危害，其中给相关人员带来的电击危险应当是最严重的，因此这里提到的危险性主要是指孤岛效应产生电击的危险性。2.1.2.1可能性分析对孤岛效应发生的可能性认识常存在两种极端：一方面，孤岛效应被认为是可能性很小的事件，不需要特别考虑；另一方面，仅理论上的分析都足以使人们 对孤岛效应发生的可能性引起重视。实际上，孤岛效应发生的可能性介于两种极 端观点之间。研究孤岛效应发生可能性的主要困难是缺少孤岛效应发生的频率、 持续时间以及发生时带来危险的实际数据，并且关于孤岛效应的讨论不少还是基 于个人的“感觉”或“直觉”。 针对并网光伏发电系统的孤岛效应，荷兰相应的研究机构曾做过深人的研 究，并提供了配电网中孤岛效应发生的频率以及持续时间的实际数据[3]。该项 研究是通过测量安装有并网光伏发电系统的典型居民区的负荷情况来进行的，并 在两年中连续测量了每一秒钟负载需求的有功功率和无功功率，同时将相关数据 存储在计算机内用于离线分析，由于电网负载和并网光伏系统提供的功率之间存 在直接相关性，因而离线分析是可行的。通过对安装有并网光伏发电系统的典型 居民区的孤岛效应研究得出了以下结论：

8. 1）如果电网中并网光伏发电系统能够提供的最大功率约为夜间最小负载的 2~3倍，那么负载与并网光伏发电系统功率匹配的状况就不会发生；2）如果每个住户所安装的并网光伏发电系统的最大功率不超过400W,功 率匹配状况也不会发生；3）并网光伏发电系统的发电量不会显著影响功率匹配状况发生的频率和 时间；4）无论并网光伏发电系统发电量在总发电量中的比例高低，功率匹配状况 发生的可能性都非常小；5）功率匹配状况发生的可能性与连接到馈电线上的住户的数域无关；6）低压电网中功率匹配状况发生的可能性小于10_6 ~丨0_5次/年；7）功率匹配同时电网供电中断的可能性即孤岛效应发生的可能性几乎为0。以上研究结论表明：并网光伏发电系统中功率匹配状况发生的可能性非常小，而孤岛效应发生的可能性几乎为0。虽然荷兰相关机构在对某个典型居民区孤岛效应的研究中得出了孤岛效应发 生的可能性几乎为0的结论，但是毕竟研究的范围有限，也不能满足未来发展的 要求，因此孤岛效应作为一个技术问题，必须对其危险性有足够的重视，并采用 适当的方案来加以防止或利用。

9. 2.1.2. 2危险性分析 针对上述危害，虽然已研究出多种反孤岛方案，但这些方案仍然有以下局限性： 1.执行成本髙； 2.需要光伏发电系统与电网之间的协调； 3.易误检测（误跳闸）； 4.在某些情况下具有不可检测性； 5.降低电网供电质量以及电压和频率的稳定性。 孤岛效应一旦发生将带来具有以下不利影响的危险性，即 1）孤岛效应引起的重合闸问题 2）孤岛效应对正常供电的自动或手动恢复产生的干扰 3）孤岛效应给相关人员带来电击的危险

10. 总结以上分析，只有在下列事件都发生的情况下，孤岛效应才会产生危险：1.电网因故障或维修等原因而造成供电中断；2.发电装置的输出（有功和无功）与孤岛系统中的负载需求非常匹配；3.当孤岛系统的工作状况在反孤岛方案的NDZ以内，此时发电装置无法检 测到孤岛效应即检测失败；4.工作人员接触了与并网系统相连的不绝缘的带电导体。在考虑了以上4个因素的基础上，英国的一项研究计算出了孤岛效应产生电击对人身伤害的总危险性水平，相关的研究结果可以归纳如下：1.当电网中发电装置相对负载来说输出功率较低，即输出功率小于平均最 大需求功率的30%时，功率匹配的可能性几乎为0;然而当发电装置输出功率相对增加时，功率匹配的可能性随之增加。2.利用英国关于电网跳阐、发电装置输出功率高等情况发生的可能性的数 据，以及对并网逆变器反孤岛能力的合理假设，孤岛效应造成电击的总危险性约 为10_9次/年，而英国一般电击发生的危险性约为1(T6次/年，显然前者比后者 要小得多。可见由孤岛效应造成的电击危险，即使是在并网逆变器系统输出功率很髙 时，只要正确处理，也不会增加本身就存在的电击危险。实际应用中应尽量避免 选择理论上不可检测区小但可靠性低的反孤岛方案。

11. 2.1.3并网逆变器发生孤岛效应时的理论分析2.1.3.1并网逆变器系统逆变器并网运行时，输出电压由电网电压钳位，逆变器所能控制的只是输人电网的电流。其中，并网电流的频率和相位应与电网电压的相同，而幅值是根据 实际系统的控制来决定的。 2.1.3.2反孤岛测试电路中的负栽品质因数 1.负载品质因数Qf的定义

12. 2.负载品质因数Qf的确定将并联RLC谐振电路的品质因数Qf与负载电路的位移功率因数（Displace­ment Power Factor, DPF)联系起来将更有利于反孤岛测试中对负载品质因数（>f的确定，那么负载品质因数Qf与位移功率因数（DPF)究竟有何关系呢？为了便于定量分析，首先做下列假设[5]: 1.假设负载电路中不含补偿功率因数的电容，并a已知负载电路消耗的有 功功率和负载电路的功率因数，由这两个数据和电网电压及频率，可以计算出负 载电路中的电阻和电感L; 2.假设并上的无功补偿电容刚好使负载电路的功率因数为1。这种假设是 合理的，因为负载电路的功率因数等于1意味着负载电路的谐振频率等于电网频 率，而这是反孤岛保护所面临的最严重情况（任何其他的谐振频率都将有助于 而不是有碍于反孤岛保护），此时A和C将有一个固定的关系。 2.1.3.3有功功率和无功功率的不匹配分析 1.孤岛时系统的功率流图及相关分析 2.孤岛时系统的功率匹配分析

13. 2.1.4孤岛效应的检测标准与研究状况由于一系列技术和经济障碍，使得近些年对孤岛效应的利用是不可能推广的，这主要是因为对于孤岛效应的利用需要对系统进行满足孤岛安全运行模式的 重新设计，于是现阶段还是要求必须及时检测并禁止孤岛效应的发生。国际上先 后制定的并网技术标准如UL1741[6]、IEEE Std. 929⑴和IEEE Std. 1547. l7]等 都规定了并网发电装置必须具有反孤岛保护功能，并设计出具体的反孤岛测试电 路和测试方法。 • 近年来，关于孤岛效应的研究主要集中于以下几个方面： • 1.孤岛效应的机理研究； • 2.反孤岛策略的研究； • 3.反孤岛策略的有效性评估； • 4.并网光伏发电装置的反孤岛测试； • 5.孤岛效应的利用。

14. 2.1.5并网光伏系统的反孤岛测试为了验证实际中反孤岛方案的有效性，必须对并网光伏发电装置进行反孤岛测试，以验证并网光伏发电装置是否能够在规定的时间内检测到孤岛效应，并停止运行。本传根据IEC 62116 Edition 1_0的标准，介绍了基于并网逆变器的反孤 岛测试电路，并详述了孤岛测试的步骤及测试判据。 1.反孤岛测试电路组成 2.测试要求 3.具体测试步骤

15. 2.2基于并网逆变器的被动式反孤岛策略在并网光伏发电系统中，基于并网逆变器的反孤岛策略主要分为两类：第一类称为被动式反孤岛策略，如不正常的电压和频率、相位监视和谐波监视等；第 二类称为主动式反孤岛策略，如频率偏移和输出功率扰动等。第-类方法只能在 电源一负载不匹配程度较大时才能有效，在其他情况（例如逆变器输出负载并 联电容）下可能会导致将孤岛检测的失效。第二类方法如频率偏移法，则是通 过在控制信号中人为注入扰动成分，从而使得频率或者相位偏移，这类主动式方 法虽然使系统的反孤岛能力得到了加强，但仍然存在不可检测区，即当电压幅值 和频率变化范围小于某一值时，系统无法检测到孤岛的存在。本节及下一节主要 将介绍并网逆变器的被动与主动两种反孤岛策略。 2. 2.1 过/欠电压、过/欠频率反孤岛策略 1.过/欠电压反孤岛策略（OVP/UVP) 2.过/欠频率反孤岛策略（OFP/UFP)

16. 3.优缺点过/欠电压、过/欠频率反孤岛策略的作用不只限于检测孤岛效应，还可以用 来保护用户设备，并且其他产生异常电压或频率的反孤岛方案也依靠过/欠电压、 过/欠频率保护方案来触发并网逆变器停止工作；它是孤岛效应检测的一个低成 本选择，而成本对并网光伏逆变器的推广应用是很重要的；由于是被动式反孤岛 策略，因此IK常并网运行时，逆变器不会影响电网的电能质量；多台并网逆变器 运行时，不会产生稀释效应。从过/欠电压、过/欠频率保护检测孤岛效应的方面出发，此反孤岛策略的 NDZ相对较大，并且这种方案的反应时间是不可预测的。 2.2.2基于相位跳变的反孤岛策略 • 1.基本原理 • 相位跳变反孤岛策略是通过监控并网逆变器端电压与输出电流之间的相位差 来检测孤岛效应的一种被动式反孤岛策略[22]。

17. 2.优缺点相位跳变方案的主要优点是容易实现，由于并网逆变器本身就需要锁相环用 于同步，执行该方案只需增加在。,与\间的相位差超出阈值时使逆变器停土 工作的功能就可以了；作为被动式反孤岛方案，相位跳变不会影响并网逆变器输 出电能的质量，也不会干扰系统的哲态响应；和其他被动式方案一样，在系统连 接有多台并网逆变器时，不会产生稀释效应。但该方案很难选择不会导致误动作的阈值。一些特定负载的启动，尤其是电 动机的起动过程经常产生相当大的暂态相位跳变，如果阈值设置的太低，将导致 并网逆变器的误跳闸，并且相位跳变的阈值可能要根据安装地点而改变，这也给 实际应用带来不便。 2.2.3基于电压谐波检测的反孤岛策略 • 1.工作原理[23’24] 电压谐波检测反孤岛策略是通过监控并网逆变器输出端电压谐波失真来检测 孤岛效应的一种被动式反孤岛策略。 当电网连接时，电网可以看作为一个很大的电压源，并网逆变器产生的谐波 电流将流人低阻抗的电网，这些很小的谐波电流与低值的电网阻抗在并网逆变器 输出端处的电压响应Ua仅含有非常小的谐波（THD«0)。

18. 2.优缺点理论上，电压谐波检测反孤岛策略能在很大范围内检测孤岛效应；在系统连 接有多台逆变器的情况下不会产生稀释效应；即使在功率匹配的情况下，也能检 测到孤岛效应；作为被动式反孤岛方案，不会影响并网逆变器输出电能的质量， 也不会干扰系统的暂态响应。然而和相位跳变反孤岛策略一样，电压谐波检测反孤岛策略也存在阈值的选 择问题。并网专用标准如IEEE Std.929要求并网光伏逆变器输出电流的THD小于 额定电流的5%,通常为留有裕量，设计并网逆变器时允许的THD比标准要求的 更低=但是如果局部非线性负载很大，并网光伏发电系统的电压谐波可能大于 5%,并且失真的大小随非线性负载的接人和切离而迅速改变，这样就很难选择阈 值，既要考虑并网逆变器输出电流谐波相对低的要求，乂要使得阈值大于并网光伏 发电系统中可能允许出现的电压THD;另一个实际的问题是：当前的并网标准规 定反孤岛测试电路使用线性K/X负载来代表局部负载，忽略了可能提高孤岛系统 中电压THD的非线性负载的影响，因此电压谐波检测方案还不能广泛应用。

19. 2.3基于并网逆变器的主动式反孤岛策略以上讨论了几类被动式反孤岛策略，主要包括：过/欠电压（OVP/UVP)和 过/欠频率（OFP/UFP)反孤岛策略、相位突变反孤岛策略以及电压谐波检测反 孤岛等方案。其中，相位突变反孤岛策略以及电压谐波检测反孤岛方案由于孤岛 检测的阈值难以确定，因而较少应用，而过/欠电压（OVP/UVP)和过/欠频率 (OFP/UFP)反孤岛策略则应用较多，徂通过实验与仿真分析可知，这两种反孤 岛策略具有较大的NDZ，即在某些情况下无法检测孤岛的发生，为了减小甚至 消除NDZ，研究人员提出了多种主动式反孤岛策略方案。本节主要介绍的主动 式反孤岛策略方案有频移法、功率扰动法和阻抗测量法，以下分类介绍。 2.3.1频移法 2.3.1.1主动频移反孤岛策略一AFD方案原理及优缺点 2.3.1.2基于正反馈的主动顿移——Sandia频移方案[22]原理及优缺点 2.3.1.3滑模频率偏移法原理及优缺点

20. 2.3.2 基于功率扰动的反孤岛策略2. 3. 2.1基于有功功率扰动的反孤岛策略工作原理及优缺点2. 3. 2.2基于无功功率扰动的反孤岛策略工作原理及优缺点 2.3.3 阻抗测量方案 在并网系统中，当电网连接时，电网可以看做一个很大的电压源，此时公共 耦合点处的阻抗很低；而当电网断开时，在公共耦合点处测得的即为负载阻抗， 通常都远大于电网连接时的阻抗。显然，可以通过测量公共耦合点处电路阻抗的 变化来检测孤岛效应。 暂态测量法的主要特点就是可以快速得到测it结果，这一点比较符合孤岛检测的要求。但是这一方案对采样环节和数字处理环节的要求比较高，这对于常规 的并网逆变系统将很难实现。 总体来说，阻抗测量法虽然可以很好防止孤岛的发生，但还存在以下缺点： 持续地输人扰动会影响电网质量（但如果扰动谐波的频率选为电网频率，可以 减小对电网质量的影响）；对于弱电网或者电网本身波动较大的情况，很难实现 电网阻抗监测；当多个并网逆变器并联运行时，其检测信号会相互干扰，从而使 得阻抗估算错误。

21. 2.4不可检测区域（NDZ)与反孤岛策略的有效性评估反孤岛保护是并网发电装置必须具备的功能。然而几乎所冇的反孤岛方案 都存在检测失败的情况，即不可检测区域（Non-Detection Zone，NDZ),这些 检测失败的情况包括功宇•匹配状况以及一些特殊负载等。为此，应通过理论分 析寻找孤岛检测失败的原因，并进行适当的总结，以评估不同孤岛检测算法的 适用范围和影响不可检测区域（NDZ)的相关因素，从而提高孤岛检测的有效性。 2. 4.1 基于△Px △Q坐标系孤岛检测的有效性评估[15] 2.4.1.1 △Px △Q坐标系中孤岛检测的NDZ 2.4.1.2 △Px △Q坐标系中电路的功率流及不匹配功率的影响14] 2.4.1.3 △Px △Q 坐标系中孤岛检测的NDZ边界

22. 2. 4.2基于L x Cnorm坐标系孤岛检测的有效性评估[11] 2.4.2.1 L x Cnorm坐标系及其孤岛检测的相位判据 2.4.2.2 L x Cnorm坐标系中孤岛检测的NDZ边界 • 1.过/欠频率孤岛检测的NDZ边界 • 2.相位跳变孤岛检测的NDZ边界 • 3.滑模频移孤岛检测的NDZ边界 • 4.主动式频移方案的NDZ边界 • 5. Sandia频移方案的NDZ边界

23. 2. 4. 3基于负载特征参数Qf ×f0坐标系的有效性评估2.4. 3.1 Qf ×f0坐标系及其孤岛检测的相位判据2.4.3 .2 Qf ×f0坐标系屮孤岛检测的NDZ边界1.过/欠频率保护方案的NDZ边界2.过/欠频率保护方案的NDZ边界3.滑模频移方案的NDZ边界4.主动式频移方案的NDZ边界5.Sandia频移方案的NDZ边界

24. 2.4.4 基于负载特征参数Qf0X Cnorm坐标系的有效性评估2.4.4. 1 Qf0X Cnorm坐标系及其孤岛检测的相位判据2.4.4. 2 Qf0X Cnorm坐标系中孤岛检测的NDZ分析1. 过/欠频率方案的NDZ分析2. 相位跳变方案的NDZ分析3. 主动式频移（AFD)方案的NDZ分析 4.Sandia 频移(AFDPF)方案的 NDZ 分析5. 滑模频移（SMS)方案的NDZ分析

25. 2.5多逆变器并联运行时的孤岛检测分析目前光伏逆变器的反孤岛研究主要集中于针对单台逆变器的检测算法与参数 优化，而实际中常常出现的是系统连接有多台并网逆变器的情形。对于被动式孤 岛检测方案，过/欠电压（OVP/UVP)和过/欠频率（OFP/UFP)反孤岛策略由 于其简便易行而应用较多，但这两种反孤岛策略具有较大的不可检测区域 (NDZ),即在某些情况下无法检测孤岛的发生；相位突变反孤岛策略以及电压 谐波检测反孤岛方案由于孤岛检测的阈值难以确定，因而也较少应用。而主动频 移反孤岛方案（AFD)、基于功率扰动的反孤岛方案以及阻抗测量法等主动式反 孤岛方案，在单台逆变器运行条件下的确比被动式反孤岛方案具有更小的不可检 测区域。但当多台并网逆变器并联运行时，上述主动式反孤岛方案会因为稀释效 应而使其反孤岛性能降低。然而，在主动式反孤岛方案中，基于正反馈的主动频 移法（AFDPF)和滑模频率偏移法（SMS)在多台并网逆变器并联运行的条件 下仍然可以保持较小的不可检测区域。

26. 2.5. 1 部分逆变器使用被动式反孤岛方案并网光伏逆变器通常采用了基于单位功率因数的正弦波电流直接控制模式， 因此可将只采用被动式孤岛检测的并网逆变器等效为一个负电阻，即向电网输送有功而不是消耗有功。 2.5.3系统中同时使用主动顿移法（AFD)和基于正反馈的主动频移法 AFD法施加单方向的扰动，使系统向频率增加的方向移动而不考虑本地负 载的容感特性，而AFDPF法使断网后的系统频率既可向增加也可向减小的方向移动，主要取决于本地负载的特性，因此，多机系统中同时存在这两种方法时会 相互影响。 2. 5.2 系统中同时使用主动频移法（AFD)和滑膜频率偏移法（SMS) 设使用AFD方法的并网逆变器的频率偏移为A/，为本地负载提供了比例为KUPFpu的有功功率；而设使用SMS方法的并网逆变器的频率偏移为或人-/g (其中人是最大相位偏移1发生时的频率，/g为电网频率），为本地负载提供了 比例为的有功功率。

27. 2.5.4系统中两台并网逆变器均使用基于正反馈的主动频移法为分析起见，首先假设这两台并网逆变器之间具有产生稀释效应的可能。2.5.4系统中两台并网逆变器均使用基于正反馈的主动频移法为分析起见，首先假设这两台并网逆变器之间具有产生稀释效应的可能。 2.5.5系统中两台并网逆变器均使用滑模频率偏移法 综上分析，针对多并网逆变 器系统的孤岛检测问题分析，可 以得出以下结论： 1.当系统中同时使用主动式 和被动式孤岛检测方法时，被动 式孤岛检测方法的使用增大了不 可检测区域，增大了孤岛发生的 概率； 2.当系统中同时使用两种主 动式孤岛检测方法时，检测效果 介于这两种孤岛检测方法之间，并且随着使用较差的方法进行孤岛检测的逆变器 为本地负载提供的有功功率的比例的增大，不可检测区域也随之增大，导致孤岛 发生概率的增加； 3.当系统中仅使用AFDPF方法或SMS方法进行孤岛检测时，考虑进行频率 测量的传感器误差最严重的情形（幅值相同而极性相反时），对孤岛检测性 能影响较小。