低電壓穿越以及孤島效應(yīng)

1、光伏發(fā)電系統(tǒng)中的低電壓穿越以及孤島效應(yīng)簡(jiǎn)述匯報(bào)人：邵康日 期：2017.12.15 電壓跌落電壓跌落電壓跌落，是指電力系統(tǒng)中電壓有效值出現(xiàn)下降并持續(xù)一段時(shí)間的一種現(xiàn)象。目前，世界范圍內(nèi)還沒(méi)有形成對(duì)電壓跌落的一致定義，各種定義的分歧主要存在于電壓有效值跌落的深度以及電壓有效值跌落的持續(xù)時(shí)間上。國(guó)際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)將電壓跌落定義為：電力系統(tǒng)中電壓有效值迅速下降到額定值的1090，持續(xù)時(shí)間為10毫秒至幾秒鐘；國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)將電壓跌落定義為：電力系統(tǒng)中電壓有效值迅速下降到額定值的190，持續(xù)時(shí)間為10毫秒至1分鐘。電網(wǎng)故障大電機(jī)啟動(dòng)電機(jī)再加速低電壓穿越的概念和必要性 低電壓穿

2、越低電壓穿越(Low voltage ride through)，最早出現(xiàn)于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，其規(guī)定當(dāng)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備與電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)處的電壓因?yàn)殡娋W(wǎng)故障而發(fā)生跌落時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備需要繼續(xù)保持與電網(wǎng)的連接，此外還需要向電網(wǎng)輸送一定量的無(wú)功(具體的無(wú)功發(fā)出量由公共連接點(diǎn)處電壓的跌落深度決定)，從而對(duì)電網(wǎng)電壓起到支撐的作用。近些年來(lái)，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)突飛猛進(jìn)，大型光伏電站建設(shè)規(guī)模與日俱增，低電壓穿越規(guī)則的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展，很多國(guó)家都提出了適用于本國(guó)電力系統(tǒng)的大型光伏電站的低電壓穿越規(guī)則 。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中低電壓穿越(Low Voltage Ridethrough，LVRT)技術(shù)，指在光伏

3、陣列并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，光伏陣列能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間(區(qū)域)。 光伏并網(wǎng)變流器實(shí)施被動(dòng)式自我保護(hù)而立即解列，并不考慮故障的持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度，這樣能最大限度的保障并網(wǎng)變流器的安全，在光伏發(fā)電的電網(wǎng)穿透率較低時(shí)是可以接受的。然而，當(dāng)光伏發(fā)電在電網(wǎng)中占有較大比重時(shí)，若并網(wǎng)變流器在電網(wǎng)故障時(shí)仍采取被動(dòng)保護(hù)式解列，則會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至可能加劇故障，最終導(dǎo)致系統(tǒng)中其它光伏并網(wǎng)機(jī)組全部解列，甚至可能導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。風(fēng)電脫網(wǎng)事故三相短路引起，故障導(dǎo)致系統(tǒng)電壓大幅跌落，750 kV敦煌變330 kV母線電壓最低跌至2

4、67 kV(0735 pu)，其中低于08pu持續(xù)時(shí)間20 ms，在此期間因機(jī)組不具備LVRT而脫網(wǎng)274臺(tái)，共損失出力37713 MW。224事故風(fēng)機(jī)集中脫網(wǎng)嚴(yán)重影響了電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，造成短時(shí)間內(nèi)局部電網(wǎng)指標(biāo)大幅波動(dòng)，直接威脅到電網(wǎng)整體安全穩(wěn)定運(yùn)行。類似酒泉 “425”事件起因是由于電網(wǎng)故障造成330 kV變電站部分失壓，直接影響風(fēng)機(jī)533臺(tái)，甩出力479MW，但由于風(fēng)電自身繼電保護(hù)、變流器故障、無(wú)功補(bǔ)償和高電壓穿越等問(wèn)題造成風(fēng)機(jī)擴(kuò)大停運(yùn)745臺(tái)，加重甩出力10562 MW，導(dǎo)致西北電網(wǎng)頻率最低至49765 Hz，遠(yuǎn)較直接原因嚴(yán)重。425事故2011年，酒泉各風(fēng)電場(chǎng)共發(fā)生電氣設(shè)備故障3

5、5起，其中電纜頭故障造成集電線路跳閘21次，保護(hù)插件故障造成設(shè)備跳閘或斷路器拒動(dòng)5次，其他故障9次。特別是連續(xù)發(fā)生大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故四起，“224”、“43”、“417”、“425”事故 ，分別導(dǎo)致598、400、702和1278臺(tái)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)逐年提高，大型光伏電站建設(shè)規(guī)模也逐年擴(kuò)大，為了確保我國(guó)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，制定了適用于我國(guó)的大型光伏電站低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)一一光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)GBT199642012技術(shù)規(guī)定。 左圖所示為并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)跌落時(shí)，低電壓穿越對(duì)光伏電站無(wú)功發(fā)出量的要求。如圖所示，在電網(wǎng)故障時(shí)，為了支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，光伏電站需要發(fā)出一定

6、量的無(wú)功，無(wú)功發(fā)出量與并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落深度直接相關(guān)。30ms美國(guó)加拿大德國(guó)丹麥各國(guó)低電壓穿越的標(biāo)準(zhǔn)基本電壓跌落檢測(cè)方法有效值計(jì)算法峰值算法離散傅里葉算法計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)電壓的幅值就是計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)電壓的峰值。 電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落后，為了實(shí)現(xiàn)光伏電站的低電壓穿越，需要對(duì)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓跌落深度進(jìn)行快速準(zhǔn)確地檢測(cè)，這是幾種基本的電壓跌落檢測(cè)方法。 N是每個(gè)電壓有效值計(jì)算時(shí)間段內(nèi)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，電壓有效值計(jì)算時(shí)間段為電壓半周期的整數(shù)倍。j表示電壓有效值計(jì)算時(shí)間段是可以移動(dòng)的，即可以以任何時(shí)刻作為電壓有效值計(jì)算的起始時(shí)刻。Vi是電壓有效值計(jì)算時(shí)間段內(nèi)的第f個(gè)采樣電壓值。值得一提的是，在電壓

7、有效值計(jì)算時(shí)間段為確定值時(shí)，N越大，得到的并網(wǎng)點(diǎn)電壓有效值越精確。V（t）為實(shí)時(shí)采樣的電壓值，t為采樣時(shí)段且為半個(gè)基波周期的整倍， 代表采樣時(shí)段內(nèi)的采樣時(shí)刻。電壓幅值等于采樣時(shí)段內(nèi)采樣電壓的最大值。該方法可以在半個(gè)電壓周期內(nèi)計(jì)算出電壓幅值 。平方運(yùn)算，然后相加，得到最后，將所得結(jié)果進(jìn)行開(kāi)方運(yùn)算后即可得到電壓幅值。該方法需要四分之一電壓周期的延時(shí)來(lái)獲得電壓幅值，同時(shí)計(jì)算步驟較多(包含平方與開(kāi)方運(yùn)算)，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)畸變時(shí)，畸變將被計(jì)算步驟放大，嚴(yán)重影響并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值的計(jì)算精確度。電壓信號(hào)可以用離散傅里葉原理表示為：n為1時(shí)可得基波參數(shù)為：低電壓穿越基于儲(chǔ)能設(shè)備的方法 基于無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的方法 基

8、于無(wú)功電流電壓支撐的控制策略 基于儲(chǔ)能設(shè)備的方法是通過(guò)增加硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)LVRT的，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如左圖所示，儲(chǔ)能設(shè)備選用超級(jí)電容器。實(shí)現(xiàn)LVRT的原理是：正常情況下，電網(wǎng)給電容充電；當(dāng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，電容反過(guò)來(lái)放電給并網(wǎng)點(diǎn)提供能量，支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，保證逆變器繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行。通過(guò)采取這種方法，并網(wǎng)逆變器輸出的電能質(zhì)量將得到明顯改善?；跓o(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的方法也是通過(guò)增加硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)LVRT的。光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓受多種因素影響易發(fā)生波動(dòng)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)瞬間跌落的情況時(shí)，光伏電站自身不具備瞬時(shí)電壓支撐的能力，接入無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備能使得并網(wǎng)逆變器輸出電壓基本恒定，可以抑制并網(wǎng)點(diǎn)處母線電壓波動(dòng)，顯著提高光伏電站各母線

9、電壓，提升光伏電站低電壓穿越能力。無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備可以是靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)，也可以是動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器(SVG)，兩者相比較，SVC的動(dòng)態(tài)性能雖不如SVG，但仍能滿足運(yùn)行要求。在電網(wǎng)電壓發(fā)生瞬間平衡跌落時(shí)，由于并網(wǎng)逆變器所能承受的過(guò)電流能力為11 pu，在不超過(guò)并網(wǎng)運(yùn)行最大電流范圍前提下，為確保向電網(wǎng)最大程度上的注入有功功率以提供負(fù)載運(yùn)行條件，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度的不同，逆變系統(tǒng)將會(huì)對(duì)有功、無(wú)功功率分進(jìn)重新行配。最終，通過(guò)向電網(wǎng)輸送一定的無(wú)功功率，以達(dá)到支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)的目的。孤島效應(yīng)近年來(lái)，隨著新能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，以光伏電站為代表的新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模與并網(wǎng)規(guī)模都與日俱增，這是對(duì)

10、電力系統(tǒng)的有補(bǔ)充，但是也對(duì)電力系統(tǒng)提出了新的要求，孤島檢測(cè)就是其中一個(gè)很重要的方面。孤島(孤島效應(yīng))，是指因?yàn)榇箅娋W(wǎng)發(fā)生故障或停電檢修時(shí)，如左下圖所示的光伏電站與大電網(wǎng)斷開(kāi)連接，即斷路器跳開(kāi)，但光伏電站沒(méi)有檢測(cè)出自身已經(jīng)與大電網(wǎng)斷開(kāi)了連接而停止發(fā)電，從而形成了一個(gè)由光伏電站向附近負(fù)載供電的“孤島” 。計(jì)劃孤島是指充分考慮光伏電站與所連接的大電網(wǎng)的后，事先確定光伏電站與大電網(wǎng)斷開(kāi)連接的具體置與斷開(kāi)連接的持續(xù)時(shí)間。計(jì)劃孤島對(duì)于光伏電站來(lái)講，可以保證光伏電站對(duì)太陽(yáng)能等能源的利用率，同時(shí)保證光伏電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行與工作人員的安全：計(jì)劃孤島對(duì)于大電網(wǎng)來(lái)講，可以確保大電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保證大電網(wǎng)的電能質(zhì)量處

11、于一個(gè)較高的水平。非計(jì)劃孤島是指光伏電站并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，因?yàn)樽匀灰蛩亍⑷藶橐蛩鼗蛟O(shè)備因素導(dǎo)致故障的發(fā)生，從而引起光伏電站與大電網(wǎng)間的斷路器跳開(kāi)，光伏電站失去與大電網(wǎng)的連接，獨(dú)立向附近負(fù)載供電。光伏電站與大電網(wǎng)斷開(kāi)連接的具體位置不是事先確定的，具有非計(jì)劃性與隨機(jī)性。(a)自然原因，譬如雷電與大風(fēng)等極端天氣條件，有可能會(huì)導(dǎo)致光伏電站非計(jì)劃孤島的發(fā)生。 (b)人為原因，譬如工作人員的不規(guī)范操作，有可能會(huì)導(dǎo)致非計(jì)劃孤島的發(fā)生。(c)設(shè)備原因，大電網(wǎng)中的設(shè)備出現(xiàn)故障也會(huì)導(dǎo)致非計(jì)劃孤島的發(fā)生。(d)當(dāng)大電網(wǎng)中出現(xiàn)故障，光伏電站與大電網(wǎng)間的斷路器跳開(kāi)，光伏電站并未檢測(cè)到該斷路器的跳開(kāi)，也是非計(jì)劃孤島發(fā)生的一個(gè)原

12、因。 光伏電站計(jì)劃孤島的發(fā)生原因是根據(jù)需要有計(jì)劃地?cái)嚅_(kāi)光伏電站與大電網(wǎng)的連接，而光伏電站非計(jì)劃孤島發(fā)生的原因可以歸納為以下幾點(diǎn)：非計(jì)劃孤島的發(fā)生會(huì)產(chǎn)生一系列危害：(a)嚴(yán)重影響電能質(zhì)量，當(dāng)光伏電站失去與大電網(wǎng)的連接后，并網(wǎng)鎖相環(huán)將失去作用，即無(wú)法控制光伏電站所輸出電能的頻率與電壓幅值，這可能會(huì)對(duì)輸電線路與用電負(fù)載造成損害。(b)危害工作人員的安全。當(dāng)非計(jì)劃孤島發(fā)生后，光伏電站與大電網(wǎng)間的斷路器跳開(kāi)，理論上不應(yīng)帶電的輸電線路將會(huì)帶電，這對(duì)工作人員的安全構(gòu)成威脅。(c)恢復(fù)并網(wǎng)時(shí)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生危害。當(dāng)非計(jì)劃孤島發(fā)生后，光伏電站與大電網(wǎng)間的連接斷開(kāi)，之后由于鎖相環(huán)失去作用，光伏電站與大電網(wǎng)的運(yùn)行頻率與相

13、角都會(huì)出現(xiàn)偏差，恢復(fù)并網(wǎng)后會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊電流，可能對(duì)光伏電站組件和光伏電站附近的負(fù)載造成損害。(d)重合閘的失效。因?yàn)楣收显蚬夥娬九c大電網(wǎng)間的斷路器跳開(kāi)后，光伏電站與大電網(wǎng)會(huì)失去同步，自動(dòng)重合閘操作會(huì)失效。孤島效應(yīng)原因及危害孤島檢測(cè)的原理左圖可以作為光伏電站孤島檢測(cè)的原理示意圖，光伏電站與電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，由光伏電站與電網(wǎng)共同向負(fù)載供電。當(dāng)斷路器跳開(kāi)，光伏電站處于孤島狀態(tài)，單獨(dú)向負(fù)載供電。孤島檢測(cè)的原理是檢測(cè)PCC點(diǎn)的各電氣量是否超越其正常范圍。如果電氣量超過(guò)了正常范圍，則判定孤島發(fā)生。用于光伏電站孤島檢測(cè)的常用電氣量為并網(wǎng)點(diǎn)(PCC點(diǎn))電壓幅值與頻率。 正常運(yùn)行：孤島運(yùn)行：典型孤島檢測(cè)方法典型孤島檢測(cè)方法遠(yuǎn)程孤島檢測(cè)本地孤島檢測(cè)傳輸斷路器跳閘信號(hào)法電力線路載波通信法阻抗插入法被動(dòng)孤島檢測(cè)主動(dòng)孤島檢測(cè)過(guò)欠電壓孤島檢測(cè)法過(guò)欠頻率孤島檢測(cè)法諧波孤島檢測(cè)法電壓相角突變孤島檢測(cè)法其他被動(dòng)孤島檢測(cè)法（電壓不平衡度、幅值變化率等）阻抗測(cè)量法有源頻率偏移法帶有正反饋的有源頻率偏移法滑模頻率偏移法輸出功率擾動(dòng)法光伏電站孤島檢測(cè)的方法很多，其中一部分方法存在無(wú)法檢測(cè)光伏電站的孤島狀態(tài)的情況，即存在盲區(qū)。低電壓與孤島檢測(cè)近年來(lái)，隨著