第8章 孤島效應及反孤島策略

2023/2/5第八章孤島效應及反孤島策略2023/2/5最大功率點跟蹤技術1.為什么有最大功率點問題？光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，是一種非線性直流源。2.最大功率點追蹤有幾種方法？恒定電壓跟蹤法;圖7-3 光伏電池不同日照強度下的P-V特性曲線2023/2/5圖7-6 擾動觀測法誤判示例擾動觀測法（爬山法）;基于變步長的擾動觀測法1.最優(yōu)梯度法2.逐步逼近法2023/2/5基于功率預測的擾動觀測法2023/2/5導納增量法;2023/2/58.1孤島效應的基本問題8.2被動式反孤島策略8.3主動式反孤島策略第八章孤島效應及反孤島策略2023/2/58.1 孤島效應的基本問題

光伏逆變器過電流、過熱，電網過/欠電壓的故障情況與處理。

電網跳閘故障時，光伏系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)而退出供電網絡，形成并網發(fā)電系統(tǒng)和負載組成的孤島發(fā)電系統(tǒng)。2023/2/5

孤島效應發(fā)生后的不良影響：1.孤島效應使電壓及其頻率失去控制，對電網和用戶設備造成損壞。2.孤島系統(tǒng)被重新接入電網時，可能損壞孤島系統(tǒng)中分布式發(fā)電系統(tǒng)。3.孤島效應可能導致故障不能清除，對電網設備造成損壞。4.孤島效應可能會給相關人員帶來電擊的危險。2023/2/5圖8-2 光伏并網系統(tǒng)的功率流圖8-9一、孤島效應的發(fā)生機理設：逆變器向負載提供的有功功率為P，無功功率為Q；電網向負載提供的有功功率為ΔP，無功功率為ΔQ；負載需求的有功功率為Pload，無功功率為Qload。2023/2/5由能量守恒定律，公共連接點(PointofCommonCoupling,PCC)處的功率滿足:8-10PloadQload

P

P

Q

Q圖8-2 光伏并網系統(tǒng)的功率流圖2023/2/58-11通常由于當電網斷電時，會引起系統(tǒng)的電壓和頻率的較大變化，因而通過對系統(tǒng)電壓和頻率的檢測，可很容易的檢測到孤島效應。圖8-2 光伏并網系統(tǒng)的功率流圖2023/2/5而如果Pload=P、Qload=Q，當電網斷電時，PCC處電壓和頻率的變化很小，很難再通過對系統(tǒng)的電壓和頻率的檢測來判斷孤島的發(fā)生，逆變器繼續(xù)向負載供電，從而形成光伏系統(tǒng)和負載組成的孤島發(fā)電系統(tǒng)。圖8-2 光伏并網系統(tǒng)的功率流圖2023/2/5

孤島形成后，PCC處電壓瞬時值ua由負載歐姆定律確定，并受逆變器控制系統(tǒng)的監(jiān)控，逆變器將逐漸改變輸出電流iinv的頻率finv

，以保持iinv與ua

的同步，直至iinv與ua的相位差等于0，從而使得finv到達一個唯一的穩(wěn)態(tài)值，即負載的諧振頻率。圖8-2 光伏并網系統(tǒng)的功率流圖2023/2/5這是電網跳閘后RLC負載的無功功率需求只能通過逆變器提供（Qload=Q）的必然結果。這種因電網跳閘而形成的無功功率平衡關系可用相位平衡關系來描述其中：φload表示逆變器輸出電流超前于端電壓的相位角。θinv表示負載的阻抗角。2023/2/5? 孤島效應的兩個必要條件：有功功率匹配，無功功率匹配。2023/2/5二、孤島效應的可能性分析圖8-3 分布式發(fā)電功率匹配狀況示意圖8-162023/2/5功率匹配是針對一定的匹配誤差帶而言，孤島效應的發(fā)生則與功率匹配的持續(xù)時間有關。因此孤島效應的可能性可定義為：可能性=一年中功率匹配狀況可能發(fā)生的相關時段(s)

功率匹配的次數(shù)持續(xù)時間次/年2023/2/52023/2/5

通過對安裝有光伏并網系統(tǒng)的典型居民小區(qū)的孤島效應研究得出以下結論。8-192023/2/5可能會造成因供電電壓和頻率不穩(wěn)，造成用戶的用電設備和電網設備損壞影響配電系統(tǒng)上保護開關的動作程序，影響電網手動或自動恢復運行危害輸電線路維修人員及其他有關人員的安全三、孤島效應的危害2023/2/51)執(zhí)行成本高；2)需要光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網之間的協(xié)調；3)易誤檢測(誤跳閘)；4)存在有孤島效應而不能立即被檢測出的工作區(qū)域；5)降低電網供電質量以及電壓和頻率的穩(wěn)定性。針對孤島效應的危害已有反孤島策略，但存在局限性2023/2/58-22四、孤島檢測方法2023/2/5? 孤島保護標準2023/2/58.2被動式反孤島策略

被動式反孤島策略：在不正常的電壓、頻率、相位、諧波產生了的情況下，通過檢測得到孤島效應的發(fā)生。2023/2/51)電壓頻率檢測：并網逆變器檢測出PCC處的電壓幅值或頻率超出正常范圍時，通過控制指令停止逆變器并網運行。2)電壓諧波檢測：并網逆變器檢測出逆變器輸出端電壓諧波失真時，通過控制指令停止逆變器并網運行。3)相位偏移檢測：并網逆變器通過監(jiān)控逆變器端電壓與輸出電流之間的相位差來檢測孤島效應。4)復合電量檢測：并網逆變器同時監(jiān)控PCC處與逆變器輸出的關鍵電量信號來檢測孤島效應。孤島檢測包括：2023/2/5一、過/欠電壓反孤島策略

過/欠電壓反孤島策略是指當并網逆變器檢測出逆變器輸出的電網公共連接點PCC處的電壓幅值超出正常范圍（U1、U2）時，通過控制命令停止逆變器并網運行以實現(xiàn)反孤島的一種被動式方法。U1、U2為并網發(fā)電系統(tǒng)標準規(guī)定的電壓最小值和最大值。2023/2/5二、過/欠頻率反孤島策略

過/欠頻率反孤島策略是指當并網逆變器檢測出逆變器輸出的電網公共連接點PCC處的電壓頻率超出正常范圍（f1、f2）時，通過控制命令停止逆變器并網運行以實現(xiàn)反孤島的一種被動式方法。f1、f2為電網頻率正常范圍的上、下限值。我國標準電網頻率為50Hz，頻率上、下限為f1=49.4Hz，f2=50.4Hz。2023/2/5三、基于相位跳變的反孤島策略

相位跳變反孤島策略是通過監(jiān)控并網逆變器端電壓與輸出電流之間的相位差來檢測孤島效應的一種被動式反孤島策略。

為實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，正常情況下并網逆變器總是控制輸出電流與電網電壓同相，而跳閘后逆變器的端電壓將不再由電網控制，此時，逆變器的端電壓的相位將發(fā)生跳變。2023/2/5四、基于電壓諧波檢測的反孤島策略

電壓諧波檢測反孤島策略是通過監(jiān)控并網逆變器端電壓諧波失真來檢測孤島效應的一種被動式反孤島策略。

當電網連接時，電網可以看作是一個很大的電壓源，并網逆變器產生的諧波電流將流入低阻抗的電網，這些很小的諧波電流與低值的電網阻抗在并網逆變器輸出端處的電壓相應僅含有非常小的諧波。

當電網跳閘后，諧波增加，主要是三次諧波，因此，只要檢測三次諧波即可。2023/2/5被動檢測法的特點及適用場合

檢測方法特點適用場合電壓頻率檢測1.對電網無干擾,輸出電能質量無影響;2.有些電量不能直接測量而需要通過比較復雜算法計算,如電壓諧波,輸出有功等等;3.當負載和逆變器輸出功率匹配,存在較大的檢測盲區(qū);4.檢測時間長。1.應用于負載功率變動不大,且與逆變器的輸出不匹配的場合；2.一般需要和主動檢測方法結合起來運用。電壓諧波檢測相位偏移檢測關鍵電量變化率檢測2023/2/5被動式孤島檢測法總結2023/2/5

主動式反孤島策略的幾種方法8.3主動式反孤島策略1)主動頻率偏移：

并網逆變器向電網中注入略微有點變形的電流，以形成一個連續(xù)改變頻率的趨勢。斷網后，逆變器輸出端電壓的頻率被強迫向上或向下偏移，通過監(jiān)控端電壓頻率的變化檢測孤島的發(fā)生。

稀釋效應：當有多臺逆變器并網時，一些逆變器采用向上頻移，一些逆變器采用向下頻移，其綜合效果可能會抵消。2023/2/5

并網逆變器工作于單位功率因數(shù)時，逆變器的輸出端電壓與電流的相位差被控制為零，電網提供固定的相位和頻率參考使工作點穩(wěn)定于電網頻率。斷網后，逆變器的相位-頻率工作點將改變，通過監(jiān)控相位-頻率工作點的偏移檢測孤島的發(fā)生。2)主動相位偏移：

這種方法可以消除稀釋效應。2023/2/5

并網逆變器通過基于有功功率和無功功率的擾動來檢測孤島效應。3)功率擾動：

逆變器控制器將周期性改變逆變器輸出電流的幅值，亦即改變了逆變器輸出的有功功率，從而在電網斷電時打破逆變器輸出有功功率與負載消耗的有功功率平衡以影響公共節(jié)點的電壓，使其超出過/欠電壓保護閾值，從而檢測出孤島。2023/2/5主動檢測法的特點及適用場合2023/2/5主動檢測法的特點及適用場合2023/2/5主動式孤島檢測法總結2023/2/5習題1.簡述光伏并網系統(tǒng)孤島效應的發(fā)生機理。2.說明什么是被動式反孤島策略和主動式反孤島策略，并分析各自的特點。2023/2/5第九章 逆變器的并聯(lián)技術9.1概述9.2逆變器并聯(lián)運轉的系統(tǒng)架構及控制策略2023/2/5

單個逆變器的容量是有限的，當光伏發(fā)電系統(tǒng)總容量增加時，常采用逆變器并聯(lián)技術。在并網模式下,電源通過逆變器并聯(lián)在一起向電網注入電能。并網注入電流的質量受到高度的重視。并聯(lián)后要實現(xiàn)有功、無功負載功率甚至諧波負載功率的均分。9.1概述無輸出隔離變壓器結構的光伏并網逆變器不能自動抑制直流注入,直流注入可能引起電網中配電變壓器的飽和,導致電能質量變差,電力系統(tǒng)產生大的損耗和過熱。2023/2/5多模塊并聯(lián)有以下特點:1)多個電源模塊單元并聯(lián)分擔負載功率,各個模塊中主開關器件的電流應力小,從根本上保證了可靠性;2)每個模塊的容量較小,功率密度高,從而使整個電源體積、重量減小;3)多模塊并聯(lián)可以靈活擴充電源容量、易安裝、維護費用低;4)可以實現(xiàn)冗余并聯(lián)運行方式。2023/2/5并網時要解決2個問題：1.抑制直流注入2.各模塊承受的電流能自動均衡,實現(xiàn)均流。2023/2/5國際上對分布式發(fā)電系統(tǒng)制定了相應的并網標準。由于無輸出隔離變壓器結構的光伏并網逆變器不能自動抑制直流注入,直流注入可能引起電網中配電變壓器的飽和,導致電能質量變差,電力系統(tǒng)產生大的損耗和過熱。因而,國際上一些國家已經制定了抑制光伏并網逆變器注入電網直流分量的標準,如表1.1所示。一、抑制直流注入2023/2/52023/2/5抑制并網逆變器直流注入的控制方法，主要包括:采用電容隔斷直流注入方法；自身帶有直流抑制能力的電路拓撲；采用檢測電流的控制方法；采用檢測電壓的控制方法。應用自身帶有直流抑制能力的電路拓撲方法的原理是靠自身的拓補結構來阻斷并網逆變器注入電網直流分量的通路，不需要額外增加直流分量檢測電路。2023/2/5電容隔斷直流注入方法的原理是在逆變器輸出和電網之間串聯(lián)一個電容，用來隔斷注入電網的直流分量，如圖1.11所示。這種方法需要一個大的隔直電容，會增加成本和附加損耗。2023/2/5采用檢測電流控制方法的原理是利用電流傳感器來檢測流入電網中的直流分量,可是由于霍爾電流傳感器自身存在顯著的零漂特性使這種檢測方法的有效性受到了限制,為了解決霍爾電流傳感器的零漂問題,Armstrong提出了一種自動校正的逆變器，然而這種方法需要根據(jù)H橋的開關狀態(tài)來測量系統(tǒng)的零漂問題。2023/2/52023/2/5利用電壓傳感器檢測逆變器輸出電壓，再用差分放大器和低通濾波器檢測出輸出電壓中的直流分量，通過把直流分量反饋到控制器來抑制直流分量。2023/2/5二、逆變器并聯(lián)運行的原理與分析圖表示逆變器并聯(lián)結構等效電路模型其中U1和U2分別是兩個逆變器輸出SVPWM電壓波中所含的基波分量,U11,U22則分別是各自輸出端電壓,Uo是并聯(lián)結點電壓(即負載電壓;C1,C2,L1,L2分別代表兩個逆變器的輸出濾波電感,電容,濾波電感連接電阻及其內阻分別rLI和rL2表示,而和r1,r2表示并聯(lián)連接(導線)電阻,Zo公共負載。2023/2/5為了簡化分析忽略。rL1和rL2。r1和r2的影響。根據(jù)圖可列出以下電路基