孤島效應的基本問題

孤島效應的基本問題1.1孤島效應產生的原理圖2-1是比較經典的分布式發(fā)電系統(tǒng)結構圖，我們可以從這張圖著手研究不同形式的孤島效應。如圖所示，典型的分布式發(fā)電系統(tǒng)由變電站和一條主要輸電線路組成，可以看到有許多的發(fā)電裝置并網進入主輸電線路，一般大的分布式發(fā)電裝置直接連在主線路上如DG1和DG2（同步發(fā)電機或異步發(fā)電機），小型的類似于光伏發(fā)電裝置則連在變壓器的低壓側如DG3。當系統(tǒng)正常運行時，如果某處電路發(fā)生故障，C點開關因保護作用自動斷開后，DG1完全有可能單獨向負載供電形成孤島。而電力系統(tǒng)自動重合閘會在短時間內閉合C點開關恢復供電，重新將DG1并網。F點處熔斷器發(fā)生故障，同樣可能是DG3處形成一個孤島。圖2-1典型分布式發(fā)電系統(tǒng)當排除故障后，將孤島部分重新并網進入電力系統(tǒng)，由于頻率或電壓等波動或功率的不匹配都會導致一系列不確定情況從而毀壞電網設備。上面介紹的孤島效應都是電網發(fā)生故障時引起的，接下來將參照圖2-2，通過光伏并網發(fā)電系統(tǒng)具體研究孤島效應產生的具體原因。圖2-2光伏并網發(fā)電系統(tǒng)如圖2-2所示，光伏并網系統(tǒng)由光伏陣列和逆變器構成，經變壓器和斷路器K連接到電網中。電網無故障時，處于正常運行狀態(tài)，使用RLC并聯(lián)電路來充當負載電路，假設圖中的逆變器由正弦波進行控制并且功率因素為單位值1。我們假設：此系統(tǒng)中通過逆變器向負載供給的總功率為，P為有功功率，Q為無功功率，而負載電路所需要的功率為，電網向負載提供的功率為。不考慮線路損耗，理想情況下滿足能量守恒，則在公共點a處功率關系如下：（2-1）因為逆變器的功率因素為1，所以逆變器產生的無功功率為零即Q為零。所以RLC負載電路的無功功率全部由電網單方面提供，有功功率的關系則分為兩種，一種是當光伏發(fā)電系統(tǒng)通過逆變器產生的有功功率不足以提供負荷所需的有功功率時，其余有功功率由電網來提供，另一種情況是當負載所需的有功功率少于逆變器產生的有功功率時，剩余的有功功率則會反饋到電網中。有功功率不匹配在電網斷電后對節(jié)點a處電壓幅度的變化并網后的當?shù)刎撦d需要的有功功率都由光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器來供給，這種情況稱之為有功功率匹配，即，相反的就是有功功率不匹配。圖2-2中光伏并網系統(tǒng)提供的有功功率是：（2-2）其中是節(jié)點a處的電壓，是負載電路的等效電阻。電網斷開后，當?shù)刎撦d的所有有功功率都是由逆變器來供給，而節(jié)點a處的電壓隨著電網斷開后而變化則有下列式子（2-3）其中是電網跳閘后導致孤島效應產生時節(jié)點a處電壓，是公共耦合點a處電壓的變化量，R是負載電路中的實際電阻值。綜合上面式子（2-2）和（2-3）可以得出關于電阻R，節(jié)點a處電壓值以及電壓變化量的一個函數(shù)：（2-4）因此，圖2-2的分布式發(fā)電系統(tǒng)和負載電路之間的失配功率為：（2-5）將式子（2-4）代入式（2-5）中得出失配功率的表達式為:（2-6）由式（2-6）可知，時一定也不為零，也就是說在光伏并網系統(tǒng)與負載出現(xiàn)功有功功率不匹配現(xiàn)象時，公共耦合點a處的電壓一定會因為主電網的斷電而發(fā)生變化。無功功率不匹配在電網斷電后對節(jié)點a處頻率的改變和有功功率的相匹配概念類似，無功功率匹配則是指系統(tǒng)中負載所需要的無功功率都是由逆變器來供給，即。與之相反，如果則系統(tǒng)就屬于無功功率失配態(tài)勢，而且光伏并網系統(tǒng)中的越大的話，無功功率的失配程度就越嚴重。同樣假設和上文中提到的條件一樣，逆變器的功率因素為單位1，這時。如果光伏并網系統(tǒng)與當?shù)刎撦d發(fā)生無功功率失去匹配，，系統(tǒng)正常并網運行時負載所需要的無功功率都是由電網單方面供給，則有：（2-7）式（2-7）中的是節(jié)點a處電壓的角頻率，也是并網后整個電網電壓的角頻率；則是圖2-2所示RLC負載電路中的諧波角頻率，取決于電路中的L和C的值，因為無功功率失配狀態(tài)下，所以。當系統(tǒng)中發(fā)電裝置與電網斷開后，無功匹配會慢慢形成即負載所需的無功功率將轉而由逆變器來供給，則有：（2-8）上式表明光伏發(fā)電系統(tǒng)正常并網運行時，處于無功功率失配狀態(tài)，在電網斷開后，節(jié)點a處的電壓角頻率會向靠近，直到兩個頻率相同時，使得，從而完成系統(tǒng)的無功功率匹配。孤島效應的產生條件綜上所述，分布式發(fā)電裝置并網后正常運行時整個系統(tǒng)與負載的有功功率和無功功率都處于失配狀態(tài)，當電網斷開，并網結束后，由于光伏發(fā)電裝置要單獨向負載供電，導致節(jié)點處的電壓幅度和頻率都會開始發(fā)生變化。功率的失配程度越高則對應的電壓特征量變化也越大。如果，有功功率和無功功率的失配程度特別低甚至達到完全匹配狀態(tài)，那么電壓跳閘后節(jié)點a處的電壓幅度和頻率并不會有太大的變化，這會使得一些保護裝置感應不到，從而導致逆變器繼續(xù)單獨向負載供電，這就是孤島效應產生的根本原因。從而可以看出，如果分布式發(fā)電系統(tǒng)依靠電壓特征量的變化值有沒有達到提前設定的臨界值為判斷孤島產生的依據時，那么孤島產生的充分必要條件是：分布式發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器所產生的有功功率與負載電路所需的有功功率匹配一致；分布式發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器所產生的無功功率與負載電路所需的無功功率匹配一致[5]。1.2孤島效應的檢測方法鑒于孤島效應對電網設備和人員有著很大的危害，所以分布式發(fā)電系統(tǒng)一定要具備迅速及時檢測到孤島效應的能力，并采取有效措施降低其危害。隨著分布式發(fā)電技術的逐漸成熟，孤島檢測技術也有了很大的進展。國內外的專家們提出了多種多樣的孤島監(jiān)測方法，這些檢測技術大體上可以分成兩類：外部孤島檢測技術和本地孤島檢測技術，其中本地孤島檢測技術又包括主動法和被動法兩類。如圖2-3所示。圖2-3孤島檢測技術方法分類外部檢測技術主要是基于通信的孤島監(jiān)測方法，它基于分布式發(fā)電系統(tǒng)和電網之間的通訊聯(lián)系，通過無線電通訊來比較分布式發(fā)電系統(tǒng)和電網兩端的狀態(tài)是否一致來檢測孤島效應是否產生。主要的技術方法有連鎖跳閘法，電力線載波技術實現(xiàn)通信等。這類外部檢測孤島的方法又叫做遠程檢測法，主要靠建立電網與分布式發(fā)電系統(tǒng)的通訊聯(lián)系，及時監(jiān)控電網的運轉狀況，這種技術有著較高的可靠性，檢測盲區(qū)也比較少，適用于各種分布式發(fā)電系統(tǒng)，但是由于要在外部構建通訊線路，造價較大而且不方便，所以一般用得比較少。本地孤島檢測又分為兩類，一種是被動式孤島監(jiān)測方案，另一種是主動式孤島監(jiān)測方案。被動式方案是依靠檢測分布式發(fā)電系統(tǒng)的電壓，頻率等系統(tǒng)參數(shù)來作為判斷依據的，如果這些測量數(shù)值超過正常范圍則表示發(fā)生了孤島效應。被動法有過/欠壓法、過/欠頻法。頻率變化率法。ROCOF法、電壓諧波檢測法等。主動式方案則是向分布式發(fā)電系統(tǒng)中注入干擾信號，并網系統(tǒng)中的各類參數(shù)隨擾動信號而發(fā)生變化，將變化后的電壓，頻率這些參數(shù)與參考值相比從而檢測處主電網是否跳閘，判斷孤島存在與否，一般來說系統(tǒng)正常運行時各參數(shù)變化不大但是孤島發(fā)生后參數(shù)變化會超出正常范圍從而確定孤島的存在。主動孤島測試法有輸出功率擾動法，阻抗檢測法，Sandia電壓偏移法等。由于被動孤島檢測技術有一定的缺陷，如檢測盲區(qū)大，檢測周期過長等，而主動式檢測需要注入一定的擾動信號也會對電能產生影響，所以一般采用主被動相結合的孤島檢測技術，來互相取長補短。本文中主要研究的孤島檢測方法都是適用于并網逆變器的孤島檢測方案。1.3孤島檢測技術的性能評估前文中有提到過檢測盲區(qū)，其實在實際的孤島檢測方案中幾乎都會存在監(jiān)控不成功的狀況。這是因為孤島監(jiān)測中存在檢測盲區(qū)又叫不可檢測區(qū)域（Non-detectionzone，NDZ）。對于NDZ可以由失配功率和負載電路進行量化的描繪，所以NDZ能夠作為一個孤島監(jiān)測方法是否有效可行的重要性能標準。通常被動式孤島檢測采用功率失配坐標系所描述的檢測盲區(qū)來評估。系統(tǒng)中的失配功率的數(shù)值可以由電網向負載所供的和表示，但是由這一坐標系只能得出系統(tǒng)中在電網斷閘前后的功率改變狀況，無法真正對NDZ進行定量分析。而另一種基于負載的使用諧振電感L和諧振電容C描述的坐標系也由于負載電路中電阻R的各異而產生不同的NDZ，所以沒法較好描述出負載電路R對于盲區(qū)的各種影響。所以有人提出了使用負載品質因素和諧振頻率描述的坐標系來評估孤島檢測方案的可行性，這一方案可以在最糟糕狀況下對負載進行分析，并清晰的反映出