孤島效應(yīng)的基本問題

孤島效應(yīng)的基本問題1.1孤島效應(yīng)產(chǎn)生的原理圖2-1是比較經(jīng)典的分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，我們可以從這張圖著手研究不同形式的孤島效應(yīng)。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(wǎng)進(jìn)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(jī)或異步發(fā)電機(jī)），小型的類似于光伏發(fā)電裝置則連在變壓器的低壓側(cè)如DG3。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，如果某處電路發(fā)生故障，C點(diǎn)開關(guān)因保護(hù)作用自動(dòng)斷開后，DG1完全有可能單獨(dú)向負(fù)載供電形成孤島。而電力系統(tǒng)自動(dòng)重合閘會(huì)在短時(shí)間內(nèi)閉合C點(diǎn)開關(guān)恢復(fù)供電，重新將DG1并網(wǎng)。F點(diǎn)處熔斷器發(fā)生故障，同樣可能是DG3處形成一個(gè)孤島。圖2-1典型分布式發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)排除故障后，將孤島部分重新并網(wǎng)進(jìn)入電力系統(tǒng)，由于頻率或電壓等波動(dòng)或功率的不匹配都會(huì)導(dǎo)致一系列不確定情況從而毀壞電網(wǎng)設(shè)備。上面介紹的孤島效應(yīng)都是電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)引起的，接下來將參照圖2-2，通過光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具體研究孤島效應(yīng)產(chǎn)生的具體原因。圖2-2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖2-2所示，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由光伏陣列和逆變器構(gòu)成，經(jīng)變壓器和斷路器K連接到電網(wǎng)中。電網(wǎng)無故障時(shí)，處于正常運(yùn)行狀態(tài)，使用RLC并聯(lián)電路來充當(dāng)負(fù)載電路，假設(shè)圖中的逆變器由正弦波進(jìn)行控制并且功率因素為單位值1。我們假設(shè)：此系統(tǒng)中通過逆變器向負(fù)載供給的總功率為，P為有功功率，Q為無功功率，而負(fù)載電路所需要的功率為，電網(wǎng)向負(fù)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(diǎn)a處功率關(guān)系如下：（2-1）因?yàn)槟孀兤鞯墓β室蛩貫?，所以逆變器產(chǎn)生的無功功率為零即Q為零。所以RLC負(fù)載電路的無功功率全部由電網(wǎng)單方面提供，有功功率的關(guān)系則分為兩種，一種是當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)通過逆變器產(chǎn)生的有功功率不足以提供負(fù)荷所需的有功功率時(shí)，其余有功功率由電網(wǎng)來提供，另一種情況是當(dāng)負(fù)載所需的有功功率少于逆變器產(chǎn)生的有功功率時(shí)，剩余的有功功率則會(huì)反饋到電網(wǎng)中。有功功率不匹配在電網(wǎng)斷電后對節(jié)點(diǎn)a處電壓幅度的變化并網(wǎng)后的當(dāng)?shù)刎?fù)載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(wǎng)系統(tǒng)提供的有功功率是：（2-2）其中是節(jié)點(diǎn)a處的電壓，是負(fù)載電路的等效電阻。電網(wǎng)斷開后，當(dāng)?shù)刎?fù)載的所有有功功率都是由逆變器來供給，而節(jié)點(diǎn)a處的電壓隨著電網(wǎng)斷開后而變化則有下列式子（2-3）其中是電網(wǎng)跳閘后導(dǎo)致孤島效應(yīng)產(chǎn)生時(shí)節(jié)點(diǎn)a處電壓，是公共耦合點(diǎn)a處電壓的變化量，R是負(fù)載電路中的實(shí)際電阻值。綜合上面式子（2-2）和（2-3）可以得出關(guān)于電阻R，節(jié)點(diǎn)a處電壓值以及電壓變化量的一個(gè)函數(shù)：（2-4）因此，圖2-2的分布式發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)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(dá)式為:（2-6）由式（2-6）可知，時(shí)一定也不為零，也就是說在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與負(fù)載出現(xiàn)功有功功率不匹配現(xiàn)象時(shí)，公共耦合點(diǎn)a處的電壓一定會(huì)因?yàn)橹麟娋W(wǎng)的斷電而發(fā)生變化。無功功率不匹配在電網(wǎng)斷電后對節(jié)點(diǎn)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(fù)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(wǎng)系統(tǒng)中的越大的話，無功功率的失配程度就越嚴(yán)重。同樣假設(shè)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(shí)。如果光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與當(dāng)?shù)刎?fù)載發(fā)生無功功率失去匹配，，系統(tǒng)正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)載所需要的無功功率都是由電網(wǎng)單方面供給，則有：（2-7）式（2-7）中的是節(jié)點(diǎn)a處電壓的角頻率，也是并網(wǎng)后整個(gè)電網(wǎng)電壓的角頻率；則是圖2-2所示RLC負(fù)載電路中的諧波角頻率，取決于電路中的L和C的值，因?yàn)闊o功功率失配狀態(tài)下，所以。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)電裝置與電網(wǎng)斷開后，無功匹配會(huì)慢慢形成即負(fù)載所需的無功功率將轉(zhuǎn)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(wǎng)運(yùn)行時(shí)，處于無功功率失配狀態(tài)，在電網(wǎng)斷開后，節(jié)點(diǎn)a處的電壓角頻率會(huì)向靠近，直到兩個(gè)頻率相同時(shí)，使得，從而完成系統(tǒng)的無功功率匹配。孤島效應(yīng)的產(chǎn)生條件綜上所述，分布式發(fā)電裝置并網(wǎng)后正常運(yùn)行時(shí)整個(gè)系統(tǒng)與負(fù)載的有功功率和無功功率都處于失配狀態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)斷開，并網(wǎng)結(jié)束后，由于光伏發(fā)電裝置要單獨(dú)向負(fù)載供電，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處的電壓幅度和頻率都會(huì)開始發(fā)生變化。功率的失配程度越高則對應(yīng)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(dá)到完全匹配狀態(tài)，那么電壓跳閘后節(jié)點(diǎn)a處的電壓幅度和頻率并不會(huì)有太大的變化，這會(huì)使得一些保護(hù)裝置感應(yīng)不到，從而導(dǎo)致逆變器繼續(xù)單獨(dú)向負(fù)載供電，這就是孤島效應(yīng)產(chǎn)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(dá)到提前設(shè)定的臨界值為判斷孤島產(chǎn)生的依據(jù)時(shí)，那么孤島產(chǎn)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(chǎn)生的有功功率與負(fù)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(chǎn)生的無功功率與負(fù)載電路所需的無功功率匹配一致[5]。1.2孤島效應(yīng)的檢測方法鑒于孤島效應(yīng)對電網(wǎng)設(shè)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(shí)檢測到孤島效應(yīng)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(shù)的逐漸成熟，孤島檢測技術(shù)也有了很大的進(jìn)展。國內(nèi)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(shù)大體上可以分成兩類：外部孤島檢測技術(shù)和本地孤島檢測技術(shù)，其中本地孤島檢測技術(shù)又包括主動(dòng)法和被動(dòng)法兩類。如圖2-3所示。圖2-3孤島檢測技術(shù)方法分類外部檢測技術(shù)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(wǎng)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(wǎng)兩端的狀態(tài)是否一致來檢測孤島效應(yīng)是否產(chǎn)生。主要的技術(shù)方法有連鎖跳閘法，電力線載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信等。這類外部檢測孤島的方法又叫做遠(yuǎn)程檢測法，主要靠建立電網(wǎng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)的通訊聯(lián)系，及時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，這種技術(shù)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(gòu)建通訊線路，造價(jià)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(dòng)式孤島監(jiān)測方案，另一種是主動(dòng)式孤島監(jiān)測方案。被動(dòng)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(jù)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(yīng)。被動(dòng)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(dòng)式方案則是向分布式發(fā)電系統(tǒng)中注入干擾信號(hào)，并網(wǎng)系統(tǒng)中的各類參數(shù)隨擾動(dòng)信號(hào)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(wǎng)是否跳閘，判斷孤島存在與否，一般來說系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)各參數(shù)變化不大但是孤島發(fā)生后參數(shù)變化會(huì)超出正常范圍從而確定孤島的存在。主動(dòng)孤島測試法有輸出功率擾動(dòng)法，阻抗檢測法，Sandia電壓偏移法等。由于被動(dòng)孤島檢測技術(shù)有一定的缺陷，如檢測盲區(qū)大，檢測周期過長等，而主動(dòng)式檢測需要注入一定的擾動(dòng)信號(hào)也會(huì)對電能產(chǎn)生影響，所以一般采用主被動(dòng)相結(jié)合的孤島檢測技術(shù)，來互相取長補(bǔ)短。本文中主要研究的孤島檢測方法都是適用于并網(wǎng)逆變器的孤島檢測方案。1.3孤島檢測技術(shù)的性能評估前文中有提到過檢測盲區(qū)，其實(shí)在實(shí)際的孤島檢測方案中幾乎都會(huì)存在監(jiān)控不成功的狀況。這是因?yàn)楣聧u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(fù)載電路進(jìn)行量化的描繪，所以NDZ能夠作為一個(gè)孤島監(jiān)測方法是否有效可行的重要性能標(biāo)準(zhǔn)。通常被動(dòng)式孤島檢測采用功率失配坐標(biāo)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(wǎng)向負(fù)載所供的和表示，但是由這一坐標(biāo)系只能得出系統(tǒng)中在電網(wǎng)斷閘前后的功率改變狀況，無法真正對NDZ進(jìn)行定量分析。而另一種基于負(fù)載的使用諧振電感L和諧振電容C描述的坐標(biāo)系也由于負(fù)載電路中電阻R的各異而產(chǎn)生不同的NDZ，所以沒法較好描述出負(fù)載電路R對于盲區(qū)的各種影響。所以有人提出了使用負(fù)載品質(zhì)因素和諧振頻率描述的坐標(biāo)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(fù)載進(jìn)行分析，并清晰的反映出