孤岛效应的基本问题

1、孤岛效应的基本问题1.1 孤岛效应产生的原理图2-1是比较经典的分布式发电系统结构图，我们可以从这张图着手研究不同形式的孤岛效应。如图所示，典型的分布式发电系统由变电站和一条主要输电线路组成，可以看到有许多的发电装置并网进入主输电线路，一般大的分布式发电装置直接连在主线路上如DG1和DG2（同步发电机或异步发电机），小型的类似于光伏发电装置则连在变压器的低压侧如DG3。当系统正常运行时，如果某处电路发生故障，C点开关因保护作用自动断开后，DG1完全有可能单独向负载供电形成孤岛。而电力系统自动重合闸会在短时间内闭合C点开关恢复供电，重新将DG1并网。F点处熔断器发生故障，同样可能是DG3处形成一个孤岛。图2-1典型分布式发电系统当排除故障后，将孤岛部分重新并网进入电力系统，由于频率或电压等波动或功率的不匹配都会导致一系列不确定情况从而毁坏电网设备。上面介绍的孤岛效应都是电网发生故障时引起的，接下来将参照图2-2，通过光伏并网发电系统具体研究孤岛效应产生的具体原因。图2-2 光伏并网发电系统如图2-2所示，光伏并网系统由光伏阵列和逆变器构成，经变压器和断路器K连接到电网中。电网无故障时，处

2、于正常运行状态，使用RLC并联电路来充当负载电路，假设图中的逆变器由正弦波进行控制并且功率因素为单位值1。我们假设：此系统中通过逆变器向负载供给的总功率为，P为有功功率，Q为无功功率，而负载电路所需要的功率为，电网向负载提供的功率为。不考虑线路损耗，理想情况下满足能量守恒，则在公共点a处功率关系如下： （2-1）因为逆变器的功率因素为1，所以逆变器产生的无功功率为零即Q为零。所以RLC负载电路的无功功率全部由电网单方面提供，有功功率的关系则分为两种，一种是当光伏发电系统通过逆变器产生的有功功率不足以提供负荷所需的有功功率时，其余有功功率由电网来提供，另一种情况是当负载所需的有功功率少于逆变器产生的有功功率时，剩余的有功功率则会反馈到电网中。（1） 有功功率不匹配在电网断电后对节点a处电压幅度的变化并网后的当地负载需要的有功功率都由光伏发电系统中的逆变器来供给，这种情况称之为有功功率匹配，即，相反的就是有功功率不匹配。图2-2中光伏并网系统提供的有功功率是： （2-2） 其中 是节点a处的电压，是负载电路的等效电阻。电网断开后，当地负载的所有有功功率都是由逆变器来供给，而节点a处的电压随

3、着电网断开后而变化则有下列式子 （2-3）其中 是电网跳闸后导致孤岛效应产生时节点a处电压，是公共耦合点a处电压的变化量，R是负载电路中的实际电阻值。综合上面式子（2-2）和（2-3）可以得出关于电阻R，节点a处电压值以及电压变化量的一个函数： （2-4）因此，图2-2的分布式发电系统和负载电路之间的失配功率为： （2-5）将式子（2-4）代入式（2-5）中得出失配功率的表达式为: （2-6） 由式（2-6）可知，时一定也不为零，也就是说在光伏并网系统与负载出现功有功功率不匹配现象时，公共耦合点a处的电压一定会因为主电网的断电而发生变化。（2） 无功功率不匹配在电网断电后对节点a处频率的改变和有功功率的相匹配概念类似，无功功率匹配则是指系统中负载所需要的无功功率都是由逆变器来供给，即。与之相反，如果则系统就属于无功功率失配态势，而且光伏并网系统中的越大的话，无功功率的失配程度就越严重。同样假设和上文中提到的条件一样，逆变器的功率因素为单位1，这时。如果光伏并网系统与当地负载发生无功功率失去匹配， ，系统正常并网运行时负载所需要的无功功率都是由电网单方面供给，则有： （2-7）式（2-7

4、）中的是节点a处电压的角频率，也是并网后整个电网电压的角频率；则是图2-2所示RLC负载电路中的谐波角频率，取决于电路中的L和C的值，因为无功功率失配状态下，所以。当系统中发电装置与电网断开后，无功匹配会慢慢形成即负载所需的无功功率将转而由逆变器来供给，则有： （2-8）上式表明光伏发电系统正常并网运行时，处于无功功率失配状态，在电网断开后，节点a处的电压角频率会向靠近，直到两个频率相同时，使得，从而完成系统的无功功率匹配。（3） 孤岛效应的产生条件综上所述，分布式发电装置并网后正常运行时整个系统与负载的有功功率和无功功率都处于失配状态，当电网断开，并网结束后，由于光伏发电装置要单独向负载供电，导致节点处的电压幅度和频率都会开始发生变化。功率的失配程度越高则对应的电压特征量变化也越大。如果，有功功率和无功功率的失配程度特别低甚至达到完全匹配状态，那么电压跳闸后节点a处的电压幅度和频率并不会有太大的变化，这会使得一些保护装置感应不到，从而导致逆变器继续单独向负载供电，这就是孤岛效应产生的根本原因。从而可以看出，如果分布式发电系统依靠电压特征量的变化值有没有达到提前设定的临界值为判断孤岛产

5、生的依据时，那么孤岛产生的充分必要条件是：（1） 分布式发电系统中的逆变器所产生的有功功率与负载电路所需的有功功率匹配一致；（2） 分布式发电系统中的逆变器所产生的无功功率与负载电路所需的无功功率匹配一致5。1.2 孤岛效应的检测方法鉴于孤岛效应对电网设备和人员有着很大的危害，所以分布式发电系统一定要具备迅速及时检测到孤岛效应的能力，并采取有效措施降低其危害。随着分布式发电技术的逐渐成熟，孤岛检测技术也有了很大的进展。国内外的专家们提出了多种多样的孤岛监测方法，这些检测技术大体上可以分成两类：外部孤岛检测技术和本地孤岛检测技术，其中本地孤岛检测技术又包括主动法和被动法两类。如图2-3所示。图2-3 孤岛检测技术方法分类外部检测技术主要是基于通信的孤岛监测方法，它基于分布式发电系统和电网之间的通讯联系，通过无线电通讯来比较分布式发电系统和电网两端的状态是否一致来检测孤岛效应是否产生。主要的技术方法有连锁跳闸法，电力线载波技术实现通信等。这类外部检测孤岛的方法又叫做远程检测法，主要靠建立电网与分布式发电系统的通讯联系，及时监控电网的运转状况，这种技术有着较高的可靠性，检测盲区也比较少，适用

6、于各种分布式发电系统，但是由于要在外部构建通讯线路，造价较大而且不方便，所以一般用得比较少。本地孤岛检测又分为两类，一种是被动式孤岛监测方案，另一种是主动式孤岛监测方案。被动式方案是依靠检测分布式发电系统的电压，频率等系统参数来作为判断依据的，如果这些测量数值超过正常范围则表示发生了孤岛效应。被动法有过/欠压法、过/欠频法。频率变化率法。ROCOF 法、电压谐波检测法等。主动式方案则是向分布式发电系统中注入干扰信号，并网系统中的各类参数随扰动信号而发生变化，将变化后的电压，频率这些参数与参考值相比从而检测处主电网是否跳闸，判断孤岛存在与否，一般来说系统正常运行时各参数变化不大但是孤岛发生后参数变化会超出正常范围从而确定孤岛的存在。主动孤岛测试法有输出功率扰动法，阻抗检测法，Sandia电压偏移法等。由于被动孤岛检测技术有一定的缺陷，如检测盲区大，检测周期过长等，而主动式检测需要注入一定的扰动信号也会对电能产生影响，所以一般采用主被动相结合的孤岛检测技术，来互相取长补短。本文中主要研究的孤岛检测方法都是适用于并网逆变器的孤岛检测方案。1.3 孤岛检测技术的性能评估前文中有提到过检测盲区，

7、其实在实际的孤岛检测方案中几乎都会存在监控不成功的状况。这是因为孤岛监测中存在检测盲区又叫不可检测区域（Non-detection zone，NDZ）。对于NDZ可以由失配功率和负载电路进行量化的描绘，所以NDZ能够作为一个孤岛监测方法是否有效可行的重要性能标准。通常被动式孤岛检测采用功率失配坐标系所描述的检测盲区来评估。系统中的失配功率的数值可以由电网向负载所供的和表示，但是由这一坐标系只能得出系统中在电网断闸前后的功率改变状况，无法真正对NDZ进行定量分析。而另一种基于负载的使用谐振电感L和谐振电容C描述的坐标系也由于负载电路中电阻R的各异而产生不同的NDZ，所以没法较好描述出负载电路R对于盲区的各种影响。所以有人提出了使用负载品质因素和谐振频率 描述的坐标系来评估孤岛检测方案的可行性，这一方案可以在最糟糕状况下对负载进行分析，并清晰的反映出负载变化对于孤岛监测技术中NDZ的作用。本文在第三章节会详细介绍第一种和第三种孤岛检测技术的性能评估坐标系。1.4 本章小结 本章从孤岛效应的产生机理出发，论述了孤岛效应的定义。文中以光伏并网系统为例，利用功率流的关系图来详细研究孤岛效应的产生条件，并介绍了孤岛效应的危害。从而突出了反孤岛策略的重要意义，通过对孤岛检测技术的一个分类介绍为下文第三章的详细分析做好了铺垫。同时介绍了孤岛检测技术中的一个性能评定指标，检测盲区的概念。

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