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孤岛效应检测新技术研究

所谓孤岛效应(Islanding)是指在包括光伏发电系统在内的分布式发电系统中,当 电网供电由于故障事故或停电维修而发生跳闸时,连接在各用户端的分布式并网发电系 统没有能够及时检测出电网停电状态从而将自身与市电网络断开连接,最终形成由分布 式并网发电系统和与其相连的负载组成的一个不受电网公司掌控的自给供给电能的孤 岛发电系统。孤岛效应的发生会给系统设备和相关人员带来危害,因此光伏并网发电系 统中的并网发电设备必须具有能够准确检测出孤岛效应并及时与电网切离的功能,这也 是光伏并网发电系统设计中的一个关键性问题。

本章介绍了国内外孤岛效应检测标准和特性分析,分析了目前常用的被动式和主动 式孤岛检测方法,针对主动频移法检测参数进行设计及对其盲区进行分析,绘制了相应 的盲区图,为主动频移法的参数选取提供了理论依据,同时,研究了电网中干扰对主动 频移法产生的孤岛效应误判问题,提出了主动频移孤岛检测中的抗干扰三点测频法。通 过对最优检测点间隔进行估计和频率奇异点的剔除,该方法可有效避免在孤岛效应检测 中因电网中干扰对主动频移法产生的孤岛效应误判现象,提高了孤岛效应检测的准确 性,且能够快速地检测出孤岛。仿真验证了其正确性和有效性。

孤岛效应概述 图4.1为孤岛效应拓扑结构示意图,从图中可以看出:光伏并网发电系统与本地负 载直接连接,再利用投闸开关QF2与电网进行连接。当QF2断开时,若光伏并网发电 系统不能及时将并网控制开关QF 1断开,则造成其单独向本地负载供电的现象—孤岛 效应。光伏并网发电系统需要准确、及时检测到QF2断开造成的孤岛效应并控制QF1 断开,最终实现孤岛效应保护功能。 并网逆变器QFl 光伏阵列 本地负裁 图4.1孤岛效应拓扑结构图 通常情况下一个配置了边欠电压保护(OVP/UVP )或沙欠频率保护(OFPIUFP ) 的光伏并网发电系统就已经具备了基本的孤岛效应保护功能(即后面章节介绍的被动式 孤岛效应检测方法),当孤岛效应发生时,并网逆变器输出的有功和无功与负载所需要 的有功和无功不匹配,导致光伏并网发电系统与电网连接处的电压或其频率可能超出并 网技术标准相应的允许范围,从而断开其自身与电网的连接,并关闭并网逆变器。

但在 并网逆变器输出功率与负载所需功率平衡时,光伏并网发电系统与电网连接处的电压及 其频率变化很小,此时OVP/WP, OFP/UFP将失效,从而导致光伏并网发电系统在孤 岛效应发生后仍以孤岛状态运行。因此,要使在并网逆变器输出功率与负载所需功率平 衡时的孤岛效应也能被检测出是国内外学者研究的重难点。

孤岛效应的检测标准与特性分析

孤岛效应的检测标准 随着光伏并网发电系统技术和市场的发展,国际上先后制定的并网技术标准如IEEE Std. 929-2000 ( IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic ( PV ) Systems ), IEEE Std. 1547-2003 ( IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems )等均规定了并网发电装置必须具备孤岛效应保护功能。

但由于并网技术要求与配电网的运作制度和结构有关,不同国家对并网技术要求有 不同的规定,故国际上对孤岛效应保护方案也没有明确规定,一些国家如荷兰只要求配 置OFP/UFP来检测孤岛效应,其他国家如德国和奥地利规定采用ENS装置或阻抗测量 方案来检测孤岛效应;另外不同国家也规定了不同的孤岛效应检测时间,如一些美国研 究机构选择is,日本规定0.5一1 s,德国规定Ss内,而IEEE Std. 929-2000和IEEE Std. 1547-2003这两个标准按照孤岛效应发生具体情况规定了相应的孤岛效应检测时间,如 表4.1和表4.2所示。

需要指出的是,表4.2适用于额定功率不超过30kW的并网发电装置,对于额定功 率超过30kW的并网发电装置,电压幅值及其频率的范围以及相应的孤岛效应检测时间 均是可以现场调整的,且我国单相市电电压幅值的额定值叽为220V/AC(有效值),电 网电压频率的额定值寿为SOHze 为了给我国的光伏发电系统并网提供一个符合我国电网的运作制度和结构的技术 规范,我国于2005年11月11日发布了GB/T 19939-2005光伏系统并网技术要求 ( Technical requirements for grid connection of PV system ),根据孤岛效应发生时的具体 情况也推荐了不同的孤岛效应检测时间。表4.3为GB/T 19939-2005标准规定的异常电 压响应时间。

需要指出的是,电网接口处电压频率的允许范围为50士O.SHz,当其超过此范围时, OFP/UFP应在0.2s内动作,断开光伏发电系统与电网的连接。 GB/T 19939-2005标准对防孤岛效应有以下规定: 1)当光伏发电系统连接的电网发生失压故障时,必须在规定的时限(2s)内断开光 伏发电系统与电网的连接(该连接不包括用来检测电网状态的主控与监测电路);

综上所述:当电网停止运行时,若逆变器输出功率正好全部提供负载用电,则PCC 处电压及其频率均不发生变化;反之亦然。根据PCC处电压及其频率的改变大小即能 够判断出是否发生了孤岛效应,这也是被动式方法的孤岛效应检测机理。

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