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摘要1
第一章孤岛效应3
1.孤岛效应产出机理3
2.孤岛效应的危害3
3.分布式发电系统孤岛检测方法4
第二章并网发电系统孤岛效应5
1.孤岛效应的检测原理5
2.孤岛效应的检测标准6
3.孤岛检测的盲区分析7
第一章孤岛效应
1.孤岛效应产生的机理
分布式并网发电系统结构框图如图1.1所示,分布式发电系统由输变电设备及线路组成,图中较为详细的给出了一条馈线,该馈线上有多个用户连接点。
相对来说,大型的分布式发电系统有DG1、DG2,它们并接于图中的10kV母线上;
小型的分布式发电系统有DG3,它通常经变压器连接到低压配电线路上,如图中的220V线路。
图1.1分布式发电系统示意图
当断路器C跳开时,DG1则可能与其周围负载一起形成一个独立的供电系统,即孤岛,如图中的孤岛1所示。
引起断路器跳闸的因素大多是由于断路器的下游位置发生了故障(如发生单相接地短路等)。
断路器一般设计在几秒内跳开与闭合2~3次,其目的是在电网故障清除后恢复正常时重新合闸,以实现持续供电。
同理,当E点处的熔断器烧断时,DG3将继续向部分负荷供电,从而产生孤岛效应,如图1.1所示。
2.孤岛效应的危害
分布式发电系统接入公共电网时,孤岛检测是其必备的重要功能。
孤岛效应的发生可能造成的后果主要如下:
(1)孤岛效应发生时,由于其离开了电网的钳制作用,其电压和频率无法得到控制,这可能会给配电设备及用户造成损坏;
(2)由于孤岛系统中的线路仍然带电,可能危及工作人员的人身安全;
(3)重合闸问题;
当电网恢复正常时,逆变器系统重新并网,若此时并网发电装置与电网不同步,重合闸瞬间可能产生很大的冲击电流,从而损害分布式发电装置,甚至可能导致系统的再次跳闸。
从以上分析可知,在利用孤岛效应的技术不够成熟的情况下,孤岛效应的发生将对用户或配电设备的危害极大。
因此,对孤岛效应检测方法开展研究以及进行反孤岛保护的研究与应用则显得意义重大。
3.分布式发电系统孤岛检测方法
目前,孤岛检测方法已有许多种,大致可分为两类,即基于通信的检测方法和本地检测法,如图1.2所示。
图1.2常用的孤岛检测方法
第一类基于通信的孤岛检测法主要是利用电力载波通信等方式来检测孤岛效应的发生,第二类本地检测法则是通过监控并网发电装置的公共点电压以及电流信号是否异常来判断是否发生孤岛现象。
而本地检测法可分为被动式检测和主动式检测两种,被动式检测一般通过检测系统公共点电压或频率是否异常来判断孤岛的发生,其优点是对逆变器输出及电网无任何干扰,但其存在相对较大的不可检测区(Nondetectionzone,NDZ);
而主动式检测法则通过对逆变器输出施加微小的扰动,并检测系统的电压、频率等指标是否超出预先设定值来判断孤岛的发生,主动式方案虽然有效地减小了不可检测区,但会或多或少地影响了电能质量。
目前,功率不匹配型的孤岛现象比较容易检测出来,并能及时进行保护,同时检测效果甚佳。
而功率匹配型孤岛现象则比较难于检测,从而容易造成较大的损失,因而,功率匹配型孤岛现象成为当前研究的热点。
伴随DG的推广应用,多个DG系统同时并网运行的情况越来越普遍,同时孤岛的检测难度将进一步加大。
因此,研究功率匹配型孤岛检测方法就显得尤为重要,解决这一问题可使得分布式并网发电更为灵活、稳定、安全可靠,现实意义重大。
第二章并网发电系统孤岛效应
随着风能、太阳能等分布式电源并网的增多,目前,对于利用孤岛效应的技术尚未成熟的条件下,并网逆变器系统孤岛发生的概率及和输变电设备及系统用户的影响越来越大。
因此,所有并网逆变器必须具有防孤岛效应的功能,对于孤岛检测方法的研究与应用则显得尤为重要。
1.孤岛效应的检测原理
所谓孤岛效应,是指当电网因故障事故或停电检修而跳断时,用户侧的分布式发电系统未能即时检测出孤岛的发生而将自身与电网隔离,形成由分布式发电系统与本地负载构成的单独供电的孤岛系统。
孤岛检测主要检测公共连接点的电压和频率是否超出正常范围,其检测的基本原理如图2.1所示。
图2.1孤岛效应检测原理图
在此,选用实际应用中出现情况较多的RLC并联负载来加以具体分析。
PCC(PointofCommonCoupling)为并网逆变器与电网的公共连接点。
电网在正常运行的状态下,并网系统为负载提供的有功与无功功率为P+jQ,而负载得到的功率
,电网提供的有功和无功功率为ΔP+jΔQ,于是有:
(2.1)
(2.2)
逆变器在正常并网工作时其功率因数通常为1,于是有:
。
图2.1中RLC负载的有功和无功功率的具体表达如下。
(2.3)
(2.4)
其中
为节点PCC处的电压值。
当电网正常且未跳开时,
的幅值和频率由于电网的作用基本维持不变。
当电网因故跳开时,即产生孤岛,若ΔP或ΔQ较大,即可知并网逆变器的输出功率与负载功率不匹配,于是PCC点电压或频率将发生较大变化甚至突变,当PCC点电压或频率变化超出阀值时,则可判断出孤岛的产生。
但当ΔP或ΔQ较小时,保护电路会因电压和频率未超出预设阀值而未能检测出孤岛效应的发生。
2.孤岛效应的检测标准
对于分布式发电系统中孤岛效应检测方法的研究,起初是针对太阳能光伏并网发电系统而开始进行的。
国家科技部要求必须对光伏并网发电系统安装过/欠压、过/欠频保护的同时还应至少采取被动式和主动式检测方法各一种。
同时规定并网发电系统在孤岛产生后0.5至1秒的时间内检测出孤岛并将并网逆变器装置与电网隔离。
而国标GB/T19939-2005规定光伏并网系统的频率允许偏差值为±
0.5Hz,若超出该范围则触发过/欠频保护装置,并在0.2s内动作将并网装置与电网隔离。
我国对于孤岛发生后电压检测的具体要求如表2.1所示。
表2.1我国对孤岛效应检测的最大时间限制
3.孤岛检测的盲区分析
孤岛检测盲区(NDZ)是指在发生孤岛时,分布式电源有功、无功输出和负载有功、无功需求相等,此时孤岛前后PCC点的电压和频率均在正常的范围内,从而使得被动式检测失效,造成了孤岛检测盲区。
通过理论分析及相关实验表明:
几乎所有的被动式检测法均存在孤岛检测盲区,引起盲区的原因主要包括有功与无功的不匹配以及某些特殊负载等因素。
因此,可以将NDZ做为孤岛检测一个指标来评估其有效性。
通常可以用功率不匹配坐标系ΔP×
ΔQ来描述被动式检测的有效性,即定量描述孤岛检测盲区(NDZ)。
过/欠电压与过/欠频率保护是所有其它利用电压或频率来检测孤岛现象的基础,而孤岛检测盲区则是其分析与比较各检测方法检出效率的有效途径。
假定系统发生孤岛时,并网逆变器输出处于恒定功率工作状态。
以下就这种情况下对过/欠压和过/欠频检测在ΔP×
ΔQ坐标系中的NDZ进行定量分析。
过/欠电压保护是监测PCC点电压
的幅值,若
的大小超出规定允许的范围
时,则停止并网逆变器工作并使之与电网隔离的一种常见的检测方法。
为正常电网电压的上下限值。
而过/欠频率保护通过监测PCC点电压的频率f,若f的大小超出规定允许的范围
时,则停止并网逆变器工作并使之与电网隔离。
分别为正常电网频率的上下限值。
由于PCC处电压与频率均有一个正常允许运行的范围,即
,
而负载上的有功与无功功率是由分布式电源和电网共同注入的。
因此,在断网后的分布式电源和本地负载组成的孤岛供电系统中,将电网的有功、无功注入即△P、△Q称之为功率的不匹配度。
基于以上分析,得到式(2.5)、(2.6)、(2.7)。
(2.5)
(2.6)
(2.7)
式(4.7)中:
为品质因数。
若电网跳脱后ΔP和ΔQ的大小在其允许的范围之内,PCC点电压和频率将处于正常范围,从而使得孤岛检测失效。
我国标准电网频率f=50Hz,于是可得:
为电网电压正常时的上下限值,而
,U为标准电网电压。
取国际孤岛测试电路通用值2.5,于是有:
(2.8)
(2.9)
因此,孤岛检测盲区如图2.2所示,框中所示区域为检测盲区。
由图2.2可知,ΔP造成的检测盲区比ΔQ的贡献大,因此,一种良好的检测方案应同时对有功、无功采取相关措施,以达到减小检测盲区的目的。
此外,图2.2是基于稳态情况下的分析得到的,如果系统动态电压和频率偏差在给定的保护范围以内,检测盲区将会缩小。
同时,如果实际的分布式发电系统存在延迟时间大于标准规定的2s时,检测盲区则将被加大。
图2.2孤岛检测盲区(NDZ)示意图
第三章并网发电系统新型组合式检测方法
1.主动电流扰动法基本原理
主动电流扰动法是针对输出电流控制型并网发电系统而提出的一种主动式孤岛检测方法,该方法通过对逆变器输出电流的幅值周期性的扰动,在逆变器与电网断开时影响PCC点的电压,使其超出过电压/欠电压保护的范围,从而判断出孤岛的发生,停止逆变器工作。
其检测控制原理框图如图3.1所示
DG并网系统中,正常情况下PCC点的电压总是被电网钳位而保持不变,若逆变器系统输出功率与负载功率相匹配,那么在不施加任何扰动的情况下电网跳开时,PCC点的电压的大小不会有明显变化,孤岛效应持续发生。
一旦电网跳开后,则PCC点的电压将由输出电流与负载大小共同决定。
电流扰动时刻到来时,PCC点电压将随输出电流幅值的变化而发生相应的变化,当超出过/欠压保护的阈值时,则检测出孤岛现象的发生。
即便在功率完全匹配的情况下也不影响其检测的可靠性。
图3.1采用主动电流扰动法的检测控制框图
2.主动电流扰动法的改进
主动电流扰动法的主要优点是系统控制简单,容易实现,对电网无谐波污染,但其对DG系统的输出效率的影响较大。
当孤岛效应发生时,可能出现负载的功率需求恰好与逆变器扰动输出功率相匹配的情况,从而导致检测失效。
此外,对于连接有多个逆变型分布式并网发电系统的情况,若所有并网系统均采用该方案,由于各系统很难做到扰动一致,因此可能产生稀释效应,最终使PCC点电压幅值维持在正常范围,从而致使检测失效。
针对上述情况,以下介绍一种改进型主动电流扰动方案。
改进控制算法的思想是:
在周期性扰动到来之前,首先判断输出电压的变化情况,然后施加与电压变化方向相同的扰动。
如图3.1所示:
在不施加任何扰动量时,并网输出电流实时的跟踪参考电流
的变化,于是有:
并网逆变器输出电流
;
而在施加扰动量
后,其输出电流则变为:
(3.1)
式(3.1)中:
为系统并网参考电流的幅值,
为扰动量,ω则为电网的角频率。
(3.2)
式(3.2)中,
为上一个周期PCC点电压的幅值,而
则为本周期与之对应的幅值。
电网正常并网连接时,PCC点电压由于电网的钳制作用而基本保持与电网电压一致。
当电网跳开后,PCC点电压的大小则由输出电流和负载阻抗Z共同所确定,即
(3.3)
IEEEStd1547-2003标准明确规定,逆变器端输出电压正常范围为0.88Un~1.1Un,Un为电网额定电压幅值。
于是,改进方案的周期性扰动量的整定如下,在此,可以分两种情况来分析:
(1)输出端电压变大的情况:
即有
(3.4)
(2)输出端电压不变或变小的情况:
(3.5)
这里,需取最大绝对值0.12,于是易知逆变器正常运行时输出功率的变化率为0.12。
而采用常规主动电流扰动法的扰动比例至少为
,逆变器正常运行时输出功率的变化率不小于0.22。
通过上述原理的分析,改进型方案不存在孤岛检测失效的状况,可靠性高,周期性扰动量相对较小,于是对输出功率的影响也就相对较小。
尤其是对于多个并网逆变器系统并联运行的场合,也能实现扰动的同步,而使PCC点的电压朝同一方向变化,因此能有效的判断出孤岛现象的发生。
3.新型组合式检测法
根据前面章节对电压相位突变检测与改进型主动电流扰动法的原理分析可知,电压相位突变检测法具有检测速度快、算法简单、容易实现,并具备被动式检测法的一切优点。
但与过/欠频检测相类似,在电网频率下,若负载阻抗角
接近于零时,即未超出相位阀值,则该方法失效。
主动电流扰动法虽然能实现无盲区检测,并在两个及以上的分布式发电系统并联运行的场合也能检测出孤岛的发生,但是主动电流扰动法只有在扰动周期到来的时刻才能检测出孤岛的发生,而实际应用中检测周期又不宜过小,否则对系统的输出功率产生较大的影响,因此其不能快速的检测出孤岛现象的产生。
由于分布式发电系统要求孤岛检测时间越短越好,因而主动电流扰动法需与其它方法结合使用才能发挥其长处,弥补其弊端。
基于上述分析,提出一种电压相位突变检测与主动电流扰动法相结合的新型组合式检测方法。
其孤岛检测程序控制流程如图3.2所示。
该算法中,电压相位突变检测作为一个独立的检测模块,主要针对本地负载呈电抗性的情况,在此种情况下,电压相位突变检测法能快速的检测出孤岛现象的发生;
而当负载近似呈电阻性(负载阻抗角小于3.6°
)时,则主动电流扰动法同样能实现孤岛的检测,因而兼顾了两者的优点,能快速而无盲区地检测出孤岛现象的发生。
图3.2新型组合式孤岛检测方法流程图
感想
通过做这样的一个小论文使我收获很大,使我学会了如何查找资料、如何从文献中筛选自己有用的信息、如何综合整理以致成文,之前搜到很多有关检测的论文,都很长,不知道该选哪篇,也不知道自己能不能完全吸收并讲给大家,后来在同学的帮助下最后确定这篇,然后自己静下心慢慢研究,尽自己最大努力理解,虽然不能完全把作者的设计意图讲的恨透彻,但至少从中学到了东西,开阔了眼界。
在这里非常感谢张老师给了我们这样一个锻炼的机会,让我们在进入课题前有了一个过渡,同时也非常感谢我的同学,感谢他们在这过程中给予的帮助。
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