1、 武汉理工大学毕业设计（论文） 并网逆变器孤岛检测研究 学院（系）： 自动化 学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级 ： 电气 学 生 姓 名： 指 导 教 师： I 摘 要 随着社会的发展，人口不断增多，资源利用率增长，随之也出现许多不良的现象，导致化石能源危机，并且会日益严重的危害自然环境，能源危机对消费者以及社会造成许多深远的影响。于是越来越多的可再生新能源和其利用技术开始不断出现和发展，太阳能、风能等清洁且存量巨大的可再生能源出现在人类的视野中。电能紧缺一直是一个非常严峻的问题，光伏并网发电有望在未来缓解这一紧张的局面，基于并网的分布式发电技术将会是电力行业发展的一个重要方向。 但
2、当越来越多的光伏发电系统并接入电网 时，当电网由于故障或者其他问题而断网时，就会容易产生孤岛现象。一旦孤岛效应在分布式发电系统中发生，将会对维修人员产生伤害，同时会影响系统的稳定运行。所以研究怎样能够快速的检测到并网系统是否产生孤岛效应以及相对其作出反应就具有了非常重要的意义。 本文首先对分布式发电系统进行了详细说明，进而引出分布式发电系统的孤岛问题，并对孤岛效应的危害，国内外的保护问题进行了阐述，接着重点说明了孤岛效应的检测问题以及各个保护方法的优缺点，最后对检测的评估方法进行了介绍并同时给出了主动式孤岛检测 AFD 的仿真。 关键词 ：能源 分 布式 发电系统 孤岛效应 主动式 II AB
3、STRACT Growing with the development of the society, population, resource utilization, then also appeared many undesirable phenomenon, cause the fossil energy crisis, and will be increasingly serious harm the natural environment, the energy crisis caused many profound influence to the consumers and s
4、ociety. So more and more new energy and renewable development began to appear constantly, and the use of technology, solar energy, wind energy and other clean and huge stock of renewable energy in the human vision. Electricity shortage has been a very serious problem, photovoltaic (pv) grid generati
5、on is expected to alleviate the tense situation in the future, based on the interconnection of distributed power generation technology will be an important direction of the electric power industry development. But when more and more of the photovoltaic power generation system and connected to the po
6、wer grid, when the grid broken network, due to failures or other problems will be easy to generate island phenomenon. Once the islanding in distributed generation systems, will cause harm to maintenance personnel, at the same time will affect the stable operation of the system. So the research of ho
7、w to quickly detect islanding grid system is and relative to its response has the very vital significance. Firstly the distributed generation system were described in detail, which leads to the silos of the distributed generation system, and the harm of islanding, protection at home and abroad are d
8、escribed, and then mainly explains the advantages and disadvantages of islanding detection and protection method, finally on the detection of the evaluation method are introduced and at the same time, we give the simulation of active islanding detection AFD. KEYWORDS： energy;the distributed generati
9、on system;island effects;Active type III 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 国内外 研究现状 . 1 1.2.1 分布式发电系统 . 1 1.2.1.1 分布式发电系统 的概念 . 1 1.2.2.2 分布式 发电 的 应用与发展前景 . 2 1.2.2 孤岛效应的 研究现状 . 3 1.2.2.1 孤岛形成 原因 . 3 1.2.2.2 孤岛效应 的危害 . 3 1.2.2.3 孤岛效应检测标准 . 4 1.3 本文 选题意义及主要研究内容 . 5 第二章 被动式检测法 . 6 2.1 孤岛 产生的机理研究 . 6 2.
10、1 现有被动式 孤岛检测 技术 . 8 2.1.1 过 /欠 电压孤岛检测法 11 . 8 2.1.2 过 /欠频率 孤岛检测法 . 9 2.1.3 基于 相位跳变的孤岛检测 法 . 11 2.1.4 基于 电压谐波测量的孤岛检测法 . 11 第三章 主动式 孤岛检测技术 . 12 3.2.1 有源 频率偏移法（ AFD） . 12 3.2.2 滑模 频移检测法 （ SMS） . 13 3.2.3 Sandia 频率漂移孤岛检测发（ SFS） . 14 3.2.4 基于 功率扰动的孤岛检测法 . 15 3.2.4.1 有功功率 扰动法 . 15 3.2.4.2 无功功率扰动法 . 15 第四章
11、 现有孤岛检测技术的评估分析和仿真 . 16 4.3 检测 盲区 及 有效性分析 . 16 4.3.1 基于 QP 坐标系的有效性评估 . 16 4.3.2 基于 0fQf 坐标系 的有效性评估 . 17 4.3.2.1 基于 0fQf 坐标系 的孤岛检测相位判据 . 17 4.3.2.2 主动 移频式检测方案（ AFD） 的 NDZ 分析 . 18 IV 4.4 AFD 仿真设计 . 19 4.5 孤岛检测 方案 总结 . 20 结束 语 . 21 参考文献 . 22 致 谢 . 23 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景 人类的生存和发展离不开能源。由于对能源
12、的需求在不断增长，化石能源储量已难以满足人类的需要。 1973 年爆发全球石油危机后，传统的燃料能源已难以为继。据统计，目前全球有 20 多亿人得不到正常的能源供应，而在中国，如果能源保持目前的消费速度，50 年后国内现有能源储量全部消耗完。预计到 2020 年后，中国每年有超过 4 亿吨的石油消耗量及 2 千亿立方米的天然气的消耗量，其中，一半以上的石油将依赖进口。另一方面，在开采、运输和使用过程中，传统的化石能源均会对空气和人类的生存环境造成严重污染1。据有关资料，化石燃料的大量使用已经给人类生存的环境带来了严重后果。目前，全世界每天产生的温室效应气体约 1 亿吨，造成了极其严重的大气污染
13、，同时地球表面的温度也因温室效应在逐年升高；温室效应的加剧还使得今年来地球南、北极的冰雪融化开始加速，其罪魁祸首是能源燃烧时排放的二氧化碳气体。据专家分析，如果这种趋势不加以控制，未来若干年，海平面将上升几米，从而极大地威胁到人类四分之一的生活空间。另外，环境恶化产生的 “黑洞 ”会使人类面临紫外线的直接照射。正是在这样的背景下，各种缓解能源危机及环境保护的政策在世界各国纷纷出台。 1972 年的 6 月 5 日，在瑞典的首都斯德哥尔摩，联合国召开了第一次关于环境保护的会议，并设立环境保护规划 署，从此，环境保护成为联合国及各国政府的重要议题，每年六月五日被规定为世界的环境保护日 ，“世界上只
14、有一个地球”，“地球是你我的共同家园”，“让地球充满生机”这些环保口号反应了全人类共同的心声 2。 1.2 国内外 研究现状 1.2.1 分布式发电系统 1.2.1.1 分布式发电系统 的概念 现全世界供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统。虽然全世界 90%的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电，但是当今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满足 这种要求。由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果，这样的事故在国外时有发生；而且这种大电网又极易受
15、到战争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的安全， 如科索沃战争和海湾战争等 ；另外集中式大电网还不能 跟踪电力负荷的 变化， 而为了短暂的峰荷建造发电厂其 花费是巨大的，经济效益也非常低。 根据西方国家的经验，大电网系统和分布式发电系武汉理工大学毕业设计（论文） 2 统相结合是节省投资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法。 分布式发电指的是在用户现场或靠近用电现场配置较 小的发电机组 (一般低于 30MW)，以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。这些小的机组包括燃料电池，小型燃气轮机，小型光伏发电，小型风光互补发电，或燃气轮机与燃料电池的混合装置
16、。由于靠近用户提高了服务的可靠性和电力质量。技术的发展，公共环境政策和电力市场的扩大等因素的共同作用使得分布式发电成为新世纪重要的能源选择。在电力行业今后的发展过程中，分布式发电将成为一个重要的方向。 分布式发电和集中供电系统的配合应用有很多优点 3，分布式发电系统中各电站相互独立，用户由于可以 自行控制，不会发生大规模停电事故，所以安全可靠性比较高； 分布式发电 可以弥补大电网安全稳定性的不足，在意外灾害发生时继续供电，已成为集中供电方式不可缺少的重要补充；可对区域电力的质量和性能进行 实时监控 ， 非常适合向农村、牧区、山区，发展中的中、小城市或商业区的居民供电，可大大减小环保压力； 分布
17、式发电 的输配电损耗很低，甚至没有，无需建配电站，可降低或避免附加的输配电成本，同时土建和安装成本低；可以满足特殊场合的需求，如用于重要集会或庆典的 (处于 热备用状态的 )移动分散式发电车；调峰性能好，操作简单，由于参与运行的系统少，启停快速，便于实现全自动。 1.2.2.2 分布式 发电 的 应用与发展前景 随着我国经济的快速发展，对供电质量提出了更高要求，我国集中式供电系统建设在规模和质量上都取得了很大的发展，这种法阵所带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广大经济 欠发达的农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强大的集中式供配电网需要巨额的投资和很
18、长的时间周期，能源供应严重制约这些地区的经济发展。而分布式发电技术则刚好可以弥补集中式饭店的这些局限性。在我国西北部广大农村地区风力资源十分丰富，像内蒙古已经形成了年发电量 1 亿kWh 的电量，除自用外，还可送往北京地区，这种无污染绿色能源可以减轻当地的环境污染。 在可再生能源分布式发电系统中的除 风力发电 外，还有 太阳能光伏发电系统 、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的良好办法。因此，应引起足够的重视。 在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电方式技术不可缺少的重要补充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向。而在分布式发电技术中应用最为广泛、前景最为明朗的，应该首推热电冷三联产技术，因为
19、对于中国大部 分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂来说，都存在供电和供暖或制冷需求，很多都配有备用发电设备，这些都是热电冷三联产的多目标分布式供能系统的广阔市场。 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 国外近年来分布式发电技术的发展更加迅速。在美国，容量为 1kW 到 10MW 分布式电源 发电和 储能 单元正在成为未来分布式供能系统的有用单元。由于分布式电源的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，故可满足工业、商业、居住和交通应用的一系列要求。预计几年后，新一代的微汽轮机 (10 250kW)可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供了新机会。在丹麦、挪威、芬兰等北欧国家，分布式发电现有的
20、装机容量已达到其装机总容量的 30%。 1.2.2 孤岛效应的 研究现状 1.2.2.1 孤岛形成 原因 孤岛 问题是分布式发电系统 中 存在的一个基本的问题。所谓 孤岛（也 称孤岛效应 ） 是指： 在 与电网并联的 分布式 发电系统中， 当 主电路应供电故障 等原因而 使电网与分布式 发电系统断开 时，各用户端的并网分布式发电系统不能 及时 检测出停电 状态 从而将自身切 离主电网络，并形成由分布式并网 发电系统 及与其 相联 的 本地负载 所组成的自给供电的一个孤岛发电系统。 这种 因故障跳闸等偶然因素所形成的孤岛，称为非计划 孤岛 。 非计划孤岛 产生的 原因很多， 一旦 发生所带来的危
21、害也很大。 1.2.2.2 孤岛效应 的危害 若 分布式发电装置没有对电压和频率调节的能力 ， 且没有安装 限制 电压 及 频率偏移的保护继电器，孤岛发生后电压和频率会失去 控制 ， 发电系统 中 的 电压与频率将会产生较大的波动，从而损坏电网和用电设备 ；如果 重合闸过程中系统内的分布式电源和电网不同步，则孤岛系统重新接入电网会导致电路中的断路器损坏， 并且 会产生很大的冲击电流，从而损害 孤岛发电 系统中分布式的发电装置，甚至会导致电网的重合闸失效； 孤岛可能 导致接地或相间短路等故障不能清除，从而导致电网设备损害，并电网供电系统的自动、手动恢复会受到干扰； 孤岛 状态下一些被认为 已经
22、和所有电源都断开的线路可能会带电，进而给电网的维修人员及用户带来被电击的危险 。 因此 ， 从用电安全和用电质量等多方面考虑 ， 孤岛 状况是不允许出现的 。 所以 ， 光伏并网发电系统都应具有检测出孤岛状况并能快速有效停止并网运行的能力 。 太阳能光伏并网发电系统对于缓解传统能源紧张状况 ， 提高用户供电质量和可靠性具有双重意义 ， 而孤岛效应的检测和研究其目的就在于充分保护和发挥分布式供电系统的这些优良特点 ， 最大限度的减轻孤岛效应所带来的危害 。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 1.2.2.3 孤岛效应检测标准 国际通行的光伏系统入网标准 IEEE Std. 2000-9294以及
23、UL17415和分布式电站入网标准 IEEE 15476，都对并网逆变器孤岛检测功能做出了要求。当逆变 输出正常运行时，与市电交接处的电压所容许的误差范围应符合 IEEE929 规范。下表为美国规范 IEEE929 与UL1741 的电压与频率范围限制表。 表 1-1 IEEE Std. 2000-929/ UL1741 对孤岛效应最大检测时间的限制 条件 电压 /V 频率 /Hz 最大限制时间 欠压 (a) V60.5 6 周期 正常 V 59.3114.7% f 1.5s D V f60.6 0.5s 日本也制定了孤岛检测标准 C84.1-19958，如表 1-3 所示。 表 1-3 C8
24、4.1-1995 对孤岛检测时间的规定 状态 电网 断开后电压 /V 频率 /Hz 最大允许 检测 时间 A V1.10 f 100 周波 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 D V 58.259.82 2s E V 59.8260.12 正常运行 F V 60.1261.2 2s 由于国内外用电频率和电压上的区别，都有各自的孤岛效应检测标准。当逆变电源与市电并网运行时，中国大陆市电频率是 50HZ，我国的光伏系统并网技术要求（ GB/T 19939-20059）规定光伏系统并网后的频率允许偏差值允许为 5.0 Hz，当超出频率范围内，过 /欠频保护应在 0.2S 内将逆变电源与市电断开，相应的
25、系统对检测到宜昌电压时所做出的反应时间如表 1-4 所示。同时还规定，在电网的电压和频率恢复到正常范围后的20s5min，光伏系统不应向电网送电，这一点区别于北美标准的至少延迟 5min 和德国标准的延迟 20s。 表 1-4 电压异常下的响应（ GB/T 19939-2005） 公共点 电压 最大 分闸时间 V50% 0.1s 50%V85% 2.0s 85%V110% 继续运行 110%V135% 2.0s 135%V 0.05s 1.3 本文 选题意义及主要研究内容 并网光伏发电系统是新能源开发的热点，涉及到光电材料学、电力电子学、以及大规模应用时的电力工程学。本文针对分布式 发电系统在并网 条件 下的孤岛检测技术 进行 了研究，重点分析了目前广泛使用的主动 移频 式并网孤岛检测技术 和 被动式并网孤岛检测技术，具体研究内容如下： 1）对基于并网逆变器的孤岛检测方法进行了阐述，详细介绍了各种被动式本地孤岛检测法，重点分析了目前各种被动式孤岛检测法的原理及其优缺点。 2）详细介绍了各种主动式本地孤岛检测法，重点分析了目前各种主动式孤岛检测法的原理及其优缺点。 3）介绍了现有孤岛检测技术的评估分析，分析了基于 QP 和 0fQf 坐标系的孤岛检测性能评估方法，重点给出了主动频率偏移法的检测盲区边界曲线的求取方法；给出了主动式孤岛检测方法中的有源频率偏移法（ AFD）的仿真。
