1、i本科毕业论文（20 届）光伏并网发电系统的孤岛检测研究所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期ii目录摘要 .IAbstract.II引言 .11.绪论 .21.1 太阳能利用现状 .21.2 太阳能光伏发电 .31.3 太阳能光伏发电系统的组成器件 .32.孤岛检测 .42.1 孤岛效应的定义 .42.2 孤岛效应特性分析 .42.3 现有的孤岛检测方法 .63.主动移频式孤岛检测法 .83.1 主动移频式孤岛检测的原理 .93.2 主动移频式孤岛检测的参数设计 .93.3 仿真实验 .104.结论 .17参考文献 .18致谢.19iiiContentsAbstract
2、.IIForeword .11.Introduction .21.1 Solar Energy Utilization.21.2 Solar PV .31.3 Components of Solar Photovoltaic Power Generation System.32.Island Detection .42.1 Definition of Island Effect .42.2 Analysis of Island Effect Characteristics .42.3 Existing Island Detection Methods.63. Active Frequency
3、Shift Island Detection Method.83.1 Principle of Active Frequency Shift Island Detection .93.2 Parameter Design of Active Frequency Shift Island Detection .93.3 Simulation Experiment.104. Conclusions .17Reference18 Acknowledgement.19I光伏并网发电系统的孤岛检测研究摘要 当今社会的经济发展越来越迅速，对于电能的需求量极为庞大，火力发电在目前仍然占据这主要的地位。而随着
4、能源危机的加剧以及环境污染的日益严重，新能源发电收到了越来越多的重视。太阳能作为一种绿色的、无污染的能源，主要的发电形式就是光伏发电。在将来，以太阳能作为能源的光伏发电将会成为重要的发电形式。然而，光伏发电并网系统中存在着孤岛效应，会对电网、设备和人体造成伤害，需要对其进行专门的检测和防护。在光伏发电并网系统中，孤岛效应是指在电网突然失压时，系统仍保持对邻近线路供电状态的一种效应。本文主要分析研究了孤岛效应发生的原理，介绍几种孤岛检测的方法，主要是主动式和被动式孤岛检测方法。并选取一种检测方法通过MATLAB/Simulink 进行仿真实验。关键词：光伏发电 并网系统 孤岛检测 MATLAB/
5、SimulinkIIResearch on Islanding Detection of Grid Connected Photovoltaic Power Generation SystemAbstract The economic development is more and more rapidly in todays society,for the demand of electric power is very large,thermal power still occupy the main position in current. With the aggravation of
6、 the energy crisis and the increasingly serious environmental pollution, new energy power generation has received more and more attention. Solar energy is a kind of green, non polluting energy, photovoltaic power generation is the main form of power generation.In the future,the solar photovoltaic po
7、wer generation willbecome as important forms of energy generation. However,there exist islanding of grid connected photovoltaic system,will cause damage to the power grid equipment, and the human body, the need for detection and protection of the special. In the photovoltaic power generation system,
8、the island effect refers to the sudden power loss of pressure,the system remains an effect on the power state of adjacent circuit.This paper mainly analyses the principle of islanding effect, introduces several methods for islanding detection, mainly active and passive islanding detection method. An
9、d select the one detection methods by MATLAB/Simulink simulation.Keywords: Photovoltaic power generation；Grid connected system；Island detection；MATLAB/Simulink1引言因为孤岛效应会对电力系统以及人身安全造成威胁，由美国桑迪亚国家实验室提出了孤岛检测方法。根据 Sandia National Laboratories 提供的报告指出，孤岛效应就是，因故障事故或因为需要停电进行线路维修等原因而停止工作时，停电状态未及时的被安装在各用户端的光伏
10、并网发电系统及时检测出来，而不能迅速的与市电网络进行切离，而形成的一种从光伏并网发电系统向其周围的负载供电的一种供电公司无法掌控的孤岛现象 1。一般来说，孤岛效应有可能会对一整个配电系统的设备以及用户端之设备产生不利的影响，包括 2：(1)危害进行电力检修的工作人员的生命安全；(2)影响该配电系统上所有保护开关的动作程序；(3)孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定性质会对用电设备带来破坏；(4)当供电恢复时造成的电压相位不同步将会使得浪涌电流出现，可能会造成再次跳闸或者对光伏系统、负载、供电系统产生损坏；(5)并网光伏发电系统因单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题。由此可见，作为一个安全
11、可靠的并网逆变装置，必须能及时检测出孤岛效应并避免所带来的危害。孤岛现象的检测方法根据技术特点，可以分为三大类：被动检测方法、主动检测方法和开关状态监测方法(基于通讯的方法)。被动式方法就是通过电网断电的时候逆变器的输出端的电压、频率、相位或者谐波的变动进行检测。但是，当光伏系统的输出功率同局部负载的功率平衡，则该方法将失去其检测能力，存在着较大的非检测区域(Non-Detection Zone，简称 NDZ)。并网逆变器之被动反孤岛方法不必增添硬件电路，也不需单独的保护继电器。被动检测方法主要包括：过/欠压和过/ 欠频检测法，电压谐波检测法，电压相位突变检测法(PJD)。主动检测指的是通过对
12、逆变器进行控制，使相位、输出功率或者频率有一定扰动。电网处于正常工作状态时，由于电力网络拥有平衡作用，检测不出这些扰动。一旦电力网络发生故障，逆变器其所输出之扰动会快速积累并且超出所能允许的范围，从而开始检测电路，因为此时已经触发了孤岛效应。该方法准确度高，非检测区比较小，但控制难，且使得逆变器所输出的电能质量降低。目前反孤岛策略基本都采用主动式检测方案与一个被动式检测方案结合。主动孤岛检测方法主要包括：频率偏移检测法(AFD)，滑模频漂检测法 (SMS)，周期电流干扰检测法（ACD） ，频率突变检测法(FJ)。 孤岛检测除了上述普遍采用的被动法和主动法，还有一些外部逆变器的检测方式。如“网侧
13、阻抗插值法”，是指电力网络发生故障的时候自动插入一大阻抗，在电力网络负载侧，使得阻抗突发明显的变化，从而使得系统的功率平衡被破坏，造成相位、电压、频率的改变。还有运用电力网络系统所产生的故障信号来进行控制。一旦有故障在电力网络中产生，电力网络侧其自身的监控系统就向光伏发电系统发出控制信号，以便能够及2时切断分布式能源系统与电网的并联运行。1.绪论1.1 太阳能利用现状全球经济发展迅速，人口急剧增加，对于能源的需求越来越大，传统的化石能源的消耗极其严重，能源危机成为世界各国所面临的严重问题。同时化石能源对环境造成的污染和对生态造成的破坏也成为制约发展的障碍。新能源的利用成为了一个热点课题。太阳能
14、是一种清洁的可以再生的能源，分布十分广泛，是一种理想的替代能源。近几年，国际上的光伏发电研究与建设发展的十分迅猛。1973 年，美国联邦政府制定了一个政府级的阳光发电计划；1980 年美国联邦政府正式将进行光伏发电列入公共电力规划中，累计投资超过 8 亿美元，在 1994 年度的财政预算中，投入光伏发电行业的预算高达 7800 多万美元，比 1993 年增加了 234；1997 年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划“ ，美国计划到 2010 年安装 10003000MW 左右的太阳电池。日本不甘落后，1997 年补贴“ 屋顶光伏计划 “的经费高达 9200 万美元左右，安装目标是大约 760
15、0Mw。印度计划于 19982002 年太阳电池总产量为 150MW 左右，其中 2002 一年大约为 50MW。国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已经由作为一种补充能源向作为一种替代能源进行过渡。截止到目前，全世界的太阳能电池一年的销售量己经超过了 60 兆瓦，电池的转换效率也已经提高到了 15以上，与此同时，系统的造价和发电的成本已经分别降到了 4 美元/峰瓦和 25 美分/ 度电；在太阳能的热利用方面，由于技术的日渐成熟，被利用的地方越来越多，应用规模也越来越大，单单美国太阳能热水器每年的销售额就已经超过了 10 亿美元。太阳能热发电也在现
16、有的技术上有一定的突破，目前已有 20 余座大型太阳能热发电站正在运行或建设。在我国国内，太阳能光伏发电的应用最早始于 70 年代，真正步入快速发展的轨道是在 80 年代。在 1983 年到 1987 年这短短四年间，我国先后从美国、加拿大等国家引进了七条太阳能电池生产线，使我国太阳电池的生产能力从 1984 年以前的年产 200 千瓦跃到 1988年的 45 兆瓦，实现了跃进式的发展。目前太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村、无电岛屿等边远偏辟无电地区，年销售约 1.1 兆瓦左右，成效显著。具体表现为：(1 ）建成了超过 40 座的县、乡级小型光伏电站，光伏电池总装机容量大约 6
17、00kw 左右，其中以西藏自治区最多，超过了 450 kw；1998 年 10 月建成我国最大的西藏那曲安多县光伏电站的光伏电池装机容量高达 100kw。 （2）家用光伏电源在青海、内蒙古、新疆、甘肃、宁夏、西藏以及辽宁、吉林、河北、海南、四川等地广泛应用。根据不完全的统计，至今全国已累计推广家用光伏电源大约 15 万台，光伏电池总功率约达 2.9MW。 （3）光伏电站在 22 所农村学校建立，光伏电池组件的总装机容量为 57kw。 （4）1998 年中国通信史上建成难度最大的兰一西一拉光缆干线工程，有 26 个光缆通信站采用光伏电池作电源，其海拔高度大多数都处于 4500m 以上，光伏电池组
18、件的总功率约达 100kw。 （5）31996 年建成了塔中 4-轮南输油输气管道阴极保护先伏电源系统，总功率大约为 40kw。该系统横贯环境恶劣复杂的塔克拉玛干大沙漠，总长达 300Km 左右 3。1.2 太阳能光伏发电太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。太阳能电池其发电原理简单来说是光生伏打效应。当日光（或其他光）射到该种电池上时，光能被电池吸收，光生电子产生空穴对。在电池所产生的内建电场作用下，空穴以及光生电子被分离开来，异号电荷在电池两端出现并进行的积累，即 “光生电压”产生，即为“光生伏打效应” 。若内建电场两侧有电极
19、引出并在电极两端接上负载，则 “光生电流”就会通过负载流出，从而获得输出功率。这样，日能就成为了可以直接被利用的电能。太阳能电池把光能转换为电能，其工作原理可以概括成为以下的3 个主要的过程：a.一定数量的光子被电池所吸收之后，电子空穴对在半导体内将产生，即为“光生载流子” ，两者之间的电性是相反的，电子负电，空穴正电；b.半导体p-n 结所产生的静电场会将带有相反电性的光生载流子分离开；c.太阳能电池的负、正极分别收集空穴、光生载流子电子，电流将会在外电路中所产生，进而会获得电能 4。1.3 太阳能光伏发电系统的组成器件逆变器、蓄电池、太阳能电池板和充电控制器构成了一套最近本的太阳能光伏发电
20、系统，下面对各部分的功能做一个简单的介绍： （1）逆变器 逆变器的作用就是进行逆变，220 伏交流电就是通过逆变器对蓄电池、太阳能电池方阵所提供的低压直流电所逆变而得来的，是的交流负载可以得到应用。（2）蓄电池组蓄电池组就是储存直流电，该直流电是由太阳能方阵储存起来的, 来供负载使用。在这种光伏发电的系统中间, 蓄电池将会处于一种浮充放电的状态, 夏日太阳光照量大，光照强度强, 在供给负载的用电之外, 同时还会对蓄电池进行充电; 在冬日太阳光照量少,光照强度低，这一部分储存的电能将会渐渐的释放出来。白天中蓄电池由太阳能电池方阵进行充电,( 同时方阵还要给负载用电),晚上蓄电池释放储存的电能，供
21、给负载用电，负载用电将全部由蓄电池释放。所以,蓄电池的充电效率要高, 而且其自放电要小, 与此同时还要考虑其使用是否方便以及价格等各种因素。常用的蓄电池有硅胶蓄电池、铅酸蓄电池, 价格比较昂贵的镍镉蓄电池在要求比较高的场合也有使用。（3）太阳电池板供负载使用的直流电是由太阳辐射能通过太阳能电池板转换而成的，同时也可以将直流电存储在蓄电池内当做备用。一般来说，根据用户的需求，可以使用太阳能方阵，其就是按照一定的方式，将若干太阳电池板连接，组成太阳能电池方阵，再配上适当的4支架及接线盒组成。（4）充电控制器充电控制器在各种不同的类型的光伏发电系统之中是不尽相同的，其复杂程度、功能多少的差别也是很大
22、的，这就需根据重要的程度以及系统的要求来进行确定。继电器、开关、电子元器件、仪表等构成了充电控制器的主要组成部分。在光伏发电系统之中，为蓄电池提供最佳的电压和充电电流，平稳、高效、快速的为蓄电池充电是充电控制器的基本作用，并减少在充电过程中的损耗、尽量的使蓄电池的使用寿命得到延长；同时使得蓄电池得到有效的保护，避免会发生过放电、过充电现象 5。在户使用直流负载的情况下，稳定的直流电将会通过充电控制器来为负载提供（由太阳电池方阵所发出的直流电，其电流和电压不是很稳定，这是因为天气的变化使得系统出现不稳定） 。2.孤岛检测目前在国际上制定了几种光伏系统并网标准的国标，主要是UL1741和IEEE
23、Std.929/1547等，这些标准对于并网系统发电装置的孤岛检测的保护功能做出了十分具体的要求，同时也对电力网络断电后所检测到的孤岛现象发生的时间也做了十分明确、详细的规定。在孤岛效应所规定的时间检测方面，不同的国家是不尽相同的，例如，德国所规定的判别时间是限制在5秒之内的，美国所规定的标准判别时间是限制在2秒之内的，而日本的判别时间则是规定必须在0.5到1秒之间。我国的光伏并网发电起步的比较晚，但是我国也相应的制定了符合我国国情的标准。我国的规定是：在光伏系统中除了设置过欠压以及过欠频保护作为后备的必须保护以外，还应该各采用至少一种主动和被动检测方法。在孤岛效应已经发生的时候，系统检测装置
24、必须能在0.5到1秒之内检测出来孤岛效应并同时切断故障点与电力网络之间的连接。2.1 孤岛效应的定义一般情况下所说的孤岛效应(Islanding) 指的是在分布式的能源并网发电系统之中，由于人为的切断了市电或者市电出现了故障从而向负载供电终止，在这种情况下分布式能源还在继续并网进行工作，从而使得电力网络局部负载仍然处在供电状态之下。由于电力网络和光伏发电系统并联工作之时，电力网络会停止工作，因为会发生设备检修、操作失误或者故障等原因。换句话说就是光伏并网发电系统中普遍存在孤岛效应。因此，在该系统设计中一个关键性的问题就是及时、准确的检测出孤岛效应。2.2 孤岛效应特性分析如图所示，该图描述了电
25、力网络和逆变器相连接时的功率流动情况，其中的符号以及变量名称如下所示， 和 R 都是等效负载基于该逆变器。,rLC-逆变器所输出的有功功率； -正常情况下电力网络的逆变器输送到该电力网络PP的有功功率；Q- 逆变器所输出的无功功率； -正常情况下电力网络的逆变器输送到该Q5电力网络的无功功率； -电力网络电压； -逆变器的输出端的电压。gUiUP ， QL r C rRU i U gSQP,并网逆变器图 2-1 逆变器输出功率流动示意图a）电力网络的正常工作状态如图所示，在电力网络的正常工作状态下，相当于闭合开关 S。系统所输出的 P、Q其中的一部分提供给了等效负载，而另外的一部分 、 将会传
26、递给电力网络。根据PQ逆变器负载功率和输出功率相平衡的关系可以得到式（2.1） 、 （2.2）的存在，其中 为电g力网络电压的角频率。（2.1）2gUPR（2.2）21grrCQLb）电力网络停止工作状态如图所示，电力网络在突然断电的情况下，相当于断开开关 S。因为开关 S 关断前后，电力网络中的逆变器所输出的 P、Q 近似于保持一致，根据功率的平衡关系可以得到式（2.3） 、 （2.4）：（2.3）2iUPR（2.4）21iriirCL其中 是逆变器所输出电压的角频率。由电力网络的逆变器输出 P 的平衡关系，根i据式（2.1） 、 （2.3）可推出：（2.5）21giUP由电力网络的逆变器输出 Q 平衡的原理，根据公式（ 2.2） 、 （2.4）可得到：（2.6）22gi cigQU式中 是谐振电路中谐振电容 的无功功率，其大小为 。结合公式c rC2cgrQCU（2.5） 、 （2.6）可以得到：
