光伏逆变器防孤岛效应实验

光伏并网逆变器防孤岛效应实验周璇根据 2009 年 8 月 3 日北京鉴衡认证中心公布的 CGC/GF001 ︰ 2009 《并网光伏发电专用逆变器技术要求和实验方法》。 IECG2006 《光伏并网系统用逆变器防孤岛测试方法》的相关要求，并网逆变器产品必须严格进行出厂试验和型式试验。根据 IEEE1547 和 UL1741 的相关规定。光伏并网逆变器必须具有防孤岛效应自动保护功能。原理：在电容器串联的电路里 ,只有与外电路相连接的两个极板（注意：不是同一电容器的极板）有电流流动（电荷交换），其他极板的电荷总量是不变的，所以称为孤岛。 孤岛是一种电气现象，发生在一部分的电网和主电网断开，而这部分电网完全由光伏系统来供电。在国际光伏并网标准化的课题上这仍是一个争论点，因为孤岛会损害公众和电力公司维修人员的安全和供电的质量，在自动或手动重新闭合供电开关向孤岛电网重新供电时有可能损坏设备。所以，逆变器通常会带有防止孤岛效应装置。被动技术（探测电网的电压和频率的变化）对于平衡负载很好条件下通电和重新通电两种情况下的孤岛防止还不够充分，所以必须结合主动技术，主动技术是基于样本频率的移位、流过电流的阻抗监测、相位跳跃和谐波的监控、正反馈方法、 或对不稳定电流和相位的控制器基础上的。现在已有许多防止的办法，在世界上已有 16 个专利， 有些已获得，而有些仍在申请过程当中。其中的有些方法，如监测电网流过的电流脉冲被证明是不方便的，特别是当多台的逆变器并行工作时，会降低电网质量，并且因为多台逆变器的相互影响会对孤岛的探测产生负面影响。在另一些场合，对电压和频率的工作范围的限制变得宽了，而安装工人通常可以通过软件来设置这些参数， 甚至于 ENS（一种监测装置， 在德国是强制性的） 为了能在弱的电网中工作， 可以把它关掉。孤岛效应实验室：一般是用谐振模拟负载电路， 同时定义了一个质量因数， “ Q-factor ” 。 尽管如此， 这些试验还是很难运行，特别是对于那些高功率的逆变器，它们需要很大的试验室。试验的电路和参数会根据不同国家有所不同，测试结果很大程度上取决于试验者的技术水平。 现已开展了一些研究， 用来评估孤岛效应和它关联风险的各种可能性，研究表明对于低密度的光伏发电系统，事实上孤岛是不可能的，这是因为负载和发电能力远远不可能匹配。但是，对于带高密度光伏发电系统的电网部分，主动孤岛效应保护方法是必要的，同时辅以电压和频率的控制，来保证光伏带来的风险降到极其微小，这一数据须与不带光伏的电网的年触电预计数相比较。大多数光伏逆变器同时带有主动和被动孤岛保护，虽然没有很多光伏突入电网的例子，但对于这方面， 国外的标准没有放松。 孤岛效应是基站覆盖性问题， 当基站覆盖在大型水面或多山地区等特殊地形时，由于水面或山峰的反射，使基站在原覆盖范围不变的基础上，在很远处出现 “飞地 “，而与之有切换关系的相邻基站却因地形的阻挡覆盖不到，这样就造成 “飞地 “与相邻基站之间没有切换关系， “飞地 “因此成为一个孤岛，当手机占用上 “飞地 “覆盖区的信号时，很容易因没有切换关系而引起掉话。光伏系统的孤岛效应：由于孤岛效应的潜在危险性和对设备的损坏性，社会公共工程和发电设备业主长期以来一直关注光伏并网逆变器的反孤岛控制。因此，在光伏并网发电系统的应用中必须防止孤岛效应。含义所谓孤岛效应，即指如并入公共电网中的发电装置，在电网断电的情况下，这个发电装置却不能检测到或根本没有相应检测手段，仍然向公共电网馈送电量。孤岛效应的危害一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，包括： 1)危害电力维修人员的生命安全； 2)影响配电系统上的保护开关动作程序； 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产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来损坏； 5)光伏并网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。孤岛效应的相关标准根据国际标准 IEEE Std ． 2000 ． 929 和 ULl74 规定，所有的并网逆变器必须具有反孤岛效应的功能，同时这两个标准给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并将逆变器与电网断开的时间限制，如下表： Voltage Time to operate V l37%Vnlorm 2 cycles Frequency Time to operate fnorm+0.5 50.5 0.16 50.5 0.16 检测方法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 )。一、被动检测方法被动式方法利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛效应检测。但当光伏系统输出功率与局部负载功率平衡，则被动式检测方法将失去孤岛效应检测能力，存在较大的非检测区域 (Non-Detection Zone ，简称 NDZ) 。并网逆变器的被动式反孤岛方案不需要增加硬件电路，也不需要单独的保护继电器。1)过 /欠压和高 /低频率检测法过 /欠电压和高 /低频率检测法是在公共耦合点的电压幅值和频率超过正常范围时， 停止逆变器并网运行的一种检测方法。逆变器工作时，电压、频率的工作范围要合理设置，允许电网电压和频率的正常波动，一般对 220V/50Hz 电网，电压和频率的工作范围分别为 194V ≤ V≤ 242V 、 49.5Hz ≤ f≤ 50.5Hz 。如果电压或频率偏移达到孤岛检测设定阀值，则可检测到孤岛发生。然而当逆变器所带的本地负荷与其输出功率接近于匹配时，则电压和频率的偏移将非常小甚至为零，因此该方法存在非检测区。这种方法的经济性较好，但由于非检测区较大，所以单独使用 OVR/UVR 和 OFR/UFR 孤岛检测是不够的。2)电压谐波检测法电压谐波检测法 (Harmonic Hetection) 通过检测并网逆变器的输出电压的总谐波失真 (totalharmonic distortion-THD) 是否越限来防止孤岛现象的发生，这种方法依据工作分支电网功率变压器的非线性原理。如图 4-2 ，发电系统并网工作时，其输出电流谐波将通过公共耦合点 a 点流入电网。由于电网的网络阻抗很小，因此 a 点电压的总谐波畸变率通常较低，一般此时 Va 的 THD 总是低于阈值 (一般要求并网逆变器的 THD 小于额定电流的 5%) 。当电网断开时，由于负载阻抗通常要比电网阻抗大得多，因此 a 点电压 (谐波电流与负载阻抗的乘积 )将产生很大的谐波， 通过检测电压谐波或谐波的变化就能有效地检测到孤岛效应的发生。但是在实际应用中，由于非线性负载等因素的存在，电网电压的谐波很大，谐波检测的动作阀值不容易确定，因此，该方法具有局限性。3)电压相位突变检测法 (PJD) 电压相位突变检测法（ Phase Jump Detection ， PJD ）是通过检测光伏并网逆变器的输出电压与电流的相位差变化来检测孤岛现象的发生。光伏并网发电系统并网运行时通常工作在单位功率因数模式，即光伏并网发电系统输出电流电压 (电网电压 )同频同相。当电网断开后，出现了光伏并网发电系统单独给负载供电的孤岛现象，此时， a 点电压由输出电流 Io 和负载阻抗 Z 所决定。由于锁相环的作用， Io 与 a 点电压仅仅在过零点发生同步，在过零点之间， Io 跟随系统内部的参考电流而不会发生突变，因此，对于非阻性负载， a 点电压的相位将会发生突变，如图 4-3 所示，从而可以采用相位突变检测方法来判断孤岛现象是否发生。 相位突变检测算法简单，易于实现。但当负载阻抗角接近零时，即负载近似呈阻性，由于所设阀值的限制，该方法失效。被动检测法一般实现起来比较简单，然而当并网逆变器的输出功率与局部电网负载的功率基本接近，导致局部电网的电压和频率变化很小时，被动检测法就会失效，此方法存在较大的非检测区。二、主动检测方法主动式孤岛检测方法是指通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常工作时，由于电网的平衡作用，检测不到这些扰动。一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，从而触发孤岛效应检测电路。该方法检测精度高，非检测区小，但是控制较复杂，且降低了逆变器输出电能的质量。目前并网逆变器的反孤岛策略都采用被动式检测方案加上一种主动式检测方案相结合。1）频率偏移检测法 (AFD) 频率偏移检测法 (Active Frequency Drift,AFD) 是目前一种常见的主动扰动检测方法。采用主动式频移方案使其并网逆变器输出频率略微失真的电流，以形成一个连续改变频率的趋势，最终导致输出电压和电流超过频率保护的界限值，从而达到反孤岛效应的目的。2）滑模频漂检测法 (SMS) 滑模频率漂移检测法（ Slip-Mode Frequency Shift ， SMS ）是一种主动式孤岛检测方法。它控制逆变器的输出电流，使其与公共点电压间存在一定的相位差，以期在电网失压后公共点的频率偏离正常范围而判别孤岛。正常情况下，逆变器相角响应曲线设计在系统频率附近范围内，单位功率因数时逆变器相角比RLC 负载增加的快。当逆变器与配电网并联运行时，配电网通过提供固定的参考相角和频率，使逆变器工作点稳定在工频。当孤岛形成后，如果逆变器输出电压频率有微小波动逆变器相位响应曲线会使相位误差增加，到达一个新的稳定状态点。新状态点的频率必会超出 OFR/UFR 动作阀值，逆变器因频率误差而关闭。此检测方法实际是通过移相达到移频，与主动频率偏移法 AFD 一样有实现简单、无需额外硬件、孤岛检测可靠性高等优点，也有类似的弱点，即随着负载品质因数增加，孤岛检测失败的可能性变大。3）周期电流干扰检测法（ ACD ）周期电流扰动法（ Alternate CurrentDisturbances ， ACD ）是一种主动式孤岛检测法。对于电流源控制型的逆变器来说 ,每隔一定周期 , 减小光伏并网逆变器输出电流 , 则改变其输出有功功率。当逆变器并网运行时 , 其输出电压恒定为电网电压；当电网断电时 , 逆变器输出电压由负载决定。每每到达电流扰动时刻 ,输出电流幅值改变 ,则负载上电压随之变化 ,当电压达到欠电压范围即可检测到孤岛发生。4）频率突变检测法 (FJ) 频率突变检测法是对 AFD 的修改， 与阻抗测量法相类似。 FJ 检测在输出电流波形 (不是每个周期 )中加入死区，频率按照预先设置的模式振动。例如，在第四个周期加入死区，正常情况下，逆变器电流引起频率突变，但是电网阻止其波动。孤岛形成后， FJ 通过对频率加入偏差，检测逆变器输出电压频率的振动模式是否符合预先设定的振动模式来检测孤岛现象是否发生。这种检测方法的优点是：如果振动模式足够成熟，使用单台逆变器工作时， FJ 防止孤岛现象的发生是有效的，但是在多台逆变器运行的情况下，如果频率偏移方向不相同，会降低孤岛检测的效率和有效性。三、其他方法孤岛效应检测除了上述普遍采用的被动法和主动法，还有一些逆变器外部的检测方法。如“网侧阻抗插值法”，该方法是指电网出现故障时在电网负载侧自动插入一个大的阻抗，使得网侧的阻抗突然发生显著变化，从而破坏系统功率平衡，造成电压、频率及相位的变化。 还有运用电网系统的故障信号进行控制。一旦电网出现故障，电网侧自身的监控系统就向光伏发电系统发出控制信号，以便能够及时切断分布式能源系统与电网的并联运行。PV-RLC 防孤岛测试负载根据国家新能源光伏并网逆变器防孤岛保护试验的相关测试要求专门研发的一款测试设备。 PV-RLC 防孤岛测试负载满足：中国的《孤岛防护国家标准草案》、 IEEE 1547.1-2005 《带电力系统的设备互连配电资源的合格试验程序》、 VDE0126-1-1 《德国标准 -发电机和公共低压网之间的自动开关设备》、 IEC 62116-2008 《并网连接式光伏逆变器孤岛防护措施测试方法》、 AS_4777.3-2005 《能源系统通过逆变器并网第 3 部分电网保护要求》中文版、 G83-1-1 英国认证标准、 UL1741-2010 美国认证标准、 DK5940 意大利认证标准，同时满足中国金太阳认证的标准。中国金太阳认证的标准 CGC/GF001 ： 2010 《并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法》要求。防孤岛效应保护方案和被动式防孤岛保护方案。防孤岛效应保护试验：验中负载消耗的有功功率、无功功率与额定值的偏差百分比（ %）图 1 防孤岛效应保护试验平台图 1 给出了防孤岛效应保护试验平台， K1 为被测逆变器的网侧分离开关， K2 为被测逆变器的负载分离开关。负载采用可变 RLC 谐振电路，谐振频率为被测逆变器的额定频率（ 50/60Hz ），其消耗的有功功率与被测逆变器输出的有功功率相当。试验应在表 5 规定的条件下进行。注：由于电网从逆变器吸收有功功率和无功功率的不确定性，该项试验使用实际电网比模拟电网更具有说服力。表 1 防孤岛效应保护的试验条件条件被测逆变器的输出功率 PEUT 被测逆变器的输入电压 a 被测逆变器跳闸设定值A 100% 额定交流输出功率 >直流输入电压范围的 90% 制造商规定的电压和频率跳闸值B 66% 额定交流输出功率直流输入电压范围的50%± 10% 设定电压和频率跳闸值为额定值C 33% 额定交流输出功率 <直流输入电压范围的 10% 设定电压和频率跳闸值为额定值a 若直流输入电压范围为 X～ Y，则（直流输入电压范围的 90% ） =X+0.9* （ Y-X ）。试验步骤如下：a）闭合 K1 ，断开 K2 ，启动逆变器。通过调节直流输入源，使逆变器的输出功率 PEUT 等于额定交流输出功率，并测量逆变器输出的无功功率 QEUT ；b）使逆变器停机，断开 K1；c）通过以下步骤调节 RLC 电路使得 Qf=1.0 ± 0.05 ；① RLC 电路消耗的感性无功满足关系式：QL=Qf*PEUT=1.0*PEUT ；②接入电感 L，使其消耗的无功等于 QL；③并入电容 C，使其消耗的容性无功满足关系式： QC+QL=- QEUT ；④最后并入电阻 R，使其消耗的有功等于 PEUT 。d）闭合 K2 接入 RLC 电路，闭合 K1 ，启动逆变器，确认其输出功率符合步骤 a）的规定。调节 R、 L、 C，直到流过 K1 的基频电流小于稳态时逆变器额定输出电流的 1% ；e）断开 K1 ，记录 K1 断开至逆变器输出电流下降并维持在额定输出电流的 1% 以下之间的时间；f）调节有功负载（电阻 R）和任一无功负载（ L 或 C）以获得表 6 中阴影部分参数表示的负载不匹配状况；表 6 中的参数表示的是偏差的百分比，符号表示的是图 2 中流经开关 K1 的有功功率流和无功功率流的方向，正号表示功率流从逆变器到电网；每次调节后，都应记录 K1 断开至逆变器输出电流下降并维持在额定输出电流的 1% 以下之间的时间； 若记录的时间有任何一项超过步骤 e） 中记录的时间， 则表 6 中非阴影部分参数也应进行试验；g）对于试验条件 B 和 C，调节任一无功负载（ L 或 C），使之按表 7 的规定每次变化 1% 。表 7 中的参数表示的是图 2 中流经开关 K1 的无功功率流的方向，正号表示功率流从逆变器到电网；每次调节后，记录K1 断开至逆变器输出电流下降并维持在额定输出电流的 1%以下之间的时间；若记录的时间呈持续上升趋势，则应继续以 1% 的增量扩大调节范围，直至记录的时间呈下降趋势。h）以上步骤中记录的时间都应符合 5.5.1.3 的规定，否则即判定试验不通过。表 2 试验条件 A 情况下的负载不匹配状况试验中负载消耗的有功功率、无功功率与额定值的偏差百分比（ %）-10 ， +10 -5， +10 0， +10 +5 +10， +10 -10 ， +5 -5， +5 0， +5 +5， +5 +10， +5 -10 ， 0 -5， 0 +5， 0 +10， 0 -10 ， -5 -5， -5 0， -5 +5， -5 +10， -5 -10 ， -10 -5， -10 0， -10 +5， -10 +10， -10 表 3 试验条件 B 和试验条件 C 情况下的负载不匹配状况验中负载消耗的有功功率、无功功率与额定值的偏差百分比（ %）0， -5 0， -4 0， -3 0， -2 0， -1 0， 1 0， 2 0， 3 0， 4 0， 5 周璇 15889357387