CN104267300A - 一种光伏储能系统孤岛效应检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种光伏储能系统孤岛效应检测方法，并网光伏发电系统由光伏组件和逆变器组成，所述光伏组件经逆变器和断路器连接到公共电网，本地负载连接到逆变器和断路器之间的公共耦合点上，其特征在于：当电网断开时，若有功功率、无功功率都匹配，且满足条件：不进行检测孤岛效应检测；本发明的优点在于能够可靠、准确检测出孤岛效应，提高设备应变能力，避免误判断。

Description

一种光伏储能系统孤岛效应检测方法

技术领域

本发明涉及电力设备孤岛运行状态下的控制方法。

背景技术

孤岛效应是指当电网供电由于故障或者检修而中断时，各个用户端的分布式并网发电系统(例如光伏发电、风力发电、燃料电池发电等)未能及时检测出来而将自身切除公共用电网络，从而形成了由分布式发电系统和本地负载组成的一个自己供电的孤岛发电系统。孤岛效应的产生会对系统设备安全和相关人员的人身安全带来严重危害，因此在包含光伏并网发电系统在内的分布式发电系统中，并网发电装置应当具备孤岛检测和保护的能力。

在并网光伏发电系统中，基于并网逆变器的孤岛检测方法主要可以分为两种：被动孤岛检测和主动孤岛检测。被动孤岛检测主要根据系统孤岛后不正常的电压和频率等条件检测出来。这类方法只有在电源和负载不匹配程度较大时才能有效。此时电网已经存在故障，会对连接电网的设备造成损坏，因此需要一种灵敏度更高的检测孤网效应的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种在电网断开后，系统电压和频率就有可能没有显著变化时，能够精确检查出孤岛效应的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种光伏储能系统孤岛效应检测方法，并网光伏发电系统由光伏组件和逆变器组成，所述光伏组件经逆变器和断路器连接到公共电网，本地负载连接到逆变器和断路器之间的公共耦合点上，其特征在于：当电网断开时，若有功功率、无功功率都匹配，且满足条件：

$1-\frac{U_2}{U_0}<\frac{P_G}{P_L}<1-\frac{U_1}{U_0}$

不进行检测孤岛效应检测；

其中U₀为孤岛形成前PCC点电压，PCC点电压正常范围为(U₁，U₂)，P_G为电网向负载提供的有功功率，P_L为负载消耗的有功功率

当电网断开时，若有功功率不匹配，无功功率匹配，此时ΔP＝P_G-P_L绝对值较大，在断网瞬间逆变器输出电压将会有较大幅度的变化，当|ΔP|>20％时，根据过/欠压检测方法检测出孤岛效应。

当电网断开时，若无功功率不匹配，有功功率匹配，此时ΔQ＝Q_G-Q_L绝对值较大，在断网瞬间逆变器输出电压频率ω将会有较大幅度的变化，当|ΔQ|>5％时，根据过/欠频检测方法检测出孤岛效应。

本发明的优点在于能够简单、可靠、准确检测出孤岛效应，提高设备应变能力，避免误判断。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为孤岛检测原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，并网光伏发电系统由光伏组件和逆变器组成，该发电系统通过一个断路器连接到公共电网。由于中间无变压器，故该系统为非隔离系统。本地负载采用并联RLC电路来模拟。逆变器、负载以及断路器共同连接到一点上，即公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)。假设逆变器向负载提供的有功功率、无功功率分别为P_D、Q_D；电网向负载提供的有功功率、无功功率分别为P_G、Q_G；负载消耗的有功功率、无功功率分别为P_L、Q_L。

当系统并网运行时，存在以下关系式：

P_L＝P_D+P_G    (1)

Q_L＝Q_D+Q_G    (2)

其中： $P_L=\frac{{V_{\mathrm{PCC}}}^2}{R}---\left(3\right)$

$Q_L=\frac{{V_{\mathrm{PCC}}}^2}{(1/\mathrm{\&omega;L}-\mathrm{\&omega;C})}---\left(4\right)$

当电网断开时，由于一般情况下光伏发电系统的输出功率和负载消耗功率之间存在巨大差异，所以会导致系统的电压和频率发生较大变化，因而通过检测系统电压和频率可以很容易检测到孤岛效应。但是如果光伏发电系统的输出功率和负载消耗功率之差很小，那么在电网断开后系统电压和频率就有可能没有显著变化而导致无法检测出孤岛效应。下面对三种不同的功率情况加以说明：

1、有功功率不匹配，无功功率基本匹配：如果光伏发电系统输出有功功率和负载所需有功功率不匹配，即ΔP＝P_G-P_L绝对值较大时，在断网瞬间由式(3)可知，逆变器输出电压将会有较大幅度的变化。根据IEEE Std.929-2000标准孤岛测试模型，电压允许的波动范围为0.88V_{PCC_rating}<V_PCC<1.10V_{PCC_rating}(V_{PCC_rating}为正常情况下PCC点电压)，根据计算可得，当|ΔP|>20％时，根据过/欠压检测很容易检测出孤岛效应，过/欠压检测方法为常规孤岛检测方法，此时可以准确检测出孤岛效应。

2、无功功率不匹配，有功功率基本匹配：如果光伏发电系统输出无功功率和负载所需无功功率不匹配，即ΔQ＝Q_G-Q_L绝对值较大时，在断网瞬间由式(4)可知，逆变器输出电压频率ω将会有较大幅度的变化。根据IEEE Std.929-2000，频率允许的波动范围为59.3～60.5Hz^[1]，当ΔP＝0，q＝2.5(q为并联负载品质因数时，根据计算可得，当|ΔQ|>5％时，根据过/欠频检测很容易检测出孤岛效应。此时也可以通过过/欠压检测方法准确检测出孤岛效应。

3、有功功率、无功功率都基本匹配，当|ΔP|<20％、|ΔQ|<5％时，此时可认为有功功率和无功功率都基本匹配，利用过/欠压和过/欠频检测都无法检测出孤岛效应，也就是被动式孤岛检测中出现的不可检测区域(Non-DetectionZone，NDZ)，通过在该不可检测区域不进行孤岛检测，而避免该区域检测数值对检测结果的干扰，为缩小这以范围，通过以下方法获得不可检测区域。

由于并网逆变器大多采用电流控制，即只控制并网的电流，所以在孤岛形成前后的两个稳定状态下，逆变器输出电流和它与PCC点电压之间的相位差都是不变的，即：I＝I₀，θ＝θ₀，式中：I和θ分别为孤岛形成后并达到稳定状态时并网电流和它与PCC点电位差，I₀和θ₀分别为I和θ对应的在孤岛形成前的稳定值。

一般并网逆变器都工作在单位功率因数条件下，从而相位差θ接近0。在电网正常情况下，在孤岛形成前有下式成立：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_0=\frac{P_L-P_G}{U_0\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&theta;}}_0}\\ {\mathrm{\&theta;}}_0\&ap;0\\ R=\frac{{U_0}^2}{P_L}\end{array}\right.---\left(4\right)$

而当电网断开，系统稳定工作在孤岛条件下，有：

U＝IRcosθ    (5)

式中：U₀为孤岛形成前PCC点电压；

U为孤岛形成后PCC点电压。

根据式(4)和(5)可得：

$U=U_0(1-\frac{P_G}{P_L})---\left(6\right)$

从上式可以看出，在孤岛发生瞬间，只要P_G≠0，那么PCC点电压就会发生变化。假设PCC点电压正常范围为(U₁，U₂)，则当孤岛后PCC点电压在此范围内时，过/欠压孤岛检测方法就会失效。综上，过/欠压孤岛检测方法的非检测区NDZ为：

$1-\frac{U_2}{U_0}<\frac{P_G}{P_L}<1-\frac{U_1}{U_0}$

由于这一区域范围很小，这样既能简化检测程序，又提高检测可靠性，也能避免错误判断对系统的影响。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光伏储能系统孤岛效应检测方法，并网光伏发电系统由光伏组件和逆变器组成，所述光伏组件经逆变器和断路器连接到公共电网，本地负载连接到逆变器和断路器之间的公共耦合点上，其特征在于：当电网断开时，若有功功率、无功功率都匹配，且满足条件： 

不进行检测孤岛效应检测； 

其中U₀为孤岛形成前PCC点电压，PCC点电压正常范围为(U₁，U₂)，P_G为电网向负载提供的有功功率，P_L为负载消耗的有功功率。 

2.根据权利要求1所述的光伏储能系统孤岛效应检测方法，其特征在于：当电网断开时，若有功功率不匹配，无功功率匹配，此时ΔP＝P_G-P_L绝对值较大，在断网瞬间逆变器输出电压将会有较大幅度的变化，当|ΔP|>20％时，根据过/欠压检测方法检测出孤岛效应。 

3.根据权利要求1所述的光伏储能系统孤岛效应检测方法，其特征在于：当电网断开时，若无功功率不匹配，有功功率匹配，此时ΔQ＝Q_G-Q_L绝对值较大，在断网瞬间逆变器输出电压频率ω将会有较大幅度的变化，当|ΔQ|>5％时，根据过/欠频检测方法检测出孤岛效应。