1、光伏發電系統中的低電壓穿越以及孤島效應簡述匯報人：邵康日 期：2017.12.15 電壓跌落電壓跌落電壓跌落，是指電力系統中電壓有效值出現下降并持續一段時間的一種現象。目前，世界范圍內還沒有形成對電壓跌落的一致定義，各種定義的分歧主要存在于電壓有效值跌落的深度以及電壓有效值跌落的持續時間上。國際電氣與電子工程師協會(IEEE)將電壓跌落定義為：電力系統中電壓有效值迅速下降到額定值的1090，持續時間為10毫秒至幾秒鐘；國際電工委員會(IEC)將電壓跌落定義為：電力系統中電壓有效值迅速下降到額定值的190，持續時間為10毫秒至1分鐘。電網故障大電機啟動電機再加速低電壓穿越的概念和必要性 低電壓穿

2、越低電壓穿越(Low voltage ride through)，最早出現于風力發電領域，其規定當風力發電設備與電網的公共連接點處的電壓因為電網故障而發生跌落時，在一定時間內風力發電設備需要繼續保持與電網的連接，此外還需要向電網輸送一定量的無功(具體的無功發出量由公共連接點處電壓的跌落深度決定)，從而對電網電壓起到支撐的作用。近些年來，光伏并網發電技術突飛猛進，大型光伏電站建設規模與日俱增，低電壓穿越規則的應用領域也不斷擴展，很多國家都提出了適用于本國電力系統的大型光伏電站的低電壓穿越規則 。光伏并網發電系統中低電壓穿越(Low Voltage Ridethrough，LVRT)技術，指在光伏

3、陣列并網點電壓跌落的時候，光伏陣列能夠保持并網，甚至向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間(區域)。 光伏并網變流器實施被動式自我保護而立即解列，并不考慮故障的持續時間和嚴重程度，這樣能最大限度的保障并網變流器的安全，在光伏發電的電網穿透率較低時是可以接受的。然而，當光伏發電在電網中占有較大比重時，若并網變流器在電網故障時仍采取被動保護式解列，則會增加整個系統的恢復難度，甚至可能加劇故障，最終導致系統中其它光伏并網機組全部解列，甚至可能導致電網癱瘓。風電脫網事故三相短路引起，故障導致系統電壓大幅跌落，750 kV敦煌變330 kV母線電壓最低跌至2

4、67 kV(0735 pu)，其中低于08pu持續時間20 ms，在此期間因機組不具備LVRT而脫網274臺，共損失出力37713 MW。224事故風機集中脫網嚴重影響了電網電壓和頻率的穩定，造成短時間內局部電網指標大幅波動，直接威脅到電網整體安全穩定運行。類似酒泉 “425”事件起因是由于電網故障造成330 kV變電站部分失壓，直接影響風機533臺，甩出力479MW，但由于風電自身繼電保護、變流器故障、無功補償和高電壓穿越等問題造成風機擴大停運745臺，加重甩出力10562 MW，導致西北電網頻率最低至49765 Hz，遠較直接原因嚴重。425事故2011年，酒泉各風電場共發生電氣設備故障3

5、5起，其中電纜頭故障造成集電線路跳閘21次，保護插件故障造成設備跳閘或斷路器拒動5次，其他故障9次。特別是連續發生大規模風機脫網事故四起，“224”、“43”、“417”、“425”事故 ，分別導致598、400、702和1278臺風電機組脫網。低電壓穿越標準我國的光伏發電技術逐年提高，大型光伏電站建設規模也逐年擴大，為了確保我國電力系統的安全穩定運行，制定了適用于我國的大型光伏電站低電壓穿越標準一一光伏發電站接入電力系統GBT199642012技術規定。 左圖所示為并網點電壓出現跌落時，低電壓穿越對光伏電站無功發出量的要求。如圖所示，在電網故障時，為了支持電網電壓的恢復，光伏電站需要發出一定

6、量的無功，無功發出量與并網點電壓跌落深度直接相關。30ms美國加拿大德國丹麥各國低電壓穿越的標準基本電壓跌落檢測方法有效值計算法峰值算法離散傅里葉算法計算并網點電壓的幅值就是計算并網點電壓的峰值。 電網發生故障導致光伏電站并網點電壓跌落后，為了實現光伏電站的低電壓穿越，需要對光伏電站并網點處的電壓跌落深度進行快速準確地檢測，這是幾種基本的電壓跌落檢測方法。 N是每個電壓有效值計算時間段內采樣點的個數，電壓有效值計算時間段為電壓半周期的整數倍。j表示電壓有效值計算時間段是可以移動的，即可以以任何時刻作為電壓有效值計算的起始時刻。Vi是電壓有效值計算時間段內的第f個采樣電壓值。值得一提的是，在電壓

7、有效值計算時間段為確定值時，N越大，得到的并網點電壓有效值越精確。V（t）為實時采樣的電壓值，t為采樣時段且為半個基波周期的整倍， 代表采樣時段內的采樣時刻。電壓幅值等于采樣時段內采樣電壓的最大值。該方法可以在半個電壓周期內計算出電壓幅值 。平方運算，然后相加，得到最后，將所得結果進行開方運算后即可得到電壓幅值。該方法需要四分之一電壓周期的延時來獲得電壓幅值，同時計算步驟較多(包含平方與開方運算)，當并網點電壓出現畸變時，畸變將被計算步驟放大，嚴重影響并網點電壓幅值的計算精確度。電壓信號可以用離散傅里葉原理表示為：n為1時可得基波參數為：低電壓穿越基于儲能設備的方法 基于無功補償設備的方法 基

8、于無功電流電壓支撐的控制策略 基于儲能設備的方法是通過增加硬件設備來實現LVRT的，其拓撲結構如左圖所示，儲能設備選用超級電容器。實現LVRT的原理是：正常情況下，電網給電容充電；當電壓發生跌落時，電容反過來放電給并網點提供能量，支撐并網點電壓，保證逆變器繼續并網運行。通過采取這種方法，并網逆變器輸出的電能質量將得到明顯改善?；跓o功補償設備的方法也是通過增加硬件來實現LVRT的。光伏電站并網點電壓受多種因素影響易發生波動，并網點電壓出現瞬間跌落的情況時，光伏電站自身不具備瞬時電壓支撐的能力，接入無功補償設備能使得并網逆變器輸出電壓基本恒定，可以抑制并網點處母線電壓波動，顯著提高光伏電站各母線

9、電壓，提升光伏電站低電壓穿越能力。無功補償設備可以是靜止無功補償器(SVC)，也可以是動態無功補償器(SVG)，兩者相比較，SVC的動態性能雖不如SVG，但仍能滿足運行要求。在電網電壓發生瞬間平衡跌落時，由于并網逆變器所能承受的過電流能力為11 pu，在不超過并網運行最大電流范圍前提下，為確保向電網最大程度上的注入有功功率以提供負載運行條件，根據電網電壓跌落深度的不同，逆變系統將會對有功、無功功率分進重新行配。最終，通過向電網輸送一定的無功功率，以達到支撐電網電壓恢復的目的。孤島效應近年來，隨著新能源發電技術的快速發展，以光伏電站為代表的新能源并網發電系統的建設規模與并網規模都與日俱增，這是對

10、電力系統的有補充，但是也對電力系統提出了新的要求，孤島檢測就是其中一個很重要的方面。孤島(孤島效應)，是指因為大電網發生故障或停電檢修時，如左下圖所示的光伏電站與大電網斷開連接，即斷路器跳開，但光伏電站沒有檢測出自身已經與大電網斷開了連接而停止發電，從而形成了一個由光伏電站向附近負載供電的“孤島” 。計劃孤島是指充分考慮光伏電站與所連接的大電網的后，事先確定光伏電站與大電網斷開連接的具體置與斷開連接的持續時間。計劃孤島對于光伏電站來講，可以保證光伏電站對太陽能等能源的利用率，同時保證光伏電站的安全穩定運行與工作人員的安全：計劃孤島對于大電網來講，可以確保大電網的穩定運行，保證大電網的電能質量處

11、于一個較高的水平。非計劃孤島是指光伏電站并網發電時，因為自然因素、人為因素或設備因素導致故障的發生，從而引起光伏電站與大電網間的斷路器跳開，光伏電站失去與大電網的連接，獨立向附近負載供電。光伏電站與大電網斷開連接的具體位置不是事先確定的，具有非計劃性與隨機性。(a)自然原因，譬如雷電與大風等極端天氣條件，有可能會導致光伏電站非計劃孤島的發生。 (b)人為原因，譬如工作人員的不規范操作，有可能會導致非計劃孤島的發生。(c)設備原因，大電網中的設備出現故障也會導致非計劃孤島的發生。(d)當大電網中出現故障，光伏電站與大電網間的斷路器跳開，光伏電站并未檢測到該斷路器的跳開，也是非計劃孤島發生的一個原

12、因。 光伏電站計劃孤島的發生原因是根據需要有計劃地斷開光伏電站與大電網的連接，而光伏電站非計劃孤島發生的原因可以歸納為以下幾點：非計劃孤島的發生會產生一系列危害：(a)嚴重影響電能質量，當光伏電站失去與大電網的連接后，并網鎖相環將失去作用，即無法控制光伏電站所輸出電能的頻率與電壓幅值，這可能會對輸電線路與用電負載造成損害。(b)危害工作人員的安全。當非計劃孤島發生后，光伏電站與大電網間的斷路器跳開，理論上不應帶電的輸電線路將會帶電，這對工作人員的安全構成威脅。(c)恢復并網時對設備產生危害。當非計劃孤島發生后，光伏電站與大電網間的連接斷開，之后由于鎖相環失去作用，光伏電站與大電網的運行頻率與相

13、角都會出現偏差，恢復并網后會出現較大的沖擊電流，可能對光伏電站組件和光伏電站附近的負載造成損害。(d)重合閘的失效。因為故障原因光伏電站與大電網間的斷路器跳開后，光伏電站與大電網會失去同步，自動重合閘操作會失效。孤島效應原因及危害孤島檢測的原理左圖可以作為光伏電站孤島檢測的原理示意圖，光伏電站與電網正常運行時，由光伏電站與電網共同向負載供電。當斷路器跳開，光伏電站處于孤島狀態，單獨向負載供電。孤島檢測的原理是檢測PCC點的各電氣量是否超越其正常范圍。如果電氣量超過了正常范圍，則判定孤島發生。用于光伏電站孤島檢測的常用電氣量為并網點(PCC點)電壓幅值與頻率。 正常運行：孤島運行：典型孤島檢測方法典型孤島檢測方法遠程孤島檢測本地孤島檢測傳輸斷路器跳閘信號法電力線路載波通信法阻抗插入法被動孤島檢測主動孤島檢測過欠電壓孤島檢測法過欠頻率孤島檢測法諧波孤島檢測法電壓相角突變孤島檢測法其他被動孤島檢測法（電壓不平衡度、幅值變化率等）阻抗測量法有源頻率偏移法帶有正反饋的有源頻率偏移法滑模頻率偏移法輸出功率擾動法光伏電站孤島檢測的方法很多，其中一部分方法存在無法檢測光伏電站的孤島狀態的情況，即存在盲區。低電壓與孤島檢測近年來，隨著