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光伏发电系统中的低电压穿越以及孤岛效应简述电压跌落电压跌落电压跌落，是指电力系统中电压有效值出现下降并持续一段时间的一种现象。目前，世界范围内还没有形成对电压跌落的一致定义，各种定义的分歧主要存在于电压有效值跌落的深度以及电压有效值跌落的持续时间上。国际电气与电子工程师协会(IEEE)将电压跌落定义为：电力系统中电压有效值迅速下降到额定值的10％~90％，持续时间为10毫秒至几秒钟；国际电工委员会(IEC)将电压跌落定义为：电力系统中电压有效值迅速下降到额定值的1％~90％，持续时间为10毫秒至1分钟。①电网故障②大电机启动③电机再加速低电压穿越的概念和必要性低电压穿越低电压穿越(Lowvoltageridethrough)，最早出现于风力发电领域，其规定当风力发电设备与电网的公共连接点处的电压因为电网故障而发生跌落时，在一定时间内风力发电设备需要继续保持与电网的连接，此外还需要向电网输送一定量的无功(具体的无功发出量由公共连接点处电压的跌落深度决定)，从而对电网电压起到支撑的作用。近些年来，光伏并网发电技术突飞猛进，大型光伏电站建设规模与日俱增，低电压穿越规则的应用领域也不断扩展，很多国家都提出了适用于本国电力系统的大型光伏电站的低电压穿越规则。光伏并网发电系统中低电压穿越(LowVoltageRide—through，LVRT)技术，指在光伏阵列并网点电压跌落的时候，光伏阵列能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。光伏并网变流器实施被动式自我保护而立即解列，并不考虑故障的持续时间和严重程度，这样能最大限度的保障并网变流器的安全，在光伏发电的电网穿透率较低时是可以接受的。然而，当光伏发电在电网中占有较大比重时，若并网变流器在电网故障时仍采取被动保护式解列，则会增加整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，最终导致系统中其它光伏并网机组全部解列，甚至可能导致电网瘫痪。风电脱网事故三相短路引起，故障导致系统电压大幅跌落，750kV敦煌变330kV母线电压最低跌至267kV(0．735pu)，其中低于0．8pu持续时间20ms，在此期间因机组不具备LVRT而脱网274台，共损失出力377．13MW。2·24事故风机集中脱网严重影响了电网电压和频率的稳定，造成短时间内局部电网指标大幅波动，直接威胁到电网整体安全稳定运行。类似酒泉“4·25”事件起因是由于电网故障造成330kV变电站部分失压，直接影响风机533台，甩出力479MW，但由于风电自身继电保护、变流器故障、无功补偿和高电压穿越等问题造成风机扩大停运745台，加重甩出力1056．2MW，导致西北电网频率最低至49．765Hz，远较直接原因严重。4·25事故2011年，酒泉各风电场共发生电气设备故障35起，其中电缆头故障造成集电线路跳闸21次，保护插件故障造成设备跳闸或断路器拒动5次，其他故障9次。特别是连续发生大规模风机脱网事故四起，“2·24”、“4·3”、“4·17”、“4·25”事故，分别导致598、400、702和1278台风电机组脱网。低电压穿越标准我国的光伏发电技术逐年提高，大型光伏电站建设规模也逐年扩大，为了确保我国电力系统的安全稳定运行，制定了适用于我国的大型光伏电站低电压穿越标准一一光伏发电站接入电力系统GB／T19964—2012技术规定。左图所示为并网点电压出现跌落时，低电压穿越对光伏电站无功发出量的要求。如图所示，在电网故障时，为了支持电网电压的恢复，光伏电站需要发出一定量的无功，无功发出量与并网点电压跌落深度直接相关。30ms美国加拿大德国丹麦各国低电压穿越的标准基本电压跌落检测方法有效值计算法峰值算法离散傅里叶算法计算并网点电压的幅值就是计算并网点电压的峰值。电网发生故障导致光伏电站并网点电压跌落后，为了实现光伏电站的低电压穿越，需要对光伏电站并网点处的电压跌落深度进行快速准确地检测，这是几种基本的电压跌落检测方法。N是每个电压有效值计算时间段内采样点的个数，电压有效值计算时间段为电压半周期的整数倍。j表示电压有效值计算时间段是可以移动的，即可以以任何时刻作为电压有效值计算的起始时刻。V[i]是电压有效值计算时间段内的第f个采样电压值。值得一提的是，在电压有效值计算时间段为确定值时，N越大，得到的并网点电压有效值越精确。V（t）为实时采样的电压值，t为采样时段且为半个基波周期的整倍，代表采样时段内的采样时刻。电压幅值等于采样时段内采样电压的最大值。该方法可以在半个电压周期内计算出电压幅值。𝜏平方运算，然后相加，得到最后，将所得结果进行开方运算后即可得到电压幅值。该方法需要四分之一电压周期的延时来获得电压幅值，同时计算步骤较多(包含平方与开方运算)，当并网点电压出现畸变时，畸变将被计算步骤放大，严重影响并网点电压幅值的计算精确度。电压信号可以用离散傅里叶原理表示为：n为1时可得基波参数为：低电压穿越①基于储能设备的方法②基于无功补偿设备的方法③基于无功电流电压支撑的控制策略基于储能设备的方法是通过增加硬件设备来实现LVRT的，其拓扑结构如左图所示，储能设备选用超级电容器。实现LVRT的原理是：正常情况下，电网给电容充电；当电压发生跌落时，电容反过来放电给并网点提供能量，支撑并网点电压，保证逆变器继续并网运行。通过采取这种方法，并网逆变器输出的电能质量将得到明显改善。基于无功补偿设备的方法也是通过增加硬件来实现LVRT的。光伏电站并网点电压受多种因素影响易发生波动，并网点电压出现瞬间跌落的情况时，光伏电站自身不具备瞬时电压支撑的能力，接入无功补偿设备能使得并网逆变器输出电压基本恒定，可以抑制并网点处母线电压波动，显著提高光伏电站各母线电压，提升光伏电站低电压穿越能力。无功补偿设备可以是静止无功补偿器(SVC)，也可以是动态无功补偿器(SVG)，两者相比较，SVC的动态性能虽不如SVG，但仍能满足运行要求。在电网电压发生瞬间平衡跌落时，由于并网逆变器所能承受的过电流能力为1．1pu，在不超过并网运行最大电流范围前提下，为确保向电网最大程度上的注入有功功率以提供负载运行条件，根据电网电压跌落深度的不同，逆变系统将会对有功、无功功率分进重新行配。最终，通过向电网输送一定的无功功率，以达到支撑电网电压恢复的目的。孤岛效应近年来，随着新能源发电技术的快速发展，以光伏电站为代表的新能源并网发电系统的建设规模与并网规模都与日俱增，这是对电力系统的有补充，但是也对电力系统提出了新的要求，孤岛检测就是其中一个很重要的方面。孤岛(孤岛效应)，是指因为大电网发生故障或停电检修时，如左下图所示的光伏电站与大电网断开连接，即图断路器跳开，但光伏电站没有检测出自身已经与大电网断开了连接而停止发电，从而形成了一个由光伏电站向附近负载供电的“孤岛”。计划孤岛是指充分考虑光伏电站与所连接的大电网的后，事先确定光伏电站与大电网断开连接的具体置与断开连接的持续时间。计划孤岛对于光伏电站来讲，可以保证光伏电站对太阳能等能源的利用率，同时保证光伏电站的安全稳定运行与工作人员的安全：计划孤岛对于大电网来讲，可以确保大电网的稳定运行，保证大电网的电能质量处于一个较高的水平。非计划孤岛是指光伏电站并网发电时，因为自然因素、人为因素或设备因素导致故障的发生，从而引起光伏电站与大电网间的断路器跳开，光伏电站失去与大电网的连接，独立向附近负载供电。光伏电站与大电网断开连接的具体位置不是事先确定的，具有非计划性与随机性。(a)自然原因，譬如雷电与大风等极端天气条件，有可能会导致光伏电站非计划孤岛的发生。(b)人为原因，譬如工作人员的不规范操作，有可能会导致非计划孤岛的发生。(c)设备原因，大电网中的设备出现故障也会导致非计划孤岛的发生。(d)当大电网中出现故障，光伏电站与大电网间的断路器跳开，光伏电站并未检测到该断路器的跳开，也是非计划孤岛发生的一个原因。光伏电站计划孤岛的发生原因是根据需要有计划地断开光伏电站与大电网的连接，而光伏电站非计划孤岛发生的原因可以归纳为以下几点：非计划孤岛的发生会产生一系列危害：(a)严重影响电能质量，当光伏电站失去与大电网的连接后，并网锁相环将失去作用，即无法控制光伏电站所输出电能的频率与电压幅值，这可能会对输电线路与用电负载造成损害。(b)危害工作人员的安全。当非计划孤岛发生后，光伏电站与大电网间的断路器跳开，理论上不应带电的输电线路将会带电，这对工作人员的安全构成威胁。(c)恢复并网时对设备产生危害。当非计划孤岛发生后，光伏电站与大电网间的连接断开，之后由于锁相环失去作用，光伏电站与大电网的运行频率与相角都会出现偏差，恢复并网后会出现较大的冲击电流，可能对光伏电站组件和光伏电站附近的负载造成损害。(d)重合闸的失效。因为故障原因光伏电站与大电网间的断路器跳开后，光伏电站与大电网会失去同步，自动重合闸操作会失效。孤岛效应原因及危害孤岛检测的原理左图可以作为光伏电站孤岛检测的原理示意图，光伏电站与电网正常运行时，由光伏电站与电网共同向负载供电。当断路器跳开，光伏电站处于孤岛状态，单独向负载供电。孤岛检测的原理是检测PCC点的各电气量是否超越其正常范围。如果电气量超过了正常范围，则判定孤岛发生。用于光伏电站孤岛检测的常用电气量为并网点(PCC点)电压幅值与频率。正常运行：孤岛运行：典型孤岛检测方法典型孤岛检测方法远程孤岛检测本地孤岛检测①传输断路器跳闸信号法②电力线路载波通信法③阻抗插入法被动孤岛检测主动孤岛检测①过／欠电压孤岛检测法②过／欠频率孤岛检测法③谐波孤岛检测法④电压相角突变孤岛检测法⑤其他被动孤岛检测法（电压不平衡度、幅值变化率等）①阻抗测量法②有源频率偏移法③带有正反馈的有源频率偏移法④滑模频率偏移法⑤输出功率扰动法光伏电站孤岛检测的方法很多，其中一部分方法存在无法检测光伏电站的孤岛状态的情况，即存在盲区。低电压与孤岛检测近年来，随着大型光伏电站建设规模的逐步扩大，各国都为之制定了一系列的标准与规范。其中，低电压穿越与孤岛检测是大型光伏电站并网准则的两项重点内容。当大型光伏电站处于孤岛状态时，执行低电压穿越操作是毫无意义的，同时可能会对设备与人员造成伤害。反之，当电网发生故障时，执行大型光伏电站的停机操作将无法满足低电压穿越的要求。因此要对电网故障造成的低电压状态与并网系统的孤岛状态进行准确而快速的区分，进而执行不同的操作，保护人员与设备安全。Thanks