光伏并網孤島效應產生特性與控制

甘家梁，李志敏，談懷江

(湖北工程學院計算機與信息科學學院，湖北 孝感 432100)

0 引 言

隨著光伏發(fā)電技術的飛速發(fā)展，為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉換效率達到最高、安全性能達到最佳,人們一直在探索研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點的跟蹤、并網逆變器的控制策略的選擇、如何預防孤島現象產生這三個關鍵問題的最優(yōu)解決方案.其中如何預防孤島現象產生，直接關系到電網的安全穩(wěn)定運行，得到大家的廣泛關注和研究.

所謂孤島效應是指當電網由于電氣故障、誤操作或者自然因素中斷供電時，與公共電網相聯(lián)的各個分布式的光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制檢測系統(tǒng)不能及時有效地檢測出停電現象將自身脫離電網，造成光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨給某個區(qū)域內的負載供電，形成電力部門不可控的“孤島”.該現象的發(fā)生會造成電網電壓和頻率超出允許的范圍、降低電網的安全標準，這樣會給“孤島”上的用電設備和檢修人員造成較大的安全隱患.所以，研究孤島檢測方法及控制策略，具有十分重要的現實意義[1-5].

1 孤島現象產生的機理分析

在實際的系統(tǒng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)所帶負載可以用RLC并聯(lián)電路模擬.假設負載接入點(也是公共耦合監(jiān)測點)的端電壓和頻率為U和f，輸出的有功和無功功率用PPV和QPV表示；負載所吸收的有功和無功功率用PL和QL表示；ΔP和ΔQ代表光伏系統(tǒng)與負載之間的功率偏差，則光伏發(fā)電系統(tǒng)并網的等效電路[6]如圖1 所示

圖1 光伏系統(tǒng)并網等效電路Fig.1 Equivalent circuit of grid-connected photovoltaics system

根據圖1，如果光伏并網系統(tǒng)在斷電前和斷電后輸出的有功和無功功率是不變的，則產生孤島效應后，孤島的電壓和頻率由光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的輸出能量和負載所需能量是否平衡確定.當光伏發(fā)電系統(tǒng)并網工作時，即S1和S2閉合，則下列方程式成立：

PPV=PL+ΔP

(1)

QPV=QL+ΔQ

(2)

(3)

(4)

當電網斷電后，形成供電“孤島”，即S1閉合，S2斷開，此時有：

(5)

(6)

由式(1)～(6)可以得到：

(7)

(8)

分析式(7)和(8)，可以得到以下結論：光伏系統(tǒng)并網正常運行時，負載端電壓是不受光伏發(fā)電系統(tǒng)并網逆變器輸出電壓的影響，而是受公共電網電壓的箝制.當電網發(fā)生異?，F象時，一旦逆變器輸出的功率和負載的需求不匹配，如果引起光伏系統(tǒng)輸出到電網的有功和無功功率產生較大的變化，將導致負載的電壓和頻率發(fā)生變化，電壓幅值和頻率超過限定值，檢測系統(tǒng)很容易檢測出孤島產生，控制系統(tǒng)及時將逆變器與電網切離，使光伏系統(tǒng)停止輸出電能.當光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與負載消耗功率平衡時，同時由RLC構成負載的諧振頻率與電網頻率f相同,此時并網逆變器的并網輸出電流為零，并網逆變器輸出功率與負載功率相等，此時孤島效應最難檢測，進入檢測盲區(qū)，造成光伏發(fā)電系統(tǒng)和負載組成的系統(tǒng)進入孤島運行狀態(tài)[7].

2 孤島效應的檢測方法

2.1 孤島效應的檢測方法的分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網的孤島檢測方法綜合起來可以分為被動檢測法、主動檢測法和基于通訊信道檢測法三大類[3,8-10].

被動檢測法又稱無源檢測法，是從光伏發(fā)電系統(tǒng)的角度檢測孤島效應.通過直接檢測并網公共耦合點(PCC)的電壓、頻率、相位或諧波等是否出現異常，以判斷孤島是否發(fā)生.若光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電量與孤島負載需求相差較大，必然會引起負載的功率及頻率在孤島發(fā)生后產生很大的變化，檢測設備很容易偵測到電網的信號波動，控制系統(tǒng)會及時將光伏逆變器與電網斷開.該方法簡單易行且不會對電網造成不良影響，但是當負載消耗的功率(有功和無功功率)與光伏系統(tǒng)逆變的輸出功率完全匹配時，被動檢測將出現較大的檢測盲區(qū)，而且需要比較長的檢測時間.為了解決被動檢測法有檢測盲區(qū)的問題，主動檢測法應運而生[6].

主動檢測法是一種有源檢測法，該方法是通過給并網逆變器的控制端施加電壓、頻率或相位等擾動信號，檢測受擾后并網逆變器輸出信號的變化來判斷是否發(fā)生孤島效應.此方法能夠準確地檢測孤島，但需要給逆變器輸出施加擾動，這必然會對并網電能質量造成不良影響.主動檢測法包括電壓正反饋法、主動相移法、主動頻移法等[6].

第三種檢測方法是基于計算機通信技術的檢測方法.該方法是在電網的一側安裝信號發(fā)生裝置，在由光伏發(fā)電系統(tǒng)組成的局域電網上安裝接收器，一旦公共電網供電發(fā)生意外，接收器根據接收信號的變化來確定發(fā)生了孤島現象，控制斷路器工作.該方法的特點是孤島檢測效果明顯，在正常的檢測范圍內沒有檢測盲區(qū)，對光伏并網逆變器輸出的電能質量沒有影響，對公用電網的暫態(tài)響應也無影響.而在某些情況下，基于電力載波通信的孤島檢測方法還會提高系統(tǒng)的運行特性，但對發(fā)送的信號要求高，性價比高[4].

2.2 基于頻率微小變化的功率平衡孤島檢測方法

防止光伏發(fā)電系統(tǒng)并網產生孤島現象的基本點和關鍵點是電網的斷電檢測.當負載所需功率與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率基本相近時，電網發(fā)生故障斷電后，負載的頻率和電壓變化很小，被動檢測法就會失效，形成了檢測盲區(qū).因此，筆者提出了一種基于頻率微小變化的功率平衡孤島檢測方法，通過對光伏并網逆變器的輸出進行主動干擾，擾動破壞逆變器輸出功率與負載功率之間的平衡,造成系統(tǒng)的頻率和電壓有明顯變化而檢測出孤島效應[8-9].

頻率微小變化的功率平衡孤島檢測方法具有很好的檢測效果.該方法的主要思想是當電網正常供電時逆變器與負載的輸出功率處于平衡狀態(tài)，逆變器輸出電流頻率為f+Δf；而當電網停電時功率平衡被打破，檢測到的頻率為逆變器輸出電流頻率而非電網電壓頻率，因而逆變器PWM調制波的控制下輸出電流頻率每個周期都會在原來基礎上增加Δf，形成輸出功率不平衡，使最終輸出頻率超出基準頻率上下波動的允許范圍，致使并網逆變器斷開，達到消除孤島效應的目的.該方法的優(yōu)點是多個并網逆變器之間是相互支持的,當擾動造成一個逆變器輸出功率的變化使電網頻率上升時,其它并網逆變器會檢測到相同的變化方向,擾動控制的結果會導致電網頻率進一步上升[8-9].

在檢測光伏并網電源與負載功率匹配型孤島時，必須使逆變器輸出電流的頻率有微小的不對稱，則構成控制逆變器PWM調制波的方程式[6-9]為：

(9)

式(9)中，當f=50 Hz、Δf=0時，其波形為一標準的正弦波.如果將這種微小不對稱的信號作為逆變器的控制信號(PWM)，則逆變器輸出電流波形也將出現同樣的微小的不對稱[9].設光伏系統(tǒng)并網電壓為：

VPV(t)=Vmsinωt

(10)

設逆變器輸出的并網電流與并網電壓相位前半周期相差為θ1，后半周期的相位差為θ2，則經過微小的不對稱PWM調制后，并網逆變器的輸出電流為：

(11)

由式(10)和(11)可以推導出并網逆變器的輸出功率為：

(12)

從式(12)可以得結論，在連續(xù)兩個半周期內，由于電流的微小不對稱，引起輸出的功率有變化.前半周期的功率變化量為：

ΔP(t)=ImVmcosθ1-ImVmcosθ2

(13)

后半周期功率變化量為：

ΔP(t)=ImVmcosθ2-ImVmcosθ1

(14)

歸納(13)和(14)式得到：

(15)

由(15)式得到結論，在兩個連續(xù)的前后半周期內，并網逆變器的輸出功率變化量產生正負交替規(guī)律性變化，這種變化可以用來檢測孤島反應.

假設公用電網系統(tǒng)用M表示，光伏發(fā)電系統(tǒng)和本地負載用N表示，那么M和N兩個子系統(tǒng)則構成一個完整的分布式光伏發(fā)電并網系統(tǒng).根據電力工程系統(tǒng)頻率調整和功率平衡的理論知識可以得出，M和N系統(tǒng)頻率偏移量和功率偏移量之間的關系：

ΔfM=kMΔPM,ΔfN=kNΔPN

式中：ΔPM、ΔPN是M和N兩個系統(tǒng)的功率偏移量，ΔfM、ΔfN是M和N兩個系統(tǒng)的頻率偏移量，kM、kN是功率的靜特性系數，并且kM?kN.

一旦光伏發(fā)電系統(tǒng)電能通過逆變器輸送至電網時，則其輸出頻率變化量和功率變化量之間的關系可以寫成如下形式：

(16)

由于公共電網的容量很大，kM?kN，功率的變化量很小，所以頻率的變化量也很小，約等于0.這時逆變器控制端的PWM調制波的微小不對稱信號，不會導致逆變器輸出不對稱電流對系統(tǒng)頻率產生影響.由于目前分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量都不大，而當電網發(fā)生斷電故障產生孤島效應后，供電功率發(fā)生突變，功率的變化對頻率的變化影響較為明顯，孤島系統(tǒng)N的頻率變化與功率變化就遵從關系式ΔfN=kNΔPN進行[4,9].

3 孤島效應的系統(tǒng)仿真實驗結果與分析

為了對頻率微小變化的功率平衡檢測法進行驗證,采用Matlab/powerlib搭建模型進行仿真測試.在模擬的孤島測試中, 采用并聯(lián)的RLC電路模擬發(fā)生孤島后的負載.圖2為孤島檢測仿真模型圖.光伏電池輸出的UPV=420 V，電網電壓為220 V、頻率為50 Hz，負載參數R=24 Ω、L=0.03 mH、C=220 μF.當系統(tǒng)的頻率擾動Δf=-0.2 Hz，門限頻率fmin=49 Hz、fmax=51 Hz，電網在0.3 s時斷電，仿真得到的并網輸出電壓VPV和電流i0與響應時間的波形如圖3所示，在0.375 s前并網逆變器自動脫離電網，達到檢測孤島效應目的.當頻率擾動Δf=-0.1 Hz，門限頻率fmin=49 Hz、fmax=51 Hz，電網在0.3 s時斷電，仿真得到的并網輸出電壓VPV和電流i0與響應時間的波形如圖4所示，在0.52 s前并網逆變器自動脫離電網.由此可知，該頻率微小變化的功率平衡孤島檢測法能較好達到檢測孤島效應的目的.

圖2 孤島效應檢測仿真模型Fig.2 Simulation model of island effects detection

圖3 Δf=-0.2 Hz時孤島檢測過程電流波形圖Fig.3 Current waveform of islanding detection at Δf=-0.2 Hz

圖4 Δf=-0.1 Hz時孤島檢測過程電流波形圖Fig.4 Current waveform of islanding detection at Δf=-0.1 Hz

4 結 語

本文分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網的孤島效應產生原理，對比分析了常用的各種光伏并網控制檢測孤島效應的特點,采用基于頻率微小變化的功率平衡的孤島檢測法來檢測孤島效應,并運用Matlab/Simulink仿真工具對該方案進行建模與仿真.仿真結果驗證了該孤島檢測方法的可行性,對分布式光伏并網系統(tǒng)檢測孤島效應的應用具有重要的指導意義.

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