光伏并網(wǎng)系統(tǒng)反孤島策略研究

王篤亭,李一丹

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)反孤島策略研究

王篤亭,李一丹

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

提出了不依賴光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基于以太網(wǎng)通信的反孤島策略,分析了局部反孤島策略的優(yōu)缺點。采用低端單片機控制以太網(wǎng)網(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)與以太網(wǎng)進行通信。分析表明,這種反孤島策略能夠有效克服局部反孤島策略存在的非檢測區(qū)和影響電能質(zhì)量的缺點,且檢測迅速可靠。

光伏并網(wǎng);孤島效應(yīng);反孤島策略;以太網(wǎng)通信

近年來,光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)及市場發(fā)生了很大的變化,開始由邊遠地區(qū)的離網(wǎng)發(fā)電逐步向城市的并網(wǎng)發(fā)電轉(zhuǎn)變[1]。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)直接將光伏陣列發(fā)出的電能逆變后饋送到電網(wǎng),對于通常系統(tǒng)工作時出現(xiàn)的功率器件過電流、過熱、電網(wǎng)過/欠電壓等故障狀態(tài),比較容易與軟件配合進行檢測、識別和處理。但是對于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而言,還有一種特殊的故障狀態(tài)需要檢測和處理,這就是所謂的孤島效應(yīng)。孤島效應(yīng)是當光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)的電力同時向某區(qū)域供電時,大電網(wǎng)由于某種原因停電,光伏并網(wǎng)系統(tǒng)沒有及時檢測到這種狀態(tài)而與電網(wǎng)斷開,獨立向其周圍負載供電,這樣就會形成一個電力公司無法控制的自給供電孤島[2]。本文提出了基于以太網(wǎng)通信的反孤島策略。

1 孤島效應(yīng)的檢測

1.1 孤島效應(yīng)檢測的必要性

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和公共電網(wǎng)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1所示,PCC(point of common coupling)為公共連接點。當斷路器閉合時,由電網(wǎng)和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一起向負載供電;當斷路器斷開時,公共電網(wǎng)斷電,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將繼續(xù)向負載供電,這樣就形成了孤島效應(yīng)。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of islanding effect of photovoltaic grid connected power system

孤島效應(yīng)會對整個配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶端的設(shè)備造成不利的影響[3]:

1) 孤島效應(yīng)能使一些被認為已經(jīng)與所有電源斷開的線路帶電,這會危害電力維修人員的生命安全。

2) 沒有大電網(wǎng)的支持,孤島供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有調(diào)頻調(diào)壓能力,會給用電負載設(shè)備正常運行帶來威脅。

3) 當電網(wǎng)供電恢復(fù)時,孤島系統(tǒng)被重新接入電網(wǎng),重合閘時系統(tǒng)中的分布式發(fā)電裝置與電網(wǎng)不同步,非同期并網(wǎng)將會產(chǎn)生浪涌電流,會引起再次跳閘或?qū)夥到y(tǒng)、負載和供電系統(tǒng)帶來不良影響。

4) 孤島效應(yīng)能導(dǎo)致故障不能清除,如接地故障或相間短路故障,從而會給電力設(shè)備造成損害,并且干擾電網(wǎng)正常供電系統(tǒng)的自動或手動恢復(fù)。

孤島效應(yīng)是一種脫離了電力管理部門監(jiān)控而獨立運行的狀態(tài),是不可控的高隱患狀態(tài),因此,光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置必須具備反孤島保護的功能,即具有檢測孤島效應(yīng)和及時與電網(wǎng)分斷的能力。

1.2 孤島效應(yīng)檢測的標準

根據(jù)專用標準IEEE Std 929-2000和UL174規(guī)定,所有并網(wǎng)逆變器都必須具有反孤島效應(yīng)的功能,同時這個標準給出了并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電后檢測孤島現(xiàn)象并將逆變器與電網(wǎng)斷開的時間限制[4],如表1所示。

表1 IEEE Std.929-2000允許的孤島效應(yīng)檢測時間

Tab.1 IEEE Std.929-2000 allows islanding detection time

狀態(tài)電壓頻率最大持續(xù)時間AU<0.5Unfn6周期B0.5Un≤U<0.88Unfn2sC0.88Un≤U<1.1Unfn正常運行D1.10Un≤U<1.37Unfn2sE1.37Un≤Ufn2sFUnf

注:Un和fn為電網(wǎng)額定電壓和額定頻率,U和f為電網(wǎng)斷電后的電壓和頻率

當發(fā)生孤島現(xiàn)象時,由不同的負載和分布式發(fā)電裝置組成孤島系統(tǒng),其運行情況可能有很大的不同,因此,反孤島方案必須能夠及時檢測出所有可能發(fā)生的不同形式和不同狀態(tài)的孤島效應(yīng),并立即斷開發(fā)電裝置與電網(wǎng)的連接。

1.3 撤除孤島的方式

由于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是孤島潛在的供電電源,只要撤出這個電源就可以避免孤島的存在。從電網(wǎng)和發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)考慮,可以從以下兩種方式來撤除孤島:一是通過關(guān)閉BOOST電路停止向逆變器提供有功功率,因為光伏電池是整個孤島的唯一電源,所以逆變器直流側(cè)電壓無法維持,最終停止向電網(wǎng)和負載供電;二是封鎖逆變器開關(guān)信號,等待電網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2 局部反孤島策略的優(yōu)缺點

常用的反孤島策略可以分為局部反孤島策略和基于通信的反孤島策略[5]?；谀孀兤鞯木植糠垂聧u策略主要分為兩類:一類是被動式反孤島策略,如不正常的電壓和頻率,相位檢測和諧波檢測等,這類方法只能在電源與負載不匹配程度較大時才有效;另一類是通過在控制信號中人為注入擾動成分,從而使相位或頻率偏移主動式反孤島策略,這種方法雖然使系統(tǒng)的反孤島能力得到了加強,但是仍然存在不可檢測區(qū)(NDZ),即當電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時,系統(tǒng)無法檢測到孤島的存在,另外,由于系統(tǒng)中注入了擾動,因此增加了系統(tǒng)的諧波,降低了供電電能質(zhì)量[6]。各種局部反孤島檢測方法優(yōu)缺點比較如表2所示。

3 基于通信的反孤島策略

基于通信的反孤島策略也叫開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測方法,即在電網(wǎng)側(cè)的各個監(jiān)測點監(jiān)測到電網(wǎng)斷電信號后,通過通信技術(shù),把斷電信號傳送到光伏并網(wǎng)逆變器的控制器,控制器使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。這種反孤島策略適用于各種光伏并網(wǎng)系統(tǒng),與并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的控制方式?jīng)]有關(guān)系。要實現(xiàn)這種基于通信的反孤島方案,首先要建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò),即斷電信號要有通信網(wǎng)絡(luò)才能傳送;其次通信速度要達到要求,即必須在規(guī)定的時間內(nèi)檢測到孤島效應(yīng),這主要是為了防止并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不同步的重合閘?？諝忾_關(guān)通常在0.5～1 s延時后重新合閘,反孤島方案必須在重合閘發(fā)生之前使并網(wǎng)發(fā)電裝置停止向孤島供電。

3.1 基于以太網(wǎng)通信的反孤島策略可行性分析

基于以太網(wǎng)通信的反孤島策略是把電網(wǎng)側(cè)的斷電信號通過以太網(wǎng)通信通知給光伏并網(wǎng)側(cè)的控制器,控制器在接收到斷電信號后,使相關(guān)斷路器跳閘,與電網(wǎng)脫離。

這種方案能夠?qū)嵤┑谋匾獥l件是在電網(wǎng)側(cè)和光伏側(cè)都有可接入的以太網(wǎng)。2013年8月,中國發(fā)布了“寬帶中國”戰(zhàn)略及實施方案,該方案指出:到2015年,城市光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要基本到達居民樓房,農(nóng)村寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要基本覆蓋村鄉(xiāng),城市和農(nóng)村家庭寬帶速度基本達到20 Mbps和4 Mbps,部分發(fā)達城市甚至要達到100 Mbps。寬帶建設(shè)高速發(fā)展,全國各地寬帶網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍逐年擴大,傳輸和接入能力不斷增強,寬帶通信技術(shù)的發(fā)展和普及為實現(xiàn)這個方案提供了有利條件。如果在電網(wǎng)側(cè)和光伏側(cè)都有可接入寬帶網(wǎng)絡(luò),不但成本低,而且可靠性高,通信速度快,實時性好。

表2 各種被動檢測方法優(yōu)缺點比較

3.2 系統(tǒng)的硬件接口設(shè)計

電網(wǎng)斷電信號的檢測,對于現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展來說很容易實現(xiàn)。另一個問題是斷電信號和以太網(wǎng)的接口如何實現(xiàn)。實現(xiàn)Internet接入的方案很多,目前有個人計算機網(wǎng)關(guān)加專用網(wǎng)的方案、EmWare公司提出的嵌入式系統(tǒng)入網(wǎng)方案(EMIT技術(shù))、集成了網(wǎng)絡(luò)控制器的微處理器方案、低端單片機加網(wǎng)卡芯片相結(jié)合的方案等[7-8]。這些方案中以“低端單片機加網(wǎng)卡芯片”的方案最為經(jīng)濟、簡單,這種方案的基本原理是用單片機加載TCP/IP協(xié)議,控制以太網(wǎng)網(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)與以太網(wǎng)通信,該方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖2所示。

圖2 單片機與以太網(wǎng)接口結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 MCU and Ethernet interface structure diagram

系統(tǒng)的硬件電路圖包括單片機、串口單元、存儲單元和網(wǎng)卡芯片單元。硬件系統(tǒng)的整體框圖如圖3所示。在硬件系統(tǒng)中單片機負責系統(tǒng)和網(wǎng)卡芯片RTL8019AS的初始化、檢測網(wǎng)絡(luò)連接情況和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)信號,控制網(wǎng)卡芯片RTL8019AS實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和接收、發(fā)送數(shù)據(jù)等,還負責將接收到的數(shù)據(jù)幀進行處理分類,把要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀進行分類打包。

圖3 硬件系統(tǒng)整體框圖

3.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

以太網(wǎng)芯片RTL8019AS采用IEEE802.3協(xié)議對數(shù)據(jù)包進行收發(fā),在發(fā)送數(shù)據(jù)時,單片機先按協(xié)議要求封裝數(shù)據(jù)包,然后寫入RTL8019AS的緩沖區(qū),再啟動發(fā)送數(shù)據(jù)的命令,這時RTL8019AS會自動將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到RJ45端口。網(wǎng)絡(luò)控制芯片的寄存器在以太網(wǎng)芯片初始化時設(shè)置,由以太網(wǎng)芯片來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送、校驗及總線數(shù)據(jù)包的碰撞檢測與避免。單片機設(shè)置要發(fā)送數(shù)據(jù)的各種地址、數(shù)據(jù)包類型。在接收數(shù)據(jù)時,RTL8019AS自動將接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包存放在接收緩沖區(qū),同時發(fā)出中斷信號給單片機,單片機收到中斷信號后,在中斷程序里通過DMA方式把RTL8019AS的RAM空間數(shù)據(jù)讀回單片機中進行處理和分析。主程序的流程如圖4所示。

圖4 單片機主程序流程圖

4 結(jié) 語

基于以太網(wǎng)通信反孤島策略,只要能夠保證通信可靠,就能在發(fā)生孤島效應(yīng)時及時檢測出各個斷路器的開關(guān)狀態(tài),迅速將開關(guān)狀態(tài)通知給光伏并網(wǎng)側(cè)逆變器的控制器,從而避免了不可檢測區(qū)域(NDZ)?；诨ヂ?lián)網(wǎng)通信的反孤島策略,不會向電網(wǎng)注入諧波,也不會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。由于基于以太網(wǎng)通信的反孤島策略只需傳遞各個斷路器的開關(guān)狀態(tài),需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小,現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)帶寬速度已經(jīng)達到100 Mbps,所以這種方案還具有檢測速度快的優(yōu)點。這種方案適合于各種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng),不受并網(wǎng)控制方式限制,成本低,而且可靠性高,通信速度快,實時性好。

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(責任編輯 郭金光)

Research on anti-islanding strategy of grid-connected photovoltaic system

WANG Duting, LI Yidan

(College of Electric and Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China)

This paper puts forward the anti island strategy based on communication, analyzes the advantages and disadvantages of local anti-islanding strategy. Low end single chip microcomputer is applied to transmit data by controlling Ethernet card so as to realize Ethernet communication. The analysis shows that the proposed anti-islanding strategy is able to effectively overcome the non-detection zone and the shortcomings of local anti islanding strategies affecting power quality with fast and reliable detection.

grid-connected photovoltaic system; islanding effect; anti-islanding strategy; Ethernet communication

2015-02-05。

黑龍江省自然科學(xué)基金(E201214)。

王篤亭(1975—),男,講師,研究方向:電力電子技術(shù)在新能源領(lǐng)域應(yīng)用。

TM615

A

2095-6843(2015)04-0291-04