并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測

田興華， 李良光

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測

田興華， 李良光

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

田興華（1989-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)和微電網(wǎng)技術(shù)。

為了在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中能及時(shí)、有效地檢測孤島效應(yīng)，提出了q軸電流擾動(dòng)法。一旦有孤島產(chǎn)生，能使頻率迅速脫離檢測盲區(qū)，直到觸發(fā)孤島保護(hù)。仿真結(jié)果表明，q軸電流擾動(dòng)法檢測時(shí)間小于2 S，幾乎對電能質(zhì)量沒有影響，證明了該方法的可行性。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；孤島檢測；q軸電流擾動(dòng)法；檢測盲區(qū)

0 引 言

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)下,會(huì)對電力系統(tǒng)運(yùn)行以及人們的生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響,造成孤島中的頻率和電壓不穩(wěn)定,損壞用戶的家用電器和設(shè)備；雖然與電網(wǎng)斷開,但是孤島中線路是帶電的,可能危及檢修人員人身安全。所以,一旦電網(wǎng)斷電,系統(tǒng)對電網(wǎng)的供電也就必須立即中止,及時(shí)做好反孤島措施。因此,研究如何檢測孤島效應(yīng)及如何采取保護(hù)措施,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 孤島檢測分析

孤島效應(yīng)是指光伏并網(wǎng)系統(tǒng)沒有及時(shí)檢測出電網(wǎng)因誤操作或電氣故障、自然因素等引起的供電中斷,未脫離電網(wǎng),仍然向周圍的用戶負(fù)載及電力線路供電,導(dǎo)致電力公司無法控制而形成的一種自給的供電孤島。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率流圖如圖1所示。用斷路器的閉合來模擬系統(tǒng)的正常運(yùn)行與孤島狀態(tài),選用RLC并聯(lián)作為系統(tǒng)負(fù)載。正常情況下,電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)會(huì)同時(shí)向負(fù)載供電。當(dāng)網(wǎng)側(cè)斷路器斷開,電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí),對負(fù)載的供電就會(huì)由光伏系統(tǒng)獨(dú)立承擔(dān)。若光伏逆變器輸出功率和負(fù)載功率近似匹配,即ΔP＝0,ΔQ＝0,光伏系統(tǒng)會(huì)因?yàn)楣柴詈宵c(diǎn)的電壓幅值和頻率繼續(xù)維持在正常的運(yùn)行范圍之內(nèi)而無法檢測到電網(wǎng)斷開故障,從而運(yùn)行在孤島狀態(tài)。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率流圖

圖1中,功率流向關(guān)系為

在實(shí)際應(yīng)用中,光伏逆變器輸出的功率與負(fù)載功率之間存在一定的偏差,該偏差可以用負(fù)載(R+ΔR,L+ΔL,C+ΔC)來表示。在電網(wǎng)斷開前,這個(gè)偏差可以由電網(wǎng)來補(bǔ)償(ΔP≠0,ΔQ≠ 0),但當(dāng)斷開電網(wǎng)后,負(fù)載端電壓和頻率將會(huì)改變?yōu)閁g′和fg′。由圖1可知,電網(wǎng)斷開前負(fù)載端頻率為

因此,得

根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的定義,得

因此,式(8)可以簡化為

式(13)就是孤島效應(yīng)的檢測盲區(qū)。在這個(gè)區(qū)間內(nèi),若逆變器仍然通過頻率值或電壓幅值的異常保護(hù)功能來檢測孤島,系統(tǒng)的反孤島效應(yīng)就會(huì)變得不可靠。

在dq坐標(biāo)系下,逆變器輸出的有功功率和無功功率可以表示為

如果電網(wǎng)的三相電壓是理想的正弦波,則在dq坐標(biāo)系中Uq＝0,代入式(14)、(15),可以得到：

當(dāng)電網(wǎng)斷開時(shí),如果q軸電流沒有擾動(dòng),且RLC等效負(fù)載的諧振頻率和電網(wǎng)工頻接近,則Qinv、Qload都接近于0,ΔQ＝0,發(fā)生孤島時(shí)系統(tǒng)處在檢測盲區(qū)中,無法觸發(fā)孤島保護(hù)。這就必須借助主動(dòng)的孤島檢測方式,使ΔQ脫離檢測盲區(qū)。

2 反孤島標(biāo)準(zhǔn)及孤島檢測方法

IEEE 1547要求,突發(fā)性的孤島出現(xiàn)后,電力系統(tǒng)中仍然有部分分布式電源通過公共連接點(diǎn)繼續(xù)供電,分布式電源應(yīng)在2 s內(nèi)檢測出,孤島停止給這一區(qū)域供電。

逆變器－本地檢測、電網(wǎng)－本地檢測、外部開關(guān)電容檢測是孤島檢測三種主要方法。借助電力線路中的通信系統(tǒng)或公共接入點(diǎn)處的外部開關(guān)電容,后兩種方法可更準(zhǔn)確地檢測孤島效應(yīng),但增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

(1)電網(wǎng)－本地檢測方法與其他的逆變器－本地檢測技術(shù)完全不同,它的基礎(chǔ)是電網(wǎng)和光伏逆變器之間的信息交換。通信系統(tǒng)的信號發(fā)射器安裝于線路保護(hù)開關(guān)旁,信號接收器安裝在公共接入點(diǎn)的光伏逆變器附近。電力線載波通信線路通過電網(wǎng)介質(zhì)供通信系統(tǒng)使用。正常情況下,輸電線路的通信系統(tǒng)通過一個(gè)特殊頻率信號發(fā)送到接收器。若孤島發(fā)生,則光伏逆變器就不再接收到這種信號。

該方法對于孤島檢測非常有效,但需要電網(wǎng)運(yùn)營商之間的相互協(xié)作,并且存在信號收發(fā)設(shè)備費(fèi)用高的問題。即使在低壓配電網(wǎng)中,電網(wǎng)運(yùn)營商仍可以借助監(jiān)管控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)促進(jìn)電網(wǎng)－本地檢測方法的使用。由于設(shè)備費(fèi)用高,目前該方法還沒投入商業(yè)運(yùn)用,但如果光伏系統(tǒng)的滲透率增加,這種情況將會(huì)發(fā)生變化。

外部開關(guān)電容檢測能夠產(chǎn)生一個(gè)與電網(wǎng)阻抗成比例的過零延遲,是因?yàn)閷⑼獠侩娙莶⒙?lián)在電網(wǎng)中并且進(jìn)行周期性投切。在幾年前,該方法已經(jīng)被成功運(yùn)用。在多個(gè)逆變器并聯(lián)工作的情況下,外部電容檢測方法僅使用一臺(tái)設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)孤島檢測。

逆變器－本地檢測方法以光伏逆變器控制平臺(tái)內(nèi)部的軟件算法為基礎(chǔ),可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式方法的實(shí)現(xiàn)是通過檢測電網(wǎng)斷開后造成的功率不平衡,進(jìn)而引起電力系統(tǒng)參數(shù)(電壓基波幅值、頻率、相位或電壓諧波值)變化,存在檢測盲區(qū),常需要與主動(dòng)式方法相結(jié)合來增加檢測方法的可靠性。主動(dòng)式方法通過在公共接入點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng),使電力系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化,從而達(dá)到檢測目的,可顯著減少檢測盲區(qū)。然而,在多個(gè)逆變器并聯(lián)工作的情況下,該方法有可能影響電網(wǎng)電能質(zhì)量,造成電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

3 q軸電流擾動(dòng)法的應(yīng)用

q軸電流擾動(dòng)法控制框圖如圖2所示［3_4］。

圖2 q軸電流擾動(dòng)法控制框圖

圖2中,Qinv為逆變器輸出的無功功率,為無功功率需求,idist為q電流擾動(dòng)信號,ΔQ＝Qinv_。iq和idist有如下關(guān)系：

式中：kp、kI－－－PI控制器的參數(shù)；

kf－－－擾動(dòng)信號的參數(shù)；

f－－－RLC負(fù)載端的頻率。

由式(18)、(19),可得

對式(18)求導(dǎo),可得

如果q軸電流施加的擾動(dòng)信號使系統(tǒng)能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)脫離檢測盲區(qū),即可觸發(fā)孤島保護(hù),可得

由于fg、kp、kI、Pload、都是正值,因此式(21)可以表示為

其中,A為一個(gè)不確定的正值。式(22)可以進(jìn)一步簡化為

其中,B、C都是一個(gè)不確定的正值。發(fā)生孤島時(shí),若f_B＜fg,系統(tǒng)會(huì)脫離出檢測盲區(qū)的下限；若f_C＞fg,系統(tǒng)會(huì)脫離出檢測盲區(qū)的上限。當(dāng)系統(tǒng)在電網(wǎng)下運(yùn)行時(shí),無功功率和頻率的變化因電網(wǎng)的補(bǔ)償接近于0。因此,q軸電流擾動(dòng)法具有諧波小、電能質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。

4 q軸電流擾動(dòng)法仿真分析

q軸電流擾動(dòng)法孤島檢測控制原理如圖3所示。在已建立的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型中,以圖3的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行采樣分析,加以q軸電流擾動(dòng)的孤島檢測算法,在MATLAB環(huán)境下對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。圖3中,光伏逆變器的額定功率為3 kW,開關(guān)頻率為10 kHz,并聯(lián)RLC負(fù)載R＝11.5Ω,L＝14.58 mH,C＝689μF,負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5,負(fù)載諧振頻率為50 Hz,電網(wǎng)額定相電壓為220 V,電網(wǎng)額定頻率為50 Hz。

圖3 q軸電流擾動(dòng)法孤島檢測控制原理

設(shè)定P*為3 kW,Q*為0,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 RLC負(fù)載端有功功率、頻率變化

由圖4可見,電網(wǎng)在0.56 s斷開后,逆變器繼續(xù)向RLC負(fù)載輸送有功功率；1.5 s時(shí)刻,q軸電流擾動(dòng)信號使RLC負(fù)載端頻率脫離檢測盲區(qū),觸發(fā)孤島保護(hù),逆變器停止向RLC負(fù)載輸送有功功率。從電網(wǎng)斷開到逆變器停止向RLC負(fù)載輸送有功功率的總時(shí)間為0.94 s,滿足IEEE 1547規(guī)定的要求(2 s)。

電網(wǎng)輸出電流的諧波畸變率如圖5所示。由圖5可見,輸出電流的諧波畸變率很小,對電能質(zhì)量幾乎沒有影響。

圖5 電網(wǎng)輸出電流的諧波畸變率

4 結(jié) 語

q軸電流擾動(dòng)具有檢測盲區(qū)小、擾動(dòng)小、電能質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),一旦有孤島產(chǎn)生,能使頻率快速脫離檢測盲區(qū),直到觸發(fā)孤島保護(hù)。仿真結(jié)果表明,q軸電流擾動(dòng)法的檢測時(shí)間＜2 s,幾乎對電能質(zhì)量沒有影響,證明了該方法的可行性。

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ISlanding Detection of Grid Connected Photovoltaic PoWer SyStem

TIAN Xinghua, LILiangguang
(College of Electrical and Information Engineering,AnHui University of Science&Technology,Huainan 232001,China)

This paper proposed an islanding detectionmethod based on the q_axis current disturbance to effectively and timely detect the islanding problems in connected photovoltaic system.The q_axis current disturbancemethodmakes the frequency rapidly from the non detection zonewhen there is an island,until landing protection.The simulation results show that the detection time of q_axis current disturbancemethod is less than 2 s,which has no effect on power quality. It proves the feasibility of thismethod.

grid connected Photovoltaic PoWer SyStem；iSlanding detection；q-aXiS current diSturbance m ethod；non detection Zone

TU 852

A

1674-8417(2015)12-0045-04

2015- 06- 08

李良光（1960-），男，教授，研究方向?yàn)殚_關(guān)電源。