孤島與并網(wǎng)雙模式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳曦

摘 要：本文主要研究孤島與并網(wǎng)雙模式運(yùn)行，其中孤島檢測(cè)與保護(hù)是本文章研究重點(diǎn)。孤島檢測(cè)選用過(guò)、欠電壓檢測(cè)的電壓相位突變檢測(cè)方法，這種檢測(cè)方法克服了采用單獨(dú)的電壓相位突變檢測(cè)方法在阻性負(fù)載下失效的問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)快速有效的孤島檢測(cè)功能，且采用了一種預(yù)防因電網(wǎng)的波動(dòng)與大負(fù)載的突然加人或斷開(kāi)導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定引起的虛假孤島保護(hù)方法。本文建立了孤島保護(hù)的仿真模型，通過(guò)數(shù)據(jù)解析、模型創(chuàng)建和仿真，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)孤島保護(hù)模型的可靠性和有效性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；并網(wǎng)；孤島檢測(cè)；孤島保護(hù)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2163（2015）05-

Design of Island and Grid-connected Mode Operation of Photovoltaic Power Generation System

CHEN Xi

（School of Physics and Electrical Engineering， Zhoukou Normal University， Zhoukou Henan 466000， China）

Abstract：In this paper， the main research object of this paper is to study the isolated island and grid-connected mode， and the island detection and protection is the key point in this article. This paper chooses the over-under voltage detection and voltage phase mutation detection method， which overcomes the problem that the mutation detection method is failure when the load is pure resistive. This method is fast and valid. A false-island protection method has been adopted to prevent the power grids instability because of the grid fluctuation and large loads sudden turn in or off. In this paper， a simulation model is established， through data analysis， model creation and simulate， the reliability and validity of the design has been validated.

Keywords： Solar Photovoltaic Power Generation； Detection； Island Model； Island Protection

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、能源的大量消耗，能源危機(jī)已經(jīng)日益加深，太陽(yáng)能作為優(yōu)質(zhì)的綠色能源得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以做獨(dú)立發(fā)電源使用，也可以多余電量并入電網(wǎng)，具有孤島監(jiān)測(cè)保護(hù)功能，安全性高，實(shí)用性強(qiáng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文將獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，采用混合供電模式。當(dāng)系統(tǒng)處于并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，除了給負(fù)載供電外還會(huì)將多余的電量送到電網(wǎng)。當(dāng)太陽(yáng)輻射不強(qiáng)，所提供的電能不夠負(fù)載使用時(shí)，電網(wǎng)會(huì)向負(fù)載繼續(xù)供電，電網(wǎng)也能給蓄電池充電，讓蓄電池一直處于浮充狀態(tài)，可以使蓄電池的壽命得到延長(zhǎng)。

當(dāng)電網(wǎng)檢修或遇到故障時(shí)，光伏系統(tǒng)就會(huì)斷開(kāi)大電網(wǎng)，產(chǎn)生孤島模式，由蓄電池繼續(xù)為負(fù)載提供電能。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定，電壓和頻率都基本穩(wěn)定，電網(wǎng)可以正常工作時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)就會(huì)與蓄電池?cái)嚅_(kāi)，變成并網(wǎng)光伏發(fā)電模式。

2 并網(wǎng)控制策略

2.1 并網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)采用電壓源輸入，電流源輸出的控制方式[1]。鎖相環(huán)部分采用三相軟件鎖相環(huán)方式。并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)框圖

Fig.1 PV grid-connected system chart

2.2 仿真驗(yàn)證與分析

在MATLAB 軟件的Simulink中進(jìn)行仿真[2]。設(shè)置參數(shù)如下：直流母線電壓為400V，電容為13 400uF，10mH為輸出的電抗，其中變壓器選用為星型結(jié)構(gòu)，變壓比為380/95，設(shè)電網(wǎng)電壓380V，頻率50Hz。

并網(wǎng)逆變器在系統(tǒng)正常工作時(shí)設(shè)311V為電網(wǎng)相電壓最大值，70A為額定電流有效值。仿真圖如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)輸出電流和電網(wǎng)電壓波形圖

Fig.2 Grid-connected output current and power grid voltage oscillograph

分析仿真結(jié)果，從圖2中可以看出逆變器輸出交流側(cè)的電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)的要求，為接下來(lái)的孤島檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

3 孤島運(yùn)行模式控制策略

3.1 孤島運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孤島模式運(yùn)行時(shí)，主要由光伏電池組件，控制器，蓄電池，和逆變器幾部分組成，如圖3所示。

圖3 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

Fig.3 Independent PV system chart

3.2 孤島監(jiān)測(cè)與保護(hù)

當(dāng)大電網(wǎng)遇到故障或需要停電維修而使并網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和所供給的負(fù)載形成一個(gè)回路，構(gòu)成一個(gè)自給自足的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，也就是形成孤島[3-4]。孤島檢測(cè)與保護(hù)是光伏發(fā)電研究中的重要課題之一。

孤島效應(yīng)產(chǎn)生后，將變成孤島運(yùn)行模式，公共耦合點(diǎn)（a點(diǎn)）的電壓幅值和相位都會(huì)發(fā)生突變。所以，可以用相位突變檢測(cè)法或電壓幅值檢測(cè)這兩種方法檢測(cè)孤島。相位突變檢測(cè)法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)阻抗角無(wú)限趨近于零時(shí)，相位突變檢測(cè)法不能檢測(cè)到孤島現(xiàn)象的發(fā)生。而電壓檢測(cè)方法則通過(guò)檢測(cè)a點(diǎn)電壓幅值的改變來(lái)判斷是否產(chǎn)生孤島現(xiàn)象，所以本文采用相位突變檢測(cè)與電壓幅值檢測(cè)相結(jié)合的方法。

另外，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)或負(fù)載的突然加入和斷開(kāi)時(shí)，電網(wǎng)電壓會(huì)出現(xiàn)極大的不穩(wěn)定，可能會(huì)引起孤島檢測(cè)和孤島保護(hù)的錯(cuò)誤動(dòng)作產(chǎn)生， 即產(chǎn)生虛假孤島保護(hù)現(xiàn)象。設(shè) 為額定電網(wǎng)電壓幅值，當(dāng) <50%或 >137%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)真正的孤島現(xiàn)象，這時(shí)應(yīng)該切換到孤島保護(hù)。如果當(dāng)50%< <88%時(shí)，會(huì)有兩種情況產(chǎn)生，一是出現(xiàn)真實(shí)的孤島現(xiàn)象，二是由于電網(wǎng)波動(dòng)或負(fù)載的加入而導(dǎo)致產(chǎn)生的虛假的孤島效應(yīng)。這時(shí)，應(yīng)該執(zhí)行指令 =0.35 去減少光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流，再繼續(xù)觀察 有沒(méi)有大的改變或超出規(guī)定的閾值，而不是立即產(chǎn)生孤島保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。

創(chuàng)建孤島保護(hù)的模型如圖4所示。在這個(gè)模型中，電壓源由電網(wǎng)提供，電流源由光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電流提供。如果要模擬發(fā)生孤島，只需將開(kāi)關(guān)S撥到左側(cè)，此時(shí)，孤島現(xiàn)象就會(huì)產(chǎn)生，負(fù)載就會(huì)有光伏系統(tǒng)單獨(dú)為其提供電能。

圖4 孤島保護(hù)模型

Fig.4 Island protection model

系統(tǒng)使用RLC并聯(lián)的負(fù)載，阻抗傳遞函數(shù)為：

（1）

頻率檢測(cè)是將正向過(guò)了零點(diǎn)的電壓線進(jìn)行計(jì)算，每過(guò)一次檢測(cè)一次，其中檢測(cè)的周期則為兩個(gè)正向過(guò)零點(diǎn)的電壓線之間的相差的時(shí)間，然后將檢測(cè)的周期送到相位突變檢測(cè)模塊。

相位突變檢測(cè)模塊中，通過(guò)計(jì)算周期得到相位差，然后與規(guī)定的值t進(jìn)行比較。當(dāng)相位差大于允許的范圍，此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)為負(fù)載供電，孤島現(xiàn)象產(chǎn)生，停止光伏系統(tǒng)進(jìn)行的工作，進(jìn)行孤島保護(hù)。

電壓檢測(cè)模塊中，通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電壓峰值去判斷是否滿足所設(shè)定的閾值，當(dāng)Ua/Um <50%或Ua/Um >137%則表明光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)為負(fù)載供電，孤島現(xiàn)象產(chǎn)生，然后通過(guò)該模塊去控制信號(hào)并停止光伏系統(tǒng)的工作，進(jìn)行孤島保護(hù)。假如不在上述范圍內(nèi)，再通過(guò)比較看是否在88%光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模塊中，電流源由光伏系統(tǒng)提供，并且與電網(wǎng)電壓同頻同相。此輸出電流為：

（2）

式（2）中，電流幅值為Im，電流的角頻率由φ表示，過(guò)零點(diǎn)時(shí)間由t0表示，仿真時(shí)刻由t表示。

以下為電流 的傳遞函數(shù)圖。圖5中，G（S）代表為諧振控制器，傳遞函數(shù)為：

圖5 傳遞函數(shù)圖

Fig.5 Transfer function graph

3.3 仿真結(jié)果

本文選用過(guò)、欠電壓相位突變檢測(cè)法，并創(chuàng)建了孤島檢測(cè)和孤島保護(hù)模型，同時(shí)在此檢測(cè)方法中還添加了并網(wǎng)保護(hù)現(xiàn)象去預(yù)防出現(xiàn)虛假的孤島保護(hù)，增加了孤島保護(hù)的準(zhǔn)確性。

設(shè)置R=50?，L=20mH，C=480μF，構(gòu)成負(fù)載的參數(shù)，50Hz為負(fù)載頻率， Q=2.5為品質(zhì)因數(shù)。令電網(wǎng)在0.09s斷開(kāi)連接，此時(shí)負(fù)載由系統(tǒng)獨(dú)立提供電量，孤島效應(yīng)產(chǎn)生。從以上的仿真可知，單獨(dú)的檢測(cè)法在為純阻性負(fù)載時(shí)有檢測(cè)不到的地方，可是，此時(shí)因?yàn)樘峁┙o負(fù)載的電流不斷縮小，所以a點(diǎn)電壓最大值曲線也在一直下降。當(dāng)電壓在0.23s正向過(guò)了零點(diǎn)線坐標(biāo)處，a點(diǎn)電壓的最大值為272V，不在允許的范圍，判斷真實(shí)的孤島現(xiàn)象發(fā)生沒(méi)有，并產(chǎn)生誤工作，因此光伏系統(tǒng)提供的電流因輸出的控制信號(hào)被下調(diào)至0.35Im，之后再次觀察a點(diǎn)電壓峰值曲線的走向。電壓在0.3s再次正向過(guò)零點(diǎn)處，觀察到a點(diǎn)電壓最大值為130V，若大于額定的閾值，則表明真正的孤島現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)生，a點(diǎn)電壓降到了零點(diǎn)，開(kāi)啟了孤島保護(hù)模式，實(shí)現(xiàn)了快速有效的孤島保護(hù)。從圖6中可知斷開(kāi)電網(wǎng)時(shí)間為0.209s，大概經(jīng)歷了10個(gè)周期，低于國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)镽LC并聯(lián)負(fù)載，所以，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)停止工作時(shí)，負(fù)載會(huì)產(chǎn)生衰減現(xiàn)象，其電壓會(huì)慢慢降低至0，實(shí)現(xiàn)了有效的孤島保護(hù)。

圖6 孤島保護(hù)仿真圖

Fig.6 Island protection simulation figure

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究孤島、并網(wǎng)雙模式運(yùn)行，其中孤島檢測(cè)與保護(hù)是本文的主要研究對(duì)象。孤島檢測(cè)選用過(guò)、欠電壓檢測(cè)的電壓相位突變檢測(cè)方法，這種檢測(cè)方法克服了選用單獨(dú)的電壓相位突變檢測(cè)方法在阻性負(fù)載下失效的問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)快速有效的孤島檢測(cè)功能。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于普通居民樓，且高度適用于醫(yī)院、學(xué)校等需保障用電的場(chǎng)所，即使大電網(wǎng)不能供電也可以通過(guò)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這些地點(diǎn)的正常用電。

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