基于群控?cái)_動(dòng)的微型并網(wǎng)逆變器防孤島方法

云南拓日科技有限公司 ■ 普平貴 黃超 傅洪波

0 引言

隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，光伏并網(wǎng)逆變器的防孤島技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)光伏電站直接接入電網(wǎng)的逆變器設(shè)備容量較大、數(shù)量較少，隨著分布式光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用，單個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)小功率的并網(wǎng)逆變器大規(guī)模應(yīng)用的案例將越來越普遍。在電網(wǎng)末端電能質(zhì)量較差的地方，大規(guī)模安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，對光伏并網(wǎng)逆變器的防孤島技術(shù)有了更為嚴(yán)格的要求。

光伏并網(wǎng)逆變器的孤島效應(yīng)檢測方式一般分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。被動(dòng)式是監(jiān)測電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電壓、頻率、相位、諧波等指標(biāo)的變化，以此來判斷電網(wǎng)的故障情況，適時(shí)啟動(dòng)防孤島保護(hù)。但當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出功率與局部負(fù)荷功率平衡時(shí)，被動(dòng)式檢測方法將失去孤島效應(yīng)檢測能力，存在較大的非檢測區(qū)域，即盲區(qū)。主動(dòng)式孤島檢測方法是指通過控制逆變器，在一定條件下，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動(dòng)。電網(wǎng)正常工作時(shí)，由于電網(wǎng)的平衡作用，檢測不到這些擾動(dòng)；一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，逆變器輸出的擾動(dòng)將快速累積并超出允許范圍，從而觸發(fā)孤島效應(yīng)檢測電路。該方法檢測精度高，非檢測區(qū)域小，但是控制較復(fù)雜，且會(huì)降低區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)母線的電能質(zhì)量[1]。而在使用微型并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)內(nèi)，由于單臺(tái)逆變器的功率非常小，其在系統(tǒng)內(nèi)獨(dú)自擾動(dòng)產(chǎn)生的力度非常微薄，主動(dòng)式防孤島檢測方式應(yīng)用于微型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)內(nèi)將帶來巨大盲區(qū)。

傳統(tǒng)并網(wǎng)光伏電站中，大型地面電站主要使用MW級(jí)并網(wǎng)逆變器，電站直接并網(wǎng)接入35 kV及以上電壓等級(jí)主電網(wǎng)系統(tǒng)中，電站內(nèi)部和周圍基本無負(fù)荷，電網(wǎng)和周圍運(yùn)行中的負(fù)荷干擾很小，采用目前成熟的主動(dòng)式和被動(dòng)式防孤島技術(shù)中的某種或幾種方式結(jié)合即可滿足光伏電站的使用要求，該方法也是目前國內(nèi)外逆變器廠家普遍使用的方法，技術(shù)也較為成熟。建筑屋頂安裝的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)多采用大中型并網(wǎng)逆變器，容量較小的光伏系統(tǒng)基本使用組串式并網(wǎng)逆變器，這幾種光伏發(fā)電系統(tǒng)在同一電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)光伏裝機(jī)容量相對電網(wǎng)容量占比較小，目前成熟的防孤島技術(shù)可保證光伏系統(tǒng)安全有效運(yùn)行。

隨著人們對提升效率途徑的不斷探索，微型并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用分支，因解決了方陣內(nèi)光伏組件組合帶來的發(fā)電效率損失問題，其市場份額在不斷擴(kuò)大。對于小容量光伏系統(tǒng)，在同一電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)解決防孤島效應(yīng)容易；但若在大容量光伏系統(tǒng)中使用微型并網(wǎng)逆變器，由于逆變器數(shù)量較多，僅采用被動(dòng)式防孤島技術(shù)存在安全隱患；若采用傳統(tǒng)主動(dòng)式防孤島技術(shù)，當(dāng)電網(wǎng)電能質(zhì)量較差而又持續(xù)運(yùn)行時(shí)，大量的逆變器不同步地?cái)_動(dòng)信號(hào)必然加重電網(wǎng)電能質(zhì)量的進(jìn)一步惡化，甚至影響當(dāng)?shù)刎?fù)荷的正常用電?；谝陨弦蛩?，提出了群控?cái)_動(dòng)策略的防孤島技術(shù)。

群控技術(shù)在并網(wǎng)逆變器方面已有應(yīng)用案例。國外部分逆變器廠家甚至提出構(gòu)想，采用群控技術(shù)管理一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電站內(nèi)各臺(tái)并網(wǎng)逆變器之間的直流側(cè)功率輸入，使整個(gè)電站低負(fù)荷時(shí)間段內(nèi)，通過群控技術(shù)分配各臺(tái)逆變器之間的直流側(cè)功率輸入，讓直流功率盡量集中在部分逆變器上，其他無直流功率分配的逆變器則處于待機(jī)狀態(tài)，這樣不僅提高了電站的發(fā)電效率，也延長了逆變器設(shè)備的使用壽命。但通過群控技術(shù)解決光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的防孤島問題，目前國內(nèi)外尚無案例，也未見相關(guān)公開技術(shù)。

1 群控策略的實(shí)現(xiàn)方式

本方法所要解決的就是在同一負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，通過大量微型并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的防孤島方法。

本方法是基于群控?cái)_動(dòng)的微型并網(wǎng)逆變器防孤島方法，其特征在于該方法基于傳統(tǒng)微型并網(wǎng)逆變器的硬件構(gòu)件，數(shù)百塊以上光伏組件并聯(lián)于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的母線上，每塊光伏組件均配置一個(gè)微型并網(wǎng)逆變器，每個(gè)微型并網(wǎng)逆變器均具有電力載波通信技術(shù)功能。該防孤島方法采用群控同步技術(shù)通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

1)檢測：每臺(tái)微型并網(wǎng)逆變器對電網(wǎng)進(jìn)行被動(dòng)式防孤島檢測，實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2) 擾動(dòng)：上述步驟1)中，當(dāng)檢測到母線上任一點(diǎn)出現(xiàn)異常導(dǎo)致電壓或頻率或諧波幅值超過固定數(shù)值時(shí)，該點(diǎn)的微型并網(wǎng)逆變器通過電力載波通信技術(shù)，向通信區(qū)域內(nèi)的其他微型并網(wǎng)逆變器發(fā)出降低有功功率輸出的信號(hào)，收到此信號(hào)的所有微型并網(wǎng)逆變器立即降低有功功率輸出，使整個(gè)光伏系統(tǒng)同步降低整體有功功率輸出，達(dá)到主動(dòng)擾動(dòng)的目的。

3) 監(jiān)測：實(shí)時(shí)監(jiān)測母線的電能質(zhì)量，持續(xù)一段時(shí)間，將結(jié)果反饋至微型并網(wǎng)逆變器孤島監(jiān)測單元。

4) 啟動(dòng)：上述步驟3)中，當(dāng)被監(jiān)測母線的電壓、頻率超出逆變器孤島保護(hù)的控制范圍，則啟動(dòng)防孤島保護(hù)。

5) 上述步驟1)和3)中，當(dāng)被檢測、監(jiān)測的母線電能質(zhì)量符合運(yùn)行要求，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)則正常運(yùn)行。

該方法的原理在于：電網(wǎng)的電壓、頻率等指標(biāo)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是基于電源功率和負(fù)荷功率的動(dòng)態(tài)平衡，只有電源功率和負(fù)荷功率動(dòng)態(tài)在線基本一致時(shí)，其各項(xiàng)指標(biāo)才能保證穩(wěn)定。當(dāng)電源功率和負(fù)荷功率出現(xiàn)失衡時(shí)，電網(wǎng)電壓、頻率等指標(biāo)必然出現(xiàn)波動(dòng)[2]。通過群控技術(shù)，統(tǒng)一區(qū)域內(nèi)微型并網(wǎng)逆變器的擾動(dòng)步徑，才能真實(shí)、快速、準(zhǔn)確地判斷電網(wǎng)的異常狀況。

本方法的實(shí)現(xiàn)是基于傳統(tǒng)技術(shù)微型并網(wǎng)逆變器的硬件構(gòu)件，以原微型并網(wǎng)逆變器上具有的防孤島技術(shù)，通過電力載波通信技術(shù)，在軟件程序控制過程中，讓同一通信區(qū)域內(nèi)的微型并網(wǎng)逆變器能實(shí)現(xiàn)相互發(fā)送和接收信號(hào)的通信互動(dòng)，以保證統(tǒng)一擾動(dòng)步徑，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)效果，達(dá)到單臺(tái)微型并網(wǎng)逆變器單獨(dú)擾動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)母線電能質(zhì)量影響甚微的目的。當(dāng)監(jiān)測到并網(wǎng)電網(wǎng)內(nèi)部電壓、頻率等指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)，采用主動(dòng)群控干擾技術(shù)，通過擾動(dòng)進(jìn)一步加重電網(wǎng)異常，最終判斷電網(wǎng)的運(yùn)行狀況。在本方法中采用的電力載波通信技術(shù)，不僅適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程PC監(jiān)控，還能用于主動(dòng)防孤島智能化群控技術(shù)。該方法具體實(shí)現(xiàn)程序流程圖見圖1。

圖1 群控策略控制流程圖

本方法主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 基于微型并網(wǎng)逆變器的大中型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，采用量變引起質(zhì)變的方式解決了由于微型并網(wǎng)逆變器單臺(tái)容量過小、獨(dú)自擾動(dòng)在電網(wǎng)系統(tǒng)中力量過小帶來的擾動(dòng)失效問題；

2) 采用以被動(dòng)式防孤島監(jiān)測為主、主動(dòng)擾動(dòng)為輔的方式，大幅降低了大規(guī)模并網(wǎng)逆變器頻繁主動(dòng)擾動(dòng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來負(fù)面影響的問題；

3) 本方法采用的被動(dòng)式和主動(dòng)式防孤島監(jiān)測基于微型并網(wǎng)逆變器原有設(shè)備，無需增加硬件。

2 結(jié)語

群控技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在發(fā)展時(shí)間不長的光伏并網(wǎng)技術(shù)方面也逐漸應(yīng)用于各方面，應(yīng)用環(huán)境日趨復(fù)雜的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，在防孤島技術(shù)上引入群控技術(shù)，是十分有必要的。分布式光伏發(fā)電在我國剛剛開始大規(guī)模應(yīng)用，并且國內(nèi)安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量均較大，由于微型并網(wǎng)逆變器在提升系統(tǒng)的總效率、增加發(fā)電量方面具有更大優(yōu)勢，加之其安裝便捷、占用較小空間、靈活性高，其將在分布式系統(tǒng)中逐步占有重要地位。對于安裝較為分散、電氣線路較為復(fù)雜，但又是集中并網(wǎng)于一個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)或同一個(gè)區(qū)域的分布式系統(tǒng)，在防孤島檢測方面存在很大的復(fù)雜性。同時(shí)，國內(nèi)電網(wǎng)智能管理尚處于初級(jí)階段，電網(wǎng)末端電能質(zhì)量也較差，需要在原有防孤島檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷探索新的防孤島檢測方法，確保系統(tǒng)的整體安全。

[1] 包金英， 張章， 郭文明. 光伏并網(wǎng)逆變器防孤島保護(hù)研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用 ， 2012， (7)： 6 － 8.

[2] NB/T 32004-2013，光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范[S].