基于光伏并網(wǎng)逆變器的反孤島效應(yīng)控制策略特性分析

李滿

【摘 要】在簡(jiǎn)述光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基本概念和反孤島效應(yīng)的機(jī)理的基礎(chǔ)上，本文研究目前反孤島效應(yīng)的控制策略特性的方法，通過分析各類控制策略的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，展望未來光伏并網(wǎng)逆變器孤島效應(yīng)控制策略發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】光伏并網(wǎng)逆變器；反孤島效應(yīng)；控制策略

目前，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)在世界范圍內(nèi)受到越來越多的重視，同時(shí)受到國(guó)家光伏優(yōu)惠政策的鼓勵(lì)，光伏電站大規(guī)模并入國(guó)家電網(wǎng)。但在光伏發(fā)電系統(tǒng)并入國(guó)家電網(wǎng)后，電網(wǎng)和光伏發(fā)電站的接入點(diǎn)的調(diào)度呈現(xiàn)互相矛盾的現(xiàn)象，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)存在的不連續(xù)性、頻率不一致性、相位不同步等問題給電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性造成極大的危害，使得研究高效率、高可靠性的光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)成為目前光伏發(fā)電技術(shù)研究的焦點(diǎn)。其中光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中孤島效應(yīng)是影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，因此快速、有效的孤島控制策略是提高光伏并網(wǎng)發(fā)電安全的首要任務(wù)，而光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，研究光伏并網(wǎng)逆變器反孤島控制策略成為重中之重。

一、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)概況

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)就是將光伏電池組件匯成的光伏陣列在陽光的直射下產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)光伏逆變器轉(zhuǎn)換成，輸出與國(guó)家電網(wǎng)同頻率、同相位的三相交流電，并接入公共電網(wǎng)的系統(tǒng)[1]。它主要由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、箱變、繼電保護(hù)設(shè)備等組成。光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件，研究光伏并網(wǎng)逆變器反孤島控制策略是本文研究的重點(diǎn)，也是解決孤島效應(yīng)的關(guān)鍵。

二、孤島效應(yīng)及反孤島效應(yīng)控制策略

1.孤島效應(yīng)及反孤島效應(yīng)研究現(xiàn)狀

所謂的孤島就是當(dāng)電網(wǎng)意外事故或停電而發(fā)生電網(wǎng)中斷時(shí)，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)不能及時(shí)有效監(jiān)測(cè)出停電狀態(tài)并及時(shí)、快速的脫離并網(wǎng)狀態(tài)，繼續(xù)發(fā)電并向電網(wǎng)注入電量，同時(shí)與負(fù)載形成電網(wǎng)無法控制的自供電現(xiàn)象。孤島效應(yīng)下電力調(diào)度無法有效的控制光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，給整個(gè)電網(wǎng)帶來安全危害，降低電網(wǎng)的工作效率[2]。主要危害表現(xiàn)以下幾個(gè)方面在：

1）效率孤島現(xiàn)象發(fā)生后，電力維修人員誤以為供電系統(tǒng)己斷電而接觸運(yùn)行線路，從而導(dǎo)致觸電危險(xiǎn)，危及人身安全；

2）孤島效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓及其頻率發(fā)生較大的波動(dòng)，從而損壞與孤島運(yùn)行線路相連的負(fù)載用電設(shè)備；

3）孤島后并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓和電網(wǎng)電壓存在相位差，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，從而損壞發(fā)電裝置以及負(fù)載，甚至?xí)痣娋W(wǎng)重復(fù)跳閘停電事故；

4）孤島效應(yīng)發(fā)生后導(dǎo)致故障無法清除，干擾發(fā)、配電系統(tǒng)上繼電保護(hù)開關(guān)的關(guān)、斷動(dòng)作順序等，造成電網(wǎng)事故。

因此為了避免孤島現(xiàn)象，有效的控制電網(wǎng)的調(diào)度，在電網(wǎng)故障時(shí)，需要快速檢測(cè)到孤島現(xiàn)象的發(fā)生，并及時(shí)切斷并網(wǎng)逆變器的輸出，實(shí)現(xiàn)反孤島控制，從而保護(hù)電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。目前，針對(duì)并網(wǎng)逆變器的反孤島策略主要有基于逆變器外部檢測(cè)法、逆變器內(nèi)部無源檢測(cè)法以及逆變器內(nèi)部有源檢測(cè)法三大類，本文主要針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器本身進(jìn)行分析研究。

2.基于光伏并網(wǎng)逆變器的被動(dòng)式反孤島控制策略分析

1）過/欠電壓、過/欠頻率反孤島控制策略

當(dāng)并網(wǎng)逆變器輸出的三相交流電與電網(wǎng)頻率、幅值不相符合時(shí)，逆變器能夠快速響應(yīng)，及時(shí)改變運(yùn)行模式脫離電網(wǎng)從而實(shí)現(xiàn)反孤島保護(hù)的控制策略。該策略基本原理簡(jiǎn)單，可以通過對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)進(jìn)行判斷，但是當(dāng)負(fù)載和逆變器的輸出功率匹配時(shí)，電網(wǎng)電壓的頻率變化小、幅值變化小，該控制策略就完全失效。

2）電壓諧波檢測(cè)反孤島控制策略

該策略通過光伏發(fā)電系統(tǒng)注入國(guó)家電網(wǎng)的諧波進(jìn)行判定是否出現(xiàn)孤島，該策略成功率較高，同時(shí)也避免過多的高次、低次諧波進(jìn)入電網(wǎng)從而保證了電能質(zhì)量。但是由于系統(tǒng)的非線性特點(diǎn)，難以確定檢測(cè)的出現(xiàn)孤島現(xiàn)象后的諧波范圍，無法有效的控制，因此應(yīng)用較少。

3）相位突變檢測(cè)反孤島控制策略

通過檢測(cè)逆變器輸出電壓和輸出電流的相位差進(jìn)行判斷是否出現(xiàn)孤島現(xiàn)象。該方法算法簡(jiǎn)單易行，只檢測(cè)逆變器的輸出和并網(wǎng)點(diǎn)的相位就可以判定，由于只檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)的參數(shù)，因此多適用于多臺(tái)逆變器并聯(lián)的系統(tǒng)，但是該方法判定檢測(cè)的參數(shù)范圍設(shè)定比較難以界定，使得在純電阻負(fù)載系統(tǒng)下無法進(jìn)行控制，極易造成誤判。

4）關(guān)鍵電量變化率反孤島控制策略

通過逆變器輸出功率、輸出頻率的變化率進(jìn)行系統(tǒng)的不穩(wěn)定性判定，進(jìn)而確定系統(tǒng)是否出現(xiàn)孤島現(xiàn)象。

3.基于光伏并網(wǎng)逆變器的主動(dòng)式反孤島控制策略分析

主動(dòng)式反孤島策略通過外加微小擾動(dòng)來對(duì)逆變器輸出的電流進(jìn)行周期性的擾動(dòng)，在孤島發(fā)生時(shí)被逆變器檢測(cè)并不斷的累加打破逆變器系統(tǒng)和負(fù)載之間的平衡，導(dǎo)致并網(wǎng)公共點(diǎn)參數(shù)發(fā)生變化，觸發(fā)孤島保護(hù)。目前主要針對(duì)頻率、幅值、相位進(jìn)行施加擾動(dòng)，從而進(jìn)行孤島現(xiàn)象的檢測(cè)[3]。

1）基于頻率擾動(dòng)的反孤島控制策略

該策略通過在逆變器輸出電流上施加周期性的擾動(dòng)，并網(wǎng)時(shí)接入點(diǎn)的頻率保持不變，電網(wǎng)停電時(shí)接入點(diǎn)電流受到畸變電流的影響，頻率上升或下降至過/欠頻保護(hù)，及時(shí)脫離電網(wǎng)從而實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)。

目前主要有正反饋的主動(dòng)頻率偏移法、有源頻率偏移法、滑膜頻率偏移法、2N周期電流擾動(dòng)法等。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，盲區(qū)減小，甚至實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)檢測(cè)。該方法的缺點(diǎn)是在引入外來干擾情況下降低了電能的質(zhì)量。在多臺(tái)逆變器并網(wǎng)過程中需要保持每臺(tái)逆變器頻率變化方向一致，否則會(huì)降低檢測(cè)效率。

2）基于幅值擾動(dòng)的反孤島控制策略

基于幅值擾動(dòng)的反孤島策略主要是將逆變器輸出的電流、電壓、功率等注入周期性擾動(dòng)，電網(wǎng)故障時(shí)可以引起電網(wǎng)的電流、電壓、功率變化，引發(fā)過/欠電流、電壓的保護(hù)，檢測(cè)出孤島現(xiàn)象的發(fā)生。

該方法控制簡(jiǎn)單、不影響電能質(zhì)量，但存在多臺(tái)逆變器并聯(lián)使用時(shí)，擾動(dòng)信號(hào)的附加會(huì)出現(xiàn)不同步，存在延時(shí)，導(dǎo)致檢測(cè)的精度下降，可能會(huì)造成電網(wǎng)電壓的閃變、電網(wǎng)不穩(wěn)定性。目前主要由電壓前饋正反饋擾動(dòng)法、電流前饋正反饋擾動(dòng)法、周期交流電流擾動(dòng)法、主動(dòng)電流擾動(dòng)法、無功補(bǔ)償法等控制策略。

3）基于相位擾動(dòng)的反孤島控制策略

基于相位擾動(dòng)的反孤島策略利用正反饋檢測(cè)的原理，由于逆變器和電網(wǎng)的香味不可能存在理論上的絕對(duì)0相位誤差，因此加入相位差值擾動(dòng)在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)注入的相位值不斷累加，引發(fā)逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位差大于系統(tǒng)并網(wǎng)可以承受的相位誤差，來進(jìn)行判斷是否出現(xiàn)孤島現(xiàn)象。

綜上所述，被動(dòng)式的反孤島控制策略可以保證電網(wǎng)電能質(zhì)量不會(huì)受到影響，適用于功率變動(dòng)不大且與逆變器的輸出不匹配的場(chǎng)合。主動(dòng)式反孤島策略可以做到減小甚至消除盲區(qū)，適用于輸出電壓波形質(zhì)量要求不高，檢測(cè)速度要求較快的場(chǎng)合，但會(huì)向電網(wǎng)引入諧波，電能質(zhì)量受到影響。

三、結(jié)束語

本文研究現(xiàn)有的孤島效應(yīng)檢測(cè)方法，分析其適應(yīng)場(chǎng)合和存在一些問題，探討其存在的有點(diǎn)和缺點(diǎn)。展望在未來的研究中需要深入研究不同的孤島效應(yīng)檢測(cè)方法和控制策略，在相互兼顧的基礎(chǔ)上考慮混合式的孤島效應(yīng)檢測(cè)策略，及引入的新控制方法比如自適應(yīng)控制、混沌控制、無差拍控制、模糊控制等，或者主動(dòng)式和被動(dòng)式反孤島策略相結(jié)合的方法，提高孤島效應(yīng)控制策略，提高并網(wǎng)逆變器運(yùn)行性能，進(jìn)而提高電網(wǎng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]應(yīng)戍狄. 光伏發(fā)電系統(tǒng)的單相并網(wǎng)逆變器研究[D].遼寧工業(yè)大學(xué)，2016.

[2]鄭天云，霍成義，鄭一超. 光伏發(fā)電反孤島效應(yīng)的方法研究[D].電氣自動(dòng)化，2014，36（5）：53-54.

[3]姚道如. 光伏并網(wǎng)逆變器反孤島檢測(cè)方法研究[J]. 安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9（02）：20-23.