并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電最大功率點(diǎn)孤島檢測方法

侯寶華，李建軍，羅繼東

(塔里木大學(xué)，新疆 阿拉爾 843300)

1 引言

并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)故障狀態(tài)，其中孤島效應(yīng)是指一種特殊的光伏并網(wǎng)陣列發(fā)電故障狀態(tài)，主要指的是電路中某一區(qū)域內(nèi)有電流通路但實(shí)際上沒有電流通過的現(xiàn)象[1]。孤立效應(yīng)的出現(xiàn)會(huì)使電壓及其頻率失去控制，并有可能產(chǎn)生較大波動(dòng)，對電網(wǎng)和用戶設(shè)備造成損害[2-4]。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)供電因故障或停電檢修而跳閘時(shí)，必須具有檢測孤島效應(yīng)發(fā)生的功能，因此，研究人員提出了一些孤島檢測方法。

趙方平[5]等提出一種新型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測方法，當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生輸出功率與負(fù)荷功率檢測失效時(shí)，借助雙邊無功功率擾動(dòng)進(jìn)行控制，并采用過/欠頻檢測實(shí)現(xiàn)對孤島的實(shí)時(shí)檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明。該方法能夠有效解決發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量不佳的問題。周林[6]等提出一種基于MPPT的新型孤島檢測算法，該算法除了能夠?qū)崿F(xiàn)過/欠頻檢測之外，還通過參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了對檢測盲區(qū)的消除，同時(shí)，通過分布擾動(dòng)算法，降低了功率波動(dòng)對用電設(shè)備的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法具有抗干擾性效果。彭訪[7]等設(shè)計(jì)一種適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，分析發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制方法實(shí)現(xiàn)對光伏最大功率點(diǎn)的控制與跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較快的反應(yīng)速度，并且具有一定的穩(wěn)定性。

雖然上述傳統(tǒng)方法均可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的檢測，但上述傳統(tǒng)孤島檢測方法存在著檢測精度低的問題，為解決這些問題，在傳統(tǒng)孤島檢測方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，及時(shí)檢測孤島運(yùn)行狀態(tài)，使并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器從公用點(diǎn)上斷開，最大限度地保證并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電工作的安全。

2 并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電最大功率點(diǎn)孤島檢測方法

2.1 建立并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電模型

光伏發(fā)電原理是將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)際上就是將能量轉(zhuǎn)化為電能的過程。由于光的反射原理，反射的方向會(huì)改變，一部分光被反射，另一部分被電池直接吸收。太陽能電池是并網(wǎng)光伏陣列的重要組成部分，其工作原理是利用半導(dǎo)體單結(jié)光伏效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能。光致伏特效應(yīng)是一種物質(zhì)受光照射時(shí)，其內(nèi)部電荷分布發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢和電流的效應(yīng)。光伏電池在陽光照射下實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的過程如圖1所示。

圖1 光伏電池光電轉(zhuǎn)換示意圖

為了對并網(wǎng)光伏陣列的發(fā)電原理進(jìn)行具體分析，以光伏電池及其運(yùn)行原理為基礎(chǔ)構(gòu)建等效電路，如圖2所示。

圖2 光伏陣列發(fā)電等效電路圖Ish

圖2中，IVD表示在無太陽光照射時(shí)光伏電池的電流；IL表示流向負(fù)載的電流；Uoc表示光伏電池開路電壓；Rs和Rsh分別表示串聯(lián)電阻和歐姆電阻。等效電路中各個(gè)相關(guān)變量的表達(dá)式如下

(1)

式中，I0和Isc分別表示等效二極管的反向飽和電流和短路電流；UVD表示二極管的端電壓；q表示電子電荷；A、K和T分別表示曲線常數(shù)、波茲曼常數(shù)和絕對溫度。根據(jù)光伏陣列的布置，發(fā)電模式可分為單指數(shù)模式和雙指數(shù)模式，在局部遮擋的條件下，光伏陣列的功率原理也會(huì)發(fā)生變化，因此，在實(shí)際的孤島檢測過程中，需要結(jié)合電網(wǎng)光伏陣列的環(huán)境因素，針對具體功率模型進(jìn)行具體分析。

2.2 設(shè)置最大功率點(diǎn)孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)

孤島檢測技術(shù)能夠有效地解決分布式發(fā)電系統(tǒng)中的孤島問題。斷網(wǎng)后，能在最短的時(shí)間內(nèi)檢測到孤島發(fā)生的位置，效果更佳。當(dāng)前，國際上通用的分布式發(fā)電系統(tǒng)主要接入標(biāo)準(zhǔn)有 IEEE 1547-2000標(biāo)準(zhǔn)和 IEEE 1547-2003標(biāo)準(zhǔn)等。在此次研究中選擇IEEE 1547-2000作為孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)，具體的標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電的孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)

表1中，fnom和Unom分別表示電網(wǎng)電壓頻率和幅值的額定值。

2.3 并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤

并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電裝置將接收到的光能通過相關(guān)裝置處理，將其轉(zhuǎn)換為便于儲(chǔ)存和使用的電能，輸出I-V曲線如圖3所示。

圖3 并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電裝置的電流-電壓特性

圖3中，Pm表示最大功率的輸出；Voc表示兩極間的開路電壓；Vpm表示在最大功率輸出時(shí)的工作電壓；Ipm表示輸出最大功率時(shí)的工作電流。

光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的輸出特性曲線具有明顯的非線性，當(dāng)外界環(huán)境中光照強(qiáng)度和溫度發(fā)生變化時(shí)，輸出功率變化明顯。在不同的外部環(huán)境中，存在著對應(yīng)特定工作電壓的最大功率輸出，稱為最大功率點(diǎn)。在目前的光伏系統(tǒng)中，由于光電轉(zhuǎn)換效率仍處于較低水平，對光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤可以顯著提高整個(gè)光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。將光伏電池連接到升壓電路，使升壓電路的等效輸出負(fù)載為純電阻負(fù)載，將轉(zhuǎn)換電路視為理想電路，忽略升壓電路電感本身的電阻。如果升壓電路的輸入和輸出功率相等，則升壓電路可以等效為輸入阻抗?？杀硎緸椋?/p>

R′=RL×(1-D)2

(2)

式中，R′表示Boost電路等效輸入阻抗值；D表示Boost電路開關(guān)占空比；RL表示負(fù)載阻抗。光伏陣列的輸出功率為：

(3)

式中，ΔR表示日照強(qiáng)度的變化量；C1和C2均表示電容值。

2.4 孤島效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理分析

產(chǎn)生孤島效應(yīng)的情況包括：大電網(wǎng)由于系統(tǒng)故障而導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)停電，但光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仍通過公共連接點(diǎn)連接到大電網(wǎng)，其輸出功率可持續(xù)向電網(wǎng)供電；電網(wǎng)中某段線路斷開或斷跳，使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與所連接點(diǎn)上的負(fù)荷形成獨(dú)立的供電系統(tǒng)；光伏并網(wǎng)開關(guān)自主或意外地跳開，但光伏電池繼續(xù)運(yùn)行，而不是與當(dāng)?shù)刎?fù)荷斷開。圖4顯示了孤島效應(yīng)的等效原理圖。

圖4 孤島效應(yīng)等效電路圖

圖4中，G表示光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；A表示光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的公用點(diǎn)；S表示配電開關(guān)；T表示升壓變壓器；L、R、C表示當(dāng)?shù)刎?fù)荷，通常包括居民負(fù)荷和工業(yè)負(fù)荷[8]。當(dāng)光伏陣列發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)時(shí)式(4)成立。

(4)

當(dāng)分布式電源斷網(wǎng)時(shí)存在

(5)

式中，U2表示斷網(wǎng)前公共點(diǎn)電壓；U表示斷網(wǎng)后公共點(diǎn)電壓；ωg和ω0分別表示電網(wǎng)額定角頻率和負(fù)載諧振角頻率。從以上分析可以看出，當(dāng)分布式電源輸出功率與負(fù)載消耗功率相差較大時(shí)，即功率失配較大時(shí)，由于電壓和頻率變化較大，容易出現(xiàn)孤島現(xiàn)象[9]。當(dāng)分布式電源輸出與負(fù)載消耗功率相差較小時(shí)，孤島檢測存在檢測盲點(diǎn)。

2.5 并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電最大功率點(diǎn)孤島檢測實(shí)現(xiàn)

通過安裝逆變設(shè)備，對逆變器的輸出電流施加一個(gè)恒定的偏置值作為電流參考值，電流輸出會(huì)影響公共點(diǎn)的電壓頻率，因此，需要進(jìn)行孤島檢測[10]。主動(dòng)頻率偏移孤島檢測的工作原理如圖5所示。

圖5 主動(dòng)頻率偏移孤島檢測工作原理圖

圖5中，TV表示電網(wǎng)電壓的周期；TiDG表示逆變器輸出電流的周期；tZ表示死區(qū)時(shí)間。逆變器的輸出電流在正常的并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電工作中保持同相電壓，輸出電流的頻率取決于鎖相環(huán)檢測公共點(diǎn)電壓的頻率，每一個(gè)電壓過零點(diǎn)是電流新半波的起點(diǎn)。在控制系統(tǒng)中加入主動(dòng)頻率偏移檢測程序后，在上一個(gè)周期的共同點(diǎn)電壓頻率的基礎(chǔ)上，增加控制系統(tǒng)中PV逆變器輸出電流的給定信號偏移作為周期電流的給定頻率。當(dāng)輸出電流變?yōu)榱愣妷何吹搅銜r(shí)，電流置零保持tZ時(shí)間，直到電壓也過零。逆變器的輸出電流在下半周期為該周期的負(fù)半周波，當(dāng)逆變器輸出電流再次提前到零點(diǎn)時(shí)，電流再次置零，直至電網(wǎng)電壓下一個(gè)過零點(diǎn)為止。

在分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行過程中，電壓的過零點(diǎn)保持不變，且算法不影響電壓頻率。在分布式電源孤島運(yùn)行時(shí)，由于電壓受算法和負(fù)載的影響，過零點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移，從而引起電壓頻率的變化，由此可得到改變后的并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電系統(tǒng)的電壓頻率，并得出斷網(wǎng)后電壓幅值的具體取值結(jié)果。把得到的電壓頻率和電壓幅值結(jié)果與表1的孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)相比較，就可以得到當(dāng)前并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電的最大功率孤島狀態(tài)。

3 性能檢測實(shí)驗(yàn)分析

為了測試設(shè)計(jì)的并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電最大功率點(diǎn)孤島檢測方法的檢測性能，設(shè)計(jì)性能測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中選擇并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電網(wǎng)絡(luò)作為實(shí)驗(yàn)的主要研究環(huán)境，各個(gè)光伏陣列元件的基本參數(shù)設(shè)置情況如表2所示。

表2 發(fā)電網(wǎng)光伏陣列元件參數(shù)

在該實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，設(shè)置傳統(tǒng)的新型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測方法(文獻(xiàn)[5]方法)和基于MPPT的新型孤島檢測算法(文獻(xiàn)[6]方法)作為此次實(shí)驗(yàn)的兩種對比方法，并利用相同的軟件開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)和運(yùn)行，在測試PC機(jī)頁面中顯示對應(yīng)的檢測界面。實(shí)驗(yàn)中總共設(shè)置3類不同的狀態(tài)，第一種為正常的狀態(tài)，即光伏陣列發(fā)電網(wǎng)絡(luò)能夠正常并網(wǎng)運(yùn)行，第二種為孤島狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電網(wǎng)絡(luò)脫離了電網(wǎng)從而形成孤島，最后一種狀態(tài)為偽孤島狀態(tài)，具體包括負(fù)載的突變狀態(tài)、諧波擾動(dòng)狀態(tài)、短路狀態(tài)以及和電網(wǎng)電壓突變狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電最大功率點(diǎn)孤島檢測方法性能的量化對比，確定實(shí)驗(yàn)的具體狀態(tài)以此作為檢測精度的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)果，并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。經(jīng)過并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的控制，得出正常并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下電網(wǎng)中的電流波形如圖6所示。

圖6 正常并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下電網(wǎng)電流波形圖

當(dāng)并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電最大功率點(diǎn)存在孤島效應(yīng)時(shí)，運(yùn)用設(shè)計(jì)孤島檢測方法檢測得出的結(jié)果波形如圖7所示。

圖7 孤島檢測實(shí)驗(yàn)波形圖

當(dāng)檢測結(jié)果輸出的波形與圖7中的波形一致時(shí)，默認(rèn)當(dāng)前的并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電最大功率點(diǎn)存在孤島效應(yīng)。

采用三種檢測方法得出檢測精度的對比結(jié)果，如表3所示。

表3 孤島檢測精度測試對比結(jié)果

從表3中可以看出，相比于兩種孤島檢測對比方法，設(shè)計(jì)孤島檢測方法的檢測結(jié)果與發(fā)電網(wǎng)設(shè)置狀態(tài)的重合度更高，即設(shè)計(jì)方法的孤島檢測精度更高。這是由于該方法通過設(shè)置孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)，將收集到的電壓頻率和電壓幅值數(shù)據(jù)與設(shè)置的檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，從而得到準(zhǔn)確的并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電最大功率點(diǎn)孤島檢測結(jié)果。

4 結(jié)束語

在深入了解并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了研究光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率跟蹤技術(shù)的必要性以及重要意義，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)的有效檢測。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看優(yōu)化設(shè)計(jì)的檢測結(jié)果在應(yīng)用性能方面有所提升，將研究的孤島檢測方法應(yīng)用到實(shí)際的并網(wǎng)光伏陣列發(fā)電網(wǎng)絡(luò)管理工作中，以期提高光伏發(fā)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。