光伏并網(wǎng)孤島效應(yīng)產(chǎn)生特性與控制

甘家梁，李志敏，談懷江

(湖北工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432100)

0 引 言

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展，為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高、安全性能達(dá)到最佳,人們一直在探索研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)的跟蹤、并網(wǎng)逆變器的控制策略的選擇、如何預(yù)防孤島現(xiàn)象產(chǎn)生這三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的最優(yōu)解決方案.其中如何預(yù)防孤島現(xiàn)象產(chǎn)生，直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，得到大家的廣泛關(guān)注和研究.

所謂孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障、誤操作或者自然因素中斷供電時(shí)，與公共電網(wǎng)相聯(lián)的各個(gè)分布式的光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制檢測(cè)系統(tǒng)不能及時(shí)有效地檢測(cè)出停電現(xiàn)象將自身脫離電網(wǎng)，造成光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)給某個(gè)區(qū)域內(nèi)的負(fù)載供電，形成電力部門不可控的“孤島”.該現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)造成電網(wǎng)電壓和頻率超出允許的范圍、降低電網(wǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，這樣會(huì)給“孤島”上的用電設(shè)備和檢修人員造成較大的安全隱患.所以，研究孤島檢測(cè)方法及控制策略，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-5].

1 孤島現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理分析

在實(shí)際的系統(tǒng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)所帶負(fù)載可以用RLC并聯(lián)電路模擬.假設(shè)負(fù)載接入點(diǎn)(也是公共耦合監(jiān)測(cè)點(diǎn))的端電壓和頻率為U和f，輸出的有功和無(wú)功功率用PPV和QPV表示；負(fù)載所吸收的有功和無(wú)功功率用PL和QL表示；ΔP和ΔQ代表光伏系統(tǒng)與負(fù)載之間的功率偏差，則光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的等效電路[6]如圖1 所示

圖1 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)等效電路Fig.1 Equivalent circuit of grid-connected photovoltaics system

根據(jù)圖1，如果光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在斷電前和斷電后輸出的有功和無(wú)功功率是不變的，則產(chǎn)生孤島效應(yīng)后，孤島的電壓和頻率由光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出能量和負(fù)載所需能量是否平衡確定.當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)工作時(shí)，即S1和S2閉合，則下列方程式成立：

PPV=PL+ΔP

(1)

QPV=QL+ΔQ

(2)

(3)

(4)

當(dāng)電網(wǎng)斷電后，形成供電“孤島”，即S1閉合，S2斷開，此時(shí)有：

(5)

(6)

由式(1)～(6)可以得到：

(7)

(8)

分析式(7)和(8)，可以得到以下結(jié)論：光伏系統(tǒng)并網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)載端電壓是不受光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器輸出電壓的影響，而是受公共電網(wǎng)電壓的箝制.當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生異常現(xiàn)象時(shí)，一旦逆變器輸出的功率和負(fù)載的需求不匹配，如果引起光伏系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)的有功和無(wú)功功率產(chǎn)生較大的變化，將導(dǎo)致負(fù)載的電壓和頻率發(fā)生變化，電壓幅值和頻率超過(guò)限定值，檢測(cè)系統(tǒng)很容易檢測(cè)出孤島產(chǎn)生，控制系統(tǒng)及時(shí)將逆變器與電網(wǎng)切離，使光伏系統(tǒng)停止輸出電能.當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載消耗功率平衡時(shí)，同時(shí)由RLC構(gòu)成負(fù)載的諧振頻率與電網(wǎng)頻率f相同,此時(shí)并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)輸出電流為零，并網(wǎng)逆變器輸出功率與負(fù)載功率相等，此時(shí)孤島效應(yīng)最難檢測(cè)，進(jìn)入檢測(cè)盲區(qū)，造成光伏發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)載組成的系統(tǒng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)[7].

2 孤島效應(yīng)的檢測(cè)方法

2.1 孤島效應(yīng)的檢測(cè)方法的分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的孤島檢測(cè)方法綜合起來(lái)可以分為被動(dòng)檢測(cè)法、主動(dòng)檢測(cè)法和基于通訊信道檢測(cè)法三大類[3,8-10].

被動(dòng)檢測(cè)法又稱無(wú)源檢測(cè)法，是從光伏發(fā)電系統(tǒng)的角度檢測(cè)孤島效應(yīng).通過(guò)直接檢測(cè)并網(wǎng)公共耦合點(diǎn)(PCC)的電壓、頻率、相位或諧波等是否出現(xiàn)異常，以判斷孤島是否發(fā)生.若光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電量與孤島負(fù)載需求相差較大，必然會(huì)引起負(fù)載的功率及頻率在孤島發(fā)生后產(chǎn)生很大的變化，檢測(cè)設(shè)備很容易偵測(cè)到電網(wǎng)的信號(hào)波動(dòng)，控制系統(tǒng)會(huì)及時(shí)將光伏逆變器與電網(wǎng)斷開.該方法簡(jiǎn)單易行且不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成不良影響，但是當(dāng)負(fù)載消耗的功率(有功和無(wú)功功率)與光伏系統(tǒng)逆變的輸出功率完全匹配時(shí)，被動(dòng)檢測(cè)將出現(xiàn)較大的檢測(cè)盲區(qū)，而且需要比較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間.為了解決被動(dòng)檢測(cè)法有檢測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題，主動(dòng)檢測(cè)法應(yīng)運(yùn)而生[6].

主動(dòng)檢測(cè)法是一種有源檢測(cè)法，該方法是通過(guò)給并網(wǎng)逆變器的控制端施加電壓、頻率或相位等擾動(dòng)信號(hào)，檢測(cè)受擾后并網(wǎng)逆變器輸出信號(hào)的變化來(lái)判斷是否發(fā)生孤島效應(yīng).此方法能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)孤島，但需要給逆變器輸出施加擾動(dòng)，這必然會(huì)對(duì)并網(wǎng)電能質(zhì)量造成不良影響.主動(dòng)檢測(cè)法包括電壓正反饋法、主動(dòng)相移法、主動(dòng)頻移法等[6].

第三種檢測(cè)方法是基于計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的檢測(cè)方法.該方法是在電網(wǎng)的一側(cè)安裝信號(hào)發(fā)生裝置，在由光伏發(fā)電系統(tǒng)組成的局域電網(wǎng)上安裝接收器，一旦公共電網(wǎng)供電發(fā)生意外，接收器根據(jù)接收信號(hào)的變化來(lái)確定發(fā)生了孤島現(xiàn)象，控制斷路器工作.該方法的特點(diǎn)是孤島檢測(cè)效果明顯，在正常的檢測(cè)范圍內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)盲區(qū)，對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器輸出的電能質(zhì)量沒(méi)有影響，對(duì)公用電網(wǎng)的暫態(tài)響應(yīng)也無(wú)影響.而在某些情況下，基于電力載波通信的孤島檢測(cè)方法還會(huì)提高系統(tǒng)的運(yùn)行特性，但對(duì)發(fā)送的信號(hào)要求高，性價(jià)比高[4].

2.2 基于頻率微小變化的功率平衡孤島檢測(cè)方法

防止光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)產(chǎn)生孤島現(xiàn)象的基本點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)是電網(wǎng)的斷電檢測(cè).當(dāng)負(fù)載所需功率與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率基本相近時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生故障斷電后，負(fù)載的頻率和電壓變化很小，被動(dòng)檢測(cè)法就會(huì)失效，形成了檢測(cè)盲區(qū).因此，筆者提出了一種基于頻率微小變化的功率平衡孤島檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的輸出進(jìn)行主動(dòng)干擾，擾動(dòng)破壞逆變器輸出功率與負(fù)載功率之間的平衡,造成系統(tǒng)的頻率和電壓有明顯變化而檢測(cè)出孤島效應(yīng)[8-9].

頻率微小變化的功率平衡孤島檢測(cè)方法具有很好的檢測(cè)效果.該方法的主要思想是當(dāng)電網(wǎng)正常供電時(shí)逆變器與負(fù)載的輸出功率處于平衡狀態(tài)，逆變器輸出電流頻率為f+Δf；而當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)功率平衡被打破，檢測(cè)到的頻率為逆變器輸出電流頻率而非電網(wǎng)電壓頻率，因而逆變器PWM調(diào)制波的控制下輸出電流頻率每個(gè)周期都會(huì)在原來(lái)基礎(chǔ)上增加Δf，形成輸出功率不平衡，使最終輸出頻率超出基準(zhǔn)頻率上下波動(dòng)的允許范圍，致使并網(wǎng)逆變器斷開，達(dá)到消除孤島效應(yīng)的目的.該方法的優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)并網(wǎng)逆變器之間是相互支持的,當(dāng)擾動(dòng)造成一個(gè)逆變器輸出功率的變化使電網(wǎng)頻率上升時(shí),其它并網(wǎng)逆變器會(huì)檢測(cè)到相同的變化方向,擾動(dòng)控制的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率進(jìn)一步上升[8-9].

在檢測(cè)光伏并網(wǎng)電源與負(fù)載功率匹配型孤島時(shí)，必須使逆變器輸出電流的頻率有微小的不對(duì)稱，則構(gòu)成控制逆變器PWM調(diào)制波的方程式[6-9]為：

(9)

式(9)中，當(dāng)f=50 Hz、Δf=0時(shí)，其波形為一標(biāo)準(zhǔn)的正弦波.如果將這種微小不對(duì)稱的信號(hào)作為逆變器的控制信號(hào)(PWM)，則逆變器輸出電流波形也將出現(xiàn)同樣的微小的不對(duì)稱[9].設(shè)光伏系統(tǒng)并網(wǎng)電壓為：

VPV(t)=Vmsinωt

(10)

設(shè)逆變器輸出的并網(wǎng)電流與并網(wǎng)電壓相位前半周期相差為θ1，后半周期的相位差為θ2，則經(jīng)過(guò)微小的不對(duì)稱PWM調(diào)制后，并網(wǎng)逆變器的輸出電流為：

(11)

由式(10)和(11)可以推導(dǎo)出并網(wǎng)逆變器的輸出功率為：

(12)

從式(12)可以得結(jié)論，在連續(xù)兩個(gè)半周期內(nèi)，由于電流的微小不對(duì)稱，引起輸出的功率有變化.前半周期的功率變化量為：

ΔP(t)=ImVmcosθ1-ImVmcosθ2

(13)

后半周期功率變化量為：

ΔP(t)=ImVmcosθ2-ImVmcosθ1

(14)

歸納(13)和(14)式得到：

(15)

由(15)式得到結(jié)論，在兩個(gè)連續(xù)的前后半周期內(nèi)，并網(wǎng)逆變器的輸出功率變化量產(chǎn)生正負(fù)交替規(guī)律性變化，這種變化可以用來(lái)檢測(cè)孤島反應(yīng).

假設(shè)公用電網(wǎng)系統(tǒng)用M表示，光伏發(fā)電系統(tǒng)和本地負(fù)載用N表示，那么M和N兩個(gè)子系統(tǒng)則構(gòu)成一個(gè)完整的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng).根據(jù)電力工程系統(tǒng)頻率調(diào)整和功率平衡的理論知識(shí)可以得出，M和N系統(tǒng)頻率偏移量和功率偏移量之間的關(guān)系：

ΔfM=kMΔPM,ΔfN=kNΔPN

式中：ΔPM、ΔPN是M和N兩個(gè)系統(tǒng)的功率偏移量，ΔfM、ΔfN是M和N兩個(gè)系統(tǒng)的頻率偏移量，kM、kN是功率的靜特性系數(shù)，并且kM?kN.

一旦光伏發(fā)電系統(tǒng)電能通過(guò)逆變器輸送至電網(wǎng)時(shí)，則其輸出頻率變化量和功率變化量之間的關(guān)系可以寫成如下形式：

(16)

由于公共電網(wǎng)的容量很大，kM?kN，功率的變化量很小，所以頻率的變化量也很小，約等于0.這時(shí)逆變器控制端的PWM調(diào)制波的微小不對(duì)稱信號(hào)，不會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出不對(duì)稱電流對(duì)系統(tǒng)頻率產(chǎn)生影響.由于目前分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量都不大，而當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生斷電故障產(chǎn)生孤島效應(yīng)后，供電功率發(fā)生突變，功率的變化對(duì)頻率的變化影響較為明顯，孤島系統(tǒng)N的頻率變化與功率變化就遵從關(guān)系式ΔfN=kNΔPN進(jìn)行[4,9].

3 孤島效應(yīng)的系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了對(duì)頻率微小變化的功率平衡檢測(cè)法進(jìn)行驗(yàn)證,采用Matlab/powerlib搭建模型進(jìn)行仿真測(cè)試.在模擬的孤島測(cè)試中, 采用并聯(lián)的RLC電路模擬發(fā)生孤島后的負(fù)載.圖2為孤島檢測(cè)仿真模型圖.光伏電池輸出的UPV=420 V，電網(wǎng)電壓為220 V、頻率為50 Hz，負(fù)載參數(shù)R=24 Ω、L=0.03 mH、C=220 μF.當(dāng)系統(tǒng)的頻率擾動(dòng)Δf=-0.2 Hz，門限頻率fmin=49 Hz、fmax=51 Hz，電網(wǎng)在0.3 s時(shí)斷電，仿真得到的并網(wǎng)輸出電壓VPV和電流i0與響應(yīng)時(shí)間的波形如圖3所示，在0.375 s前并網(wǎng)逆變器自動(dòng)脫離電網(wǎng)，達(dá)到檢測(cè)孤島效應(yīng)目的.當(dāng)頻率擾動(dòng)Δf=-0.1 Hz，門限頻率fmin=49 Hz、fmax=51 Hz，電網(wǎng)在0.3 s時(shí)斷電，仿真得到的并網(wǎng)輸出電壓VPV和電流i0與響應(yīng)時(shí)間的波形如圖4所示，在0.52 s前并網(wǎng)逆變器自動(dòng)脫離電網(wǎng).由此可知，該頻率微小變化的功率平衡孤島檢測(cè)法能較好達(dá)到檢測(cè)孤島效應(yīng)的目的.

圖2 孤島效應(yīng)檢測(cè)仿真模型Fig.2 Simulation model of island effects detection

圖3 Δf=-0.2 Hz時(shí)孤島檢測(cè)過(guò)程電流波形圖Fig.3 Current waveform of islanding detection at Δf=-0.2 Hz

圖4 Δf=-0.1 Hz時(shí)孤島檢測(cè)過(guò)程電流波形圖Fig.4 Current waveform of islanding detection at Δf=-0.1 Hz

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的孤島效應(yīng)產(chǎn)生原理，對(duì)比分析了常用的各種光伏并網(wǎng)控制檢測(cè)孤島效應(yīng)的特點(diǎn),采用基于頻率微小變化的功率平衡的孤島檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)孤島效應(yīng),并運(yùn)用Matlab/Simulink仿真工具對(duì)該方案進(jìn)行建模與仿真.仿真結(jié)果驗(yàn)證了該孤島檢測(cè)方法的可行性,對(duì)分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)孤島效應(yīng)的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義.

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