光伏并網系統反孤島策略研究

王篤亭,李一丹

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

光伏并網系統反孤島策略研究

王篤亭,李一丹

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

提出了不依賴光伏并網結構的基于以太網通信的反孤島策略,分析了局部反孤島策略的優缺點。采用低端單片機控制以太網網卡進行數據傳輸,實現與以太網進行通信。分析表明,這種反孤島策略能夠有效克服局部反孤島策略存在的非檢測區和影響電能質量的缺點,且檢測迅速可靠。

光伏并網;孤島效應;反孤島策略;以太網通信

近年來,光伏發電產業及市場發生了很大的變化,開始由邊遠地區的離網發電逐步向城市的并網發電轉變[1]。由于光伏并網發電系統直接將光伏陣列發出的電能逆變后饋送到電網,對于通常系統工作時出現的功率器件過電流、過熱、電網過/欠電壓等故障狀態,比較容易與軟件配合進行檢測、識別和處理。但是對于光伏并網發電系統而言,還有一種特殊的故障狀態需要檢測和處理,這就是所謂的孤島效應。孤島效應是當光伏并網發電系統與大電網的電力同時向某區域供電時,大電網由于某種原因停電,光伏并網系統沒有及時檢測到這種狀態而與電網斷開,獨立向其周圍負載供電,這樣就會形成一個電力公司無法控制的自給供電孤島[2]。本文提出了基于以太網通信的反孤島策略。

1 孤島效應的檢測

1.1 孤島效應檢測的必要性

光伏并網發電系統和公共電網的并聯結構如圖1所示,PCC(point of common coupling)為公共連接點。當斷路器閉合時,由電網和光伏并網發電系統一起向負載供電;當斷路器斷開時,公共電網斷電,光伏并網發電系統將繼續向負載供電,這樣就形成了孤島效應。

圖1 光伏并網發電系統孤島效應示意圖

Fig.1 Schematic diagram of islanding effect of photovoltaic grid connected power system

孤島效應會對整個配電系統設備及用戶端的設備造成不利的影響[3]:

1) 孤島效應能使一些被認為已經與所有電源斷開的線路帶電,這會危害電力維修人員的生命安全。

2) 沒有大電網的支持,孤島供電的光伏發電系統沒有調頻調壓能力,會給用電負載設備正常運行帶來威脅。

3) 當電網供電恢復時,孤島系統被重新接入電網,重合閘時系統中的分布式發電裝置與電網不同步,非同期并網將會產生浪涌電流,會引起再次跳閘或對光伏系統、負載和供電系統帶來不良影響。

4) 孤島效應能導致故障不能清除,如接地故障或相間短路故障,從而會給電力設備造成損害,并且干擾電網正常供電系統的自動或手動恢復。

孤島效應是一種脫離了電力管理部門監控而獨立運行的狀態,是不可控的高隱患狀態,因此,光伏并網發電裝置必須具備反孤島保護的功能,即具有檢測孤島效應和及時與電網分斷的能力。

1.2 孤島效應檢測的標準

根據專用標準IEEE Std 929-2000和UL174規定,所有并網逆變器都必須具有反孤島效應的功能,同時這個標準給出了并網逆變器在電網斷電后檢測孤島現象并將逆變器與電網斷開的時間限制[4],如表1所示。

表1 IEEE Std.929-2000允許的孤島效應檢測時間

Tab.1 IEEE Std.929-2000 allows islanding detection time

狀態電壓頻率最大持續時間AU<0.5Unfn6周期B0.5Un≤U<0.88Unfn2sC0.88Un≤U<1.1Unfn正常運行D1.10Un≤U<1.37Unfn2sE1.37Un≤Ufn2sFUnf

注:Un和fn為電網額定電壓和額定頻率,U和f為電網斷電后的電壓和頻率

當發生孤島現象時,由不同的負載和分布式發電裝置組成孤島系統,其運行情況可能有很大的不同,因此,反孤島方案必須能夠及時檢測出所有可能發生的不同形式和不同狀態的孤島效應,并立即斷開發電裝置與電網的連接。

1.3 撤除孤島的方式

由于光伏并網系統是孤島潛在的供電電源,只要撤出這個電源就可以避免孤島的存在。從電網和發電系統的結構考慮,可以從以下兩種方式來撤除孤島:一是通過關閉BOOST電路停止向逆變器提供有功功率,因為光伏電池是整個孤島的唯一電源,所以逆變器直流側電壓無法維持,最終停止向電網和負載供電;二是封鎖逆變器開關信號,等待電網系統恢復正常。

2 局部反孤島策略的優缺點

常用的反孤島策略可以分為局部反孤島策略和基于通信的反孤島策略[5]。基于逆變器的局部反孤島策略主要分為兩類:一類是被動式反孤島策略,如不正常的電壓和頻率,相位檢測和諧波檢測等,這類方法只能在電源與負載不匹配程度較大時才有效;另一類是通過在控制信號中人為注入擾動成分,從而使相位或頻率偏移主動式反孤島策略,這種方法雖然使系統的反孤島能力得到了加強,但是仍然存在不可檢測區(NDZ),即當電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時,系統無法檢測到孤島的存在,另外,由于系統中注入了擾動,因此增加了系統的諧波,降低了供電電能質量[6]。各種局部反孤島檢測方法優缺點比較如表2所示。

3 基于通信的反孤島策略

基于通信的反孤島策略也叫開關狀態監測方法,即在電網側的各個監測點監測到電網斷電信號后,通過通信技術,把斷電信號傳送到光伏并網逆變器的控制器,控制器使光伏并網系統與電網斷開。這種反孤島策略適用于各種光伏并網系統,與并網光伏系統的控制方式沒有關系。要實現這種基于通信的反孤島方案,首先要建設通信網絡,即斷電信號要有通信網絡才能傳送;其次通信速度要達到要求,即必須在規定的時間內檢測到孤島效應,這主要是為了防止并網發電系統不同步的重合閘。空氣開關通常在0.5～1 s延時后重新合閘,反孤島方案必須在重合閘發生之前使并網發電裝置停止向孤島供電。

3.1 基于以太網通信的反孤島策略可行性分析

基于以太網通信的反孤島策略是把電網側的斷電信號通過以太網通信通知給光伏并網側的控制器,控制器在接收到斷電信號后,使相關斷路器跳閘,與電網脫離。

這種方案能夠實施的必要條件是在電網側和光伏側都有可接入的以太網。2013年8月,中國發布了“寬帶中國”戰略及實施方案,該方案指出:到2015年,城市光纖網絡建設要基本到達居民樓房,農村寬帶網絡建設要基本覆蓋村鄉,城市和農村家庭寬帶速度基本達到20 Mbps和4 Mbps,部分發達城市甚至要達到100 Mbps。寬帶建設高速發展,全國各地寬帶網絡覆蓋范圍逐年擴大,傳輸和接入能力不斷增強,寬帶通信技術的發展和普及為實現這個方案提供了有利條件。如果在電網側和光伏側都有可接入寬帶網絡,不但成本低,而且可靠性高,通信速度快,實時性好。

表2 各種被動檢測方法優缺點比較

3.2 系統的硬件接口設計

電網斷電信號的檢測,對于現在技術發展來說很容易實現。另一個問題是斷電信號和以太網的接口如何實現。實現Internet接入的方案很多,目前有個人計算機網關加專用網的方案、EmWare公司提出的嵌入式系統入網方案(EMIT技術)、集成了網絡控制器的微處理器方案、低端單片機加網卡芯片相結合的方案等[7-8]。這些方案中以“低端單片機加網卡芯片”的方案最為經濟、簡單,這種方案的基本原理是用單片機加載TCP/IP協議,控制以太網網卡進行數據傳輸,實現與以太網通信,該方案系統結構框如圖2所示。

圖2 單片機與以太網接口結構圖

Fig.2 MCU and Ethernet interface structure diagram

系統的硬件電路圖包括單片機、串口單元、存儲單元和網卡芯片單元。硬件系統的整體框圖如圖3所示。在硬件系統中單片機負責系統和網卡芯片RTL8019AS的初始化、檢測網絡連接情況和監測網絡信號,控制網卡芯片RTL8019AS實現TCP/IP網絡通信協議和接收、發送數據等,還負責將接收到的數據幀進行處理分類,把要發送的數據幀進行分類打包。

圖3 硬件系統整體框圖

3.3 系統的軟件設計

以太網芯片RTL8019AS采用IEEE802.3協議對數據包進行收發,在發送數據時,單片機先按協議要求封裝數據包,然后寫入RTL8019AS的緩沖區,再啟動發送數據的命令,這時RTL8019AS會自動將緩存區的數據發送到RJ45端口。網絡控制芯片的寄存器在以太網芯片初始化時設置,由以太網芯片來完成數據的發送、校驗及總線數據包的碰撞檢測與避免。單片機設置要發送數據的各種地址、數據包類型。在接收數據時,RTL8019AS自動將接收到的以太網數據包存放在接收緩沖區,同時發出中斷信號給單片機,單片機收到中斷信號后,在中斷程序里通過DMA方式把RTL8019AS的RAM空間數據讀回單片機中進行處理和分析。主程序的流程如圖4所示。

圖4 單片機主程序流程圖

4 結 語

基于以太網通信反孤島策略,只要能夠保證通信可靠,就能在發生孤島效應時及時檢測出各個斷路器的開關狀態,迅速將開關狀態通知給光伏并網側逆變器的控制器,從而避免了不可檢測區域(NDZ)。基于互聯網通信的反孤島策略,不會向電網注入諧波,也不會對電能質量產生影響。由于基于以太網通信的反孤島策略只需傳遞各個斷路器的開關狀態,需要傳輸的數據量很小,現代網絡帶寬速度已經達到100 Mbps,所以這種方案還具有檢測速度快的優點。這種方案適合于各種并網結構的光伏并網系統,不受并網控制方式限制,成本低,而且可靠性高,通信速度快,實時性好。

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(責任編輯 郭金光)

Research on anti-islanding strategy of grid-connected photovoltaic system

WANG Duting, LI Yidan

(College of Electric and Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China)

This paper puts forward the anti island strategy based on communication, analyzes the advantages and disadvantages of local anti-islanding strategy. Low end single chip microcomputer is applied to transmit data by controlling Ethernet card so as to realize Ethernet communication. The analysis shows that the proposed anti-islanding strategy is able to effectively overcome the non-detection zone and the shortcomings of local anti islanding strategies affecting power quality with fast and reliable detection.

grid-connected photovoltaic system; islanding effect; anti-islanding strategy; Ethernet communication

2015-02-05。

黑龍江省自然科學基金(E201214)。

王篤亭(1975—),男,講師,研究方向:電力電子技術在新能源領域應用。

TM615

A

2095-6843(2015)04-0291-04