基于群控擾動的微型并網(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式和被動式。被動式是監(jiān)測電網(wǎng)的實時電壓、頻率、相位、諧波等指標的變化，以此來判斷電網(wǎng)的故障情況，適時啟動防孤島保護。但當光伏系統(tǒng)輸出功率與局部負荷功率平衡時，被動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。電網(wǎng)正常工作時，由于電網(wǎng)的平衡作用，檢測不到這些擾動；一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，逆變器輸出的擾動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，但是控制較復雜，且會降低區(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)，由于單臺逆變器的功率非常小，其在系統(tǒng)內(nèi)獨自擾動產(chǎn)生的力度非常微薄，主動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級并網(wǎng)逆變器，電站直接并網(wǎng)接入35 kV及以上電壓等級主電網(wǎng)系統(tǒng)中，電站內(nèi)部和周圍基本無負荷，電網(wǎng)和周圍運行中的負荷干擾很小，采用目前成熟的主動式和被動式防孤島技術(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，僅采用被動式防孤島技術(shù)存在安全隱患；若采用傳統(tǒng)主動式防孤島技術(shù)，當電網(wǎng)電能質(zhì)量較差而又持續(xù)運行時，大量的逆變器不同步地擾動信號必然加重電網(wǎng)電能質(zhì)量的進一步惡化，甚至影響當?shù)刎摵傻恼Ｓ秒姟；谝陨弦蛩兀岢隽巳嚎財_動策略的防孤島技術(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)管理一個光伏并網(wǎng)發(fā)電站內(nèi)各臺并網(wǎng)逆變器之間的直流側(cè)功率輸入，使整個電站低負荷時間段內(nèi)，通過群控技術(shù)分配各臺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 群控策略的實現(xiàn)方式

本方法所要解決的就是在同一負荷區(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。

本方法是基于群控擾動的微型并網(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微型并網(wǎng)逆變器，每個微型并網(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)通過以下步驟實現(xiàn)：

1)檢測：每臺微型并網(wǎng)逆變器對電網(wǎng)進行被動式防孤島檢測，實時檢測電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2) 擾動：上述步驟1)中，當檢測到母線上任一點出現(xiàn)異常導致電壓或頻率或諧波幅值超過固定數(shù)值時，該點的微型并網(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，收到此信號的所有微型并網(wǎng)逆變器立即降低有功功率輸出，使整個光伏系統(tǒng)同步降低整體有功功率輸出，達到主動擾動的目的。

3) 監(jiān)測：實時監(jiān)測母線的電能質(zhì)量，持續(xù)一段時間，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：上述步驟3)中，當被監(jiān)測母線的電壓、頻率超出逆變器孤島保護的控制范圍，則啟動防孤島保護。

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

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

本方法的實現(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)逆變器能實現(xiàn)相互發(fā)送和接收信號的通信互動，以保證統(tǒng)一擾動步徑，實現(xiàn)擾動效果，達到單臺微型并網(wǎng)逆變器單獨擾動時對電網(wǎng)母線電能質(zhì)量影響甚微的目的。當監(jiān)測到并網(wǎng)電網(wǎng)內(nèi)部電壓、頻率等指標出現(xiàn)異常時，采用主動群控干擾技術(shù)，通過擾動進一步加重電網(wǎng)異常，最終判斷電網(wǎng)的運行狀況。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)的遠程PC監(jiān)控，還能用于主動防孤島智能化群控技術(shù)。該方法具體實現(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：

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)逆變器單臺容量過小、獨自擾動在電網(wǎng)系統(tǒng)中力量過小帶來的擾動失效問題；

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

3) 本方法采用的被動式和主動式防孤島監(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、電氣線路較為復雜，但又是集中并網(wǎng)于一個并網(wǎng)點或同一個區(qū)域的分布式系統(tǒng)，在防孤島檢測方面存在很大的復雜性。同時，國內(nèi)電網(wǎng)智能管理尚處于初級階段，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].