并網光伏陣列發電最大功率點孤島檢測方法

侯寶華，李建軍，羅繼東

(塔里木大學，新疆 阿拉爾 843300)

1 引言

并網光伏陣列發電系統在運行時可能出現故障狀態，其中孤島效應是指一種特殊的光伏并網陣列發電故障狀態，主要指的是電路中某一區域內有電流通路但實際上沒有電流通過的現象[1]。孤立效應的出現會使電壓及其頻率失去控制，并有可能產生較大波動，對電網和用戶設備造成損害[2-4]。由于光伏并網發電系統在電網供電因故障或停電檢修而跳閘時，必須具有檢測孤島效應發生的功能，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發電系統的孤島檢測方法，當光伏并網發電系統發生輸出功率與負荷功率檢測失效時，借助雙邊無功功率擾動進行控制，并采用過/欠頻檢測實現對孤島的實時檢測。實驗結果表明。該方法能夠有效解決發電系統電能質量不佳的問題。周林[6]等提出一種基于MPPT的新型孤島檢測算法，該算法除了能夠實現過/欠頻檢測之外，還通過參數優化實現了對檢測盲區的消除，同時，通過分布擾動算法，降低了功率波動對用電設備的影響。實驗結果表明，該算法具有抗干擾性效果。彭訪[7]等設計一種適用于光伏發電系統的神經網絡最大功率點跟蹤控制器，分析發電系統的工作原理，運用BP神經網絡與模糊控制方法實現對光伏最大功率點的控制與跟蹤。實驗結果表明，該方法具有較快的反應速度，并且具有一定的穩定性。

雖然上述傳統方法均可以實現對發電系統最大功率點的檢測，但上述傳統孤島檢測方法存在著檢測精度低的問題，為解決這些問題，在傳統孤島檢測方法的基礎上進行優化設計，及時檢測孤島運行狀態，使并網發電系統中的逆變器從公用點上斷開，最大限度地保證并網光伏陣列發電工作的安全。

2 并網光伏陣列發電最大功率點孤島檢測方法

2.1 建立并網光伏陣列發電模型

光伏發電原理是將吸收的太陽能轉化為電能，實際上就是將能量轉化為電能的過程。由于光的反射原理，反射的方向會改變，一部分光被反射，另一部分被電池直接吸收。太陽能電池是并網光伏陣列的重要組成部分，其工作原理是利用半導體單結光伏效應將太陽輻射能直接轉化為電能。光致伏特效應是一種物質受光照射時，其內部電荷分布發生變化，從而產生電動勢和電流的效應。光伏電池在陽光照射下實現光電轉換的過程如圖1所示。

圖1 光伏電池光電轉換示意圖

為了對并網光伏陣列的發電原理進行具體分析，以光伏電池及其運行原理為基礎構建等效電路，如圖2所示。

圖2 光伏陣列發電等效電路圖Ish

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

(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、波茲曼常數和絕對溫度。根據光伏陣列的布置，發電模式可分為單指數模式和雙指數模式，在局部遮擋的條件下，光伏陣列的功率原理也會發生變化，因此，在實際的孤島檢測過程中，需要結合電網光伏陣列的環境因素，針對具體功率模型進行具體分析。

2.2 設置最大功率點孤島檢測標準

孤島檢測技術能夠有效地解決分布式發電系統中的孤島問題。斷網后，能在最短的時間內檢測到孤島發生的位置，效果更佳。當前，國際上通用的分布式發電系統主要接入標準有 IEEE 1547-2000標準和 IEEE 1547-2003標準等。在此次研究中選擇IEEE 1547-2000作為孤島檢測標準，具體的標準如表1所示。

表1 并網光伏陣列發電的孤島檢測標準

表1中，fnom和Unom分別表示電網電壓頻率和幅值的額定值。

2.3 并網光伏陣列發電最大功率點跟蹤

并網光伏陣列發電裝置將接收到的光能通過相關裝置處理，將其轉換為便于儲存和使用的電能，輸出I-V曲線如圖3所示。

圖3 并網光伏陣列發電裝置的電流-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的工作電壓；Ipm表示輸出最大功率時的工作電流。

光伏并網發電裝置的輸出特性曲線具有明顯的非線性，當外界環境中光照強度和溫度發生變化時，輸出功率變化明顯。在不同的外部環境中，存在著對應特定工作電壓的最大功率輸出，稱為最大功率點。在目前的光伏系統中，由于光電轉換效率仍處于較低水平，對光伏電池的最大功率點跟蹤可以顯著提高整個光伏系統的轉換效率。將光伏電池連接到升壓電路，使升壓電路的等效輸出負載為純電阻負載，將轉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。可表示為：

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電路開關占空比；RL表示負載阻抗。光伏陣列的輸出功率為：

(3)

式中，ΔR表示日照強度的變化量；C1和C2均表示電容值。

2.4 孤島效應的發生機理分析

產生孤島效應的情況包括：大電網由于系統故障而導致區域電網停電，但光伏并網系統仍通過公共連接點連接到大電網，其輸出功率可持續向電網供電；電網中某段線路斷開或斷跳，使光伏并網系統與所連接點上的負荷形成獨立的供電系統；光伏并網開關自主或意外地跳開，但光伏電池繼續運行，而不是與當地負荷斷開。圖4顯示了孤島效應的等效原理圖。

圖4 孤島效應等效電路圖

圖4中，G表示光伏并網發電系統；A表示光伏發電系統與電網連接的公用點；S表示配電開關；T表示升壓變壓器；L、R、C表示當地負荷，通常包括居民負荷和工業負荷[8]。當光伏陣列發電設備并網時式(4)成立。

(4)

當分布式電源斷網時存在

(5)

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

2.5 并網光伏陣列發電最大功率點孤島檢測實現

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

圖5 主動頻率偏移孤島檢測工作原理圖

圖5中，TV表示電網電壓的周期；TiDG表示逆變器輸出電流的周期；tZ表示死區時間。逆變器的輸出電流在正常的并網光伏陣列發電工作中保持同相電壓，輸出電流的頻率取決于鎖相環檢測公共點電壓的頻率，每一個電壓過零點是電流新半波的起點。在控制系統中加入主動頻率偏移檢測程序后，在上一個周期的共同點電壓頻率的基礎上，增加控制系統中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。當輸出電流變為零而電壓未到零時，電流置零保持tZ時間，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半周波，當逆變器輸出電流再次提前到零點時，電流再次置零，直至電網電壓下一個過零點為止。

在分布式電源并網運行過程中，電壓的過零點保持不變，且算法不影響電壓頻率。在分布式電源孤島運行時，由于電壓受算法和負載的影響，過零點會發生偏移，從而引起電壓頻率的變化，由此可得到改變后的并網光伏陣列發電系統的電壓頻率，并得出斷網后電壓幅值的具體取值結果。把得到的電壓頻率和電壓幅值結果與表1的孤島檢測標準相比較，就可以得到當前并網光伏陣列發電的最大功率孤島狀態。

3 性能檢測實驗分析

為了測試設計的并網光伏陣列發電最大功率點孤島檢測方法的檢測性能，設計性能測試實驗。實驗中選擇并網光伏陣列發電網絡作為實驗的主要研究環境，各個光伏陣列元件的基本參數設置情況如表2所示。

表2 發電網光伏陣列元件參數

在該實驗環境下，設置傳統的新型光伏并網發電系統的孤島檢測方法(文獻[5]方法)和基于MPPT的新型孤島檢測算法(文獻[6]方法)作為此次實驗的兩種對比方法，并利用相同的軟件開發工具進行開發和運行，在測試PC機頁面中顯示對應的檢測界面。實驗中總共設置3類不同的狀態，第一種為正常的狀態，即光伏陣列發電網絡能夠正常并網運行，第二種為孤島狀態，此時發電網絡脫離了電網從而形成孤島，最后一種狀態為偽孤島狀態，具體包括負載的突變狀態、諧波擾動狀態、短路狀態以及和電網電壓突變狀態。

為了實現并網光伏陣列發電最大功率點孤島檢測方法性能的量化對比，確定實驗的具體狀態以此作為檢測精度的標準數據結果，并進行多次實驗保證實驗結果的可信度。經過并網光伏陣列發電網絡運行狀態的控制，得出正常并網運行狀態下電網中的電流波形如圖6所示。

圖6 正常并網運行狀態下電網電流波形圖

當并網光伏陣列發電最大功率點存在孤島效應時，運用設計孤島檢測方法檢測得出的結果波形如圖7所示。

圖7 孤島檢測實驗波形圖

當檢測結果輸出的波形與圖7中的波形一致時，默認當前的并網光伏陣列發電最大功率點存在孤島效應。

采用三種檢測方法得出檢測精度的對比結果，如表3所示。

表3 孤島檢測精度測試對比結果

從表3中可以看出，相比于兩種孤島檢測對比方法，設計孤島檢測方法的檢測結果與發電網設置狀態的重合度更高，即設計方法的孤島檢測精度更高。這是由于該方法通過設置孤島檢測標準，將收集到的電壓頻率和電壓幅值數據與設置的檢測標準進行比對，從而得到準確的并網光伏陣列發電最大功率點孤島檢測結果。

4 結束語

在深入了解并網光伏陣列發電發展現狀的基礎上，分析了研究光伏發電系統中最大功率跟蹤技術的必要性以及重要意義，并在此基礎上實現了對并網光伏陣列發電系統孤島效應的有效檢測。從實驗結果來看優化設計的檢測結果在應用性能方面有所提升，將研究的孤島檢測方法應用到實際的并網光伏陣列發電網絡管理工作中，以期提高光伏發電網的穩定性和安全性。