孤岛运行下的光伏发电技术

基于孤岛运行的光伏发电关键技术研究一、绪论太阳能作为一种绿色能源，是人类取用不竭的可靠能源。大力开发和利用太阳能是建立起清洁和可持续发展能源体系的必由之路。太阳能光伏发电是利用太阳能最灵活方便的一种方式，近年来在国际上受到广泛重视并取得了长足进展。因此，深入研究光伏并网发电系统，对于节约常规能源、保护环境、促进经济发展都有极为重要的现实意义和深远的历史意义。但光伏发电系统接入电网会给电网运行带来不利影响。其中光伏发电最大的技术挑战和潜在危险就是孤岛效应，因此孤岛效应的检测和防护是目前颇受关注的一个课题。1.1 孤岛检测的研究意义在光伏并网发电系统中，光伏发电系统不能直接与电网并联，而是通过逆变器作为接口元件与电网连接，这就涉及到一个新的安全问题“孤岛”。随着光伏并网发电系统越来越多的被应用，孤岛日益成为人们关注的焦点。 孤岛检测的含义及意义 图 1.1 孤岛系统原理电路图孤岛效应是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，光伏并网发电系统仍然向周围的负载供电，从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛1。孤岛系统原理电路图如图 1.1 所示，断路器断开时逆变器与 RLC 负载就构成了一个“孤岛”。光伏电池输出能量将随着太阳照射强度的变化而变化，当光照强度大时，光伏发电系统输出的功率较大。当光伏逆变器输出的容量超出本地负载的需求时，多余的能量将输送到电网上供其他负载使用；当光照强度较弱或者晚间光伏电池完全停止工作时，光伏发电系统输出的能量降低或者为 0，此时负载所需的能量由电网提供。光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果，其危害性在于：（1） 孤岛产生后，电力系统不再能控制光伏电源，电源的电压和频率可能会产生大波动，对孤岛中的电力设备产生一定损害。 （2）孤岛并网重合闸时可能因为与电力系统电压相位相差过大，导致再次跳闸，严重时损坏发电设备。 （3）孤岛运行可能会对电力线路的维修人员造成伤害，降低电网安全性。 （4）电力孤岛区域如果过载运行可能会损坏逆变电源。因此，及时检测出孤岛运行状态并将光伏并网发电系统的逆变器从公共点断开是很有必要的，这就是所谓的孤岛检测。 孤岛检测标准 IEEE Std.2000-929 和 UL1741 提出分布式供电系统必须具有检测孤岛效应的功能，并给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并将逆变器与电网断开的时间要求2，如表 1.1 所示。1.2 孤岛检测基本原理光伏并网系统孤岛检测原理如图 1.2 所示。正常情况下，光伏系统和电网同时向负载供电。当电网出现故障断开后，光伏系统独立向负载供电。如果光伏逆变器输出功率和负载功率近似匹配，如P=0，Q=0，这时很难检测到电网断开故障，从而形成孤岛。 图 1.2 并网发电系统孤岛效应原理图P 是电网的有功功率输出，Q 是电网的无功功率输出，Pinv是光伏的有功功率输出，Qinv是电网的无功功率输出，Pload是负载的有功功率，Qload是电网的无功功率。因此，功率平衡是指 Pinv=Pload-P; Qinv=Qload-Q (1.1) 如果 Pinv=Pload，那么在光伏系统输出的功率和电网输出的功率之间将不存在有功功率失配的问题。同样的，如果 Qinv=Qload，那么在光伏系统输出的功率和电网输出的功率之间将不存在无功功率失配的问题。 在发电系统和电网断开的时刻，系统的响应时间将取决于孤岛形成之前P和Q 的瞬时值。如果 RLC 负载的谐振频率与电网频率一致，那么线性负载将不吸收或者消耗无功功率，而有功功率将与电压成比例。在负载与电网断开之后，负载消耗的有功功率将与光伏系统产生的功率一致，电网电压将变为： V=KV (1.2)式中 （1.3）当 PinvPload时，电压幅值将会增大，如果 PinvPload，电压幅值将会减小。无功功率将取决于电压的频率和幅值： （1.4）用这种方式可计算出孤岛情况下的变化： （1.5） 电网在运行期间，会受到各种各样的扰动影响，如电网电压跌落、过电压、谐波畸变和频率变化等。为避免这些不利因素的影响，电网运营商必须要制定出孤岛保护策略。根据 EN 50160（公共低压配电网要求），表 1.2 给出了电网电压幅值频率的限值。 表1.2 EN 50160 中电网电压和频率的最大变化量 孤岛检测最难以实现的情况是系统有功和无功功率平衡，这时电网电压不存在频率和幅值的变化，即P=0 和Q=0。很明显，如果P 太小，电压幅值将不会有太大的变化，同样，如果Q 太小，频率值也不会有太大的变化，这样将无法有效地使光伏系统与电网分离，阻止孤岛情况发生。 通过计算光伏发电系统与电网之间的有功和无功功率的失配量可获得检测区，同时可以设置电压频率和幅值变化的阈值。P 和Q 有很大机会落入检测盲区，因为该区域没有电压和频率异常。因此，仅仅通过监测电压和频率来实现反孤岛效应保护是比较困难的，要想实现有效的保护，必须结合其他孤岛检测方法。1.3 孤岛检测方法概述当电力系统中含有分布式电源(DG)时,孤岛检测的及时性、有效性对整个并网系统意义重大,孤岛问题研究的基础在于可靠的孤岛状态检测。通常要综合考虑分布式电源(DG)的特点、应用场合、并网系统拓扑结构等问题选择适当孤岛检测方法,某一种检测法或某几种检测法配合使用。随着孤岛检测方法研究的逐步深入,已经形成了多种孤岛检测方法,概括起来,主要包括电网端孤岛检测方法和逆变器端孤岛检测方法,逆变器端的检测法又包括被动和主动两类检测法,表示如下: 被动式检测方法是通过检测并网处的电压幅值、频率、谐波含量是否发生突变并偏离并网标准的规定范围来确定是否发生孤岛。常用方法有:电压幅值检测法、电网频率检测法、电压谐波及无功检测法等。其工作原理简单,易于实现,但在逆变器输出功率与负载功率相近时失效。这里不作详细分析。二、光伏系统主动检测与防护孤岛功能研究主动式检测方法是指通过主动、定时地对逆变器给定信号的某个量,如对频率、幅值设置一个小的定时扰动,电网正常工作时,由于电网的钳制作用,这些扰动带来的影响非常小,可以忽略。一旦电网出现故障,逆变器输出的扰动将快速累积并超出并网标准允许的范围,从而触发孤岛效应的保护电路。下面介绍几种常用的主动式孤岛检测方法。2.1 频率漂移法 这种方法通过使用正反馈的手段来扰动参考频率，以此达到电网频率漂移的目的。当电网处于正常情况时，电网频率不会发生漂移，但是当电网断开时，系统扰动将使频率发生漂移直到触发频率异常保护，对应的措施如下所述。 (1) 主动频移法(ADF) 如果逆变器输出的电流波形有轻微的畸变，那么该电流将产生零序电流分量导致频率偏移。通过迫使电流频率稍大于电压频率 并且从电流波形负半周波的结尾到正半周波过零点之间保持逆变器的输出电流为零，可实现逆变器输出电流畸变。AFD 斩波因数定义为： （2.1） 式中，Tz是 AFD 信号的零值时间，T 是电网电压的周期。 稳态下，对应该方法的逆变器输出电流幅值和相位的参考值为 (2.2) 然而，电网的存在将阻止频率改变的趋势。但在孤岛情况下，频率将会发生偏移，同时电网将由于频率异常保护而跳闸。这种方法会使检测盲区减少到零，这将依赖于 LC 负载的品质因数和 ，这与用于测高品质因数负载的 OUF-OUV 检测方法非常近似。 (2) 滑动模式频率偏移法(SMS)在这种方法中，在公共接入点电压相位上施加一个正反馈来短时间内使逆变器频率变得不稳定4。逆变器的相位定义为一个以频率为变量的函数，合理设计逆变器的相位响应曲线，使逆变器的相位比单位功率因数的 RLC 负载相位在电网频率附近增加更快。如果电网发生跳闸并且公共接入点电压的频率发生畸变，逆变器相位响应曲线的相位误差将增加，进而造成频率的不稳定。这种不稳定性将进一步放大公共接入点电压的频率扰动，同时，频率将完全发生偏移直到触发频率异常保护。稳态时，对应逆变器输出电流幅值和相位的参考值： （2.3）式中，fm是最大相移出现时的频率。在这种方法中，对于一个给定的品质因数 Q，通过选择满足下式的 fm和值5，有可能使检测盲区为零。 （2.4） (3) Sandia 频移法(SFS)该方法也叫做带有正反馈的主动式频移，这是主动频移方法的扩展，也是另一种使用正反馈的方法。在这种方法中，运用正反馈使公共接入点的电压频率发生偏移。为实施正反馈，主动频移的斩波部分定义为电网频率的误差函数6： （2.5）式中，k 是加速增益，当没有频率误差时cf0 是斩波系数，f-fn是频率估计值和额定值之差。 当逆变器与公用电网连接时，该方法能检测出很小的频率变化，且试图增大频率变化；当系统并网时，电网的稳定性会阻止频率变化。当电网断开并且 f 增大时，频率误差会增大，斩波部分会增加，光伏逆变器频率也会增加。逆变器起到了加强频率偏移的作用，这一过程一直持续到频率达到频率异常的阈值。根据参考文献7，对于 QR，Z=X，90 ，一般功率角 较小，则有 cos1，sin，式（4.2）化简后可得： (4.3)低压配电系统中，RX，ZR，0，则 (4.4) 由式（4.3），（4.4）可见，在 E 为常数情况下，无论高、低压配电系统，有功功率、无功功率与逆变器输出电压幅值、相角做下垂线性关联。低压配电系统中，光伏下垂的交流电压源特性如图 4.3 所示。 图4.3 光伏下垂特性曲线4.3.2 环流抑制分析多台微电源以电压源形式运行时， 环流是首要解决的问题32，下垂控制策略对环流的抑制功能如图4.4所示。 图 4.4 并联光伏功率下垂特性曲线由图 4.4 可知，下垂特性为，幅值大的在曲线 u1上由 A 向 B 移动， 幅值小的在曲线 u2 上由 D 向C 移动，直至幅值相等（同样适合频率不同时的情况）。 在完成均分功率的同时，使得电压源的幅值和频率相等，将环流抑制到最小。4.4 下垂控制器设计光伏逆变器拓扑结构如图 4.5 所示。 图 4.5 光伏逆变器拓扑结构图图 4.5 中光伏逆变器采用 LC 滤波， 逆变器输出电压、电流分别为 uk，ik；滤波电阻 Rf 很小，可以忽略，滤波电容的电压、电流分别为 uck，ick；icsk 为流向负荷与电网的电流和；k 为 a，b，c 三相。 鉴于光伏逆变器并网发电和孤岛运行时， 拓扑结构相同，经 park 变化，其状态方程为 (4.5)式中：Ud ，Uq 为电网电压 dq 轴分量；ucd ，ucq 为滤波电容电压；id ，iq 为滤波电感电流。基于下垂控制策略设计的功率控制器如图 4.6所示。图4.6 功率控制器设计结构图由于频率信号容易测量， 将相角控制改为频率控制。控制环中的功率为瞬时值，提高整个系统的实时性，加入 PI 环节可以稳定输出电压精度。稳态时，式（4.5）为零，电容电压、电感电流的线性关系构成逆变控制中电压、电流 PI 闭环使用依据，同时注意受控量所受的扰动，将这些扰动量加入控制系统可使受控量控制更加快速准确。图 4.7 d 轴电压、电流双闭环控制结构图由图 4.7 可知，以电容电压反馈为外环，电感电流反馈为内环。电感电流内环的引入可以使滤波电感成为可控的电流源，提供系统稳定性。4.5 本章小结本文以两台光伏，一台其他分布式电源构建微电网模型，在分析了控制策略转变需求的基础上， 提出基于主从模式的下垂控制策略，重新设计下垂特性，保证负载变化时的功率平衡，采用电压、电流双闭环控制改善输出电能。但是没有通过 Simulink 仿真结果验证该控制策略的可行性和有效性，由于时间有限，只能作为下一步的工作重点。参考文献1 IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic(PV) systemsSIEEE Std.929-20002 Raymond M.Hudson，Tony Thome，Fereydoun MekanilImplementation and testing of anti-islanding algorithms for IEEE 929-2000 complance of single phase photovoltaic inv-ertersJIEEE2005：14143 De Mango, F., Liserre, M. and Dell Aquila, A., Overview of Anti-islanding Algorithms for PV Systems. 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