分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島時的運行控制-

1、分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島時的運行控制陳衛(wèi)民,陳國呈,崔開涌,曹大鵬,張翼,吳春華(上海大學(xué)上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室,上海市200072摘要:以光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為對象,提出了分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島下繼續(xù)供電運行的控制策略,將含有分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)進(jìn)行孤島分層,通過控制不同層次的孤島控制單元和并網(wǎng)發(fā)電逆變器以實現(xiàn)孤島運行,同時分析了孤島控制單元的主要功能和并網(wǎng)逆變器在孤島運行中輸出功率自調(diào)整以及電網(wǎng)恢復(fù)正常后再并網(wǎng)的方法。仿真和實驗結(jié)果表明,該控制方法可使分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)和孤島下靈活運行,從而提高了分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的使用率。關(guān)鍵詞:并網(wǎng)發(fā)電;孤島運行;孤島分層;功率調(diào)整;再

2、并網(wǎng)中圖分類號:TM615;TM76收稿日期:2007211227;修回日期:2008202217。高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20060280018;臺達(dá)電力電子科教發(fā)展基金(DREO2006017;上海市教委重點項目基金(06ZZ03;上海市科委登山計劃項目(06DZ12211。0引言各種分布式發(fā)電系統(tǒng)(D GS 如太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等已從獨立發(fā)電方式向并網(wǎng)發(fā)電的方式轉(zhuǎn)變。根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)1,分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島出現(xiàn)時必須在2s 內(nèi)停止輸出功率,從而影響了發(fā)電系統(tǒng)的利用率。為最大限度地利用分布式并網(wǎng)發(fā)電,新標(biāo)準(zhǔn)IEEE 154720032鼓勵供電方和用戶盡可能實現(xiàn)在孤島條件下繼續(xù)供電

3、運行。本文的孤島運行方式即順應(yīng)了上述新思路,定義為:當(dāng)并網(wǎng)的D GS 出現(xiàn)孤島狀態(tài)時,通過功率調(diào)整等方法將原來的并網(wǎng)發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)楠毩l(fā)電模式繼續(xù)供電,而當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時又自動再并網(wǎng)的運行方式。文獻(xiàn)329從系統(tǒng)端研究了含D GS 的電網(wǎng)在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電力孤島時進(jìn)行快速恢復(fù)的算法及分布式電源(D G 在孤島狀態(tài)下的供電策略,其前提是D GS 逆變器設(shè)計必須滿足電力系統(tǒng)的控制需求。實際上,要實現(xiàn)D GS 在孤島下繼續(xù)運行,其內(nèi)部的并網(wǎng)逆變器必須相應(yīng)改進(jìn)才能滿足孤島運行的要求,而從逆變器端進(jìn)行的孤島運行研究還未見文獻(xiàn)提及。本文提出將含有D GS 的電網(wǎng)進(jìn)行孤島分層,通過不同分層的控制單元和并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)

4、孤島運行,同時討論了各控制單元的主要功能和并網(wǎng)逆變器在孤島運行中的控制方法。1孤島分層及其運行控制1.1含D G S 的孤島運行分析當(dāng)含有D GS 的電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)電力孤島時,若島內(nèi)的D GS 提供的電功率大于島內(nèi)的負(fù)載需求,則系統(tǒng)通過技術(shù)手段繼續(xù)供電運行;若小于島內(nèi)負(fù)載最小的功率需求則停止運行。對于不含儲能環(huán)節(jié)的D GS ,系統(tǒng)輸出電功率減去島內(nèi)負(fù)載需求的功率要有一定的正余量,余量的大小設(shè)定為超出負(fù)載功率需求的20%為佳,通過功率調(diào)整也可進(jìn)行孤島運行。由于孤島運行時島內(nèi)負(fù)載的功率需求是變化的,所以需要實時采集電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和潮流數(shù)據(jù),監(jiān)測聯(lián)絡(luò)線的穩(wěn)態(tài)功率變化并計算孤島內(nèi)的功率平衡程度,然后采取減載

5、、D GS 輸出功率調(diào)整等控制措施使供電穩(wěn)定。另外,孤島運行時,系統(tǒng)應(yīng)實時監(jiān)測電網(wǎng),當(dāng)電網(wǎng)故障恢復(fù)時,D GS 能夠重新并網(wǎng)。1.2孤島分層及控制圖1為D GS 并網(wǎng)示意圖,D GS 通過不同的配電站與大電網(wǎng)相連接?？紤]到功率平衡原則、D GS 的產(chǎn)權(quán)關(guān)系、電氣分布、地理位置及調(diào)度管轄范圍等因素,文獻(xiàn)10將孤島分成電廠級和變電站級。電廠級孤島包含1個或1組D GS 及其周邊負(fù)荷的功率基本平衡區(qū)域;變電站級孤島包含配電站部分或全部負(fù)荷及其下級所有D GS 的功率基本平衡區(qū)域,其解列點一般設(shè)置在配電站系統(tǒng)進(jìn)線或開關(guān)上。圖1中Zone1和Zone2為電廠級孤島,Sp1和Sp2為電廠級孤島的解列點,Z

6、one0為變電站級孤島,Sp0為變電站級孤島的解列點,電廠級孤島Zone1和Zone2包含在變電站級孤島Zone0中。顯然,孤島出現(xiàn)時,快速計算潮流、功率平衡性第32卷第9期2008年5月10 日Vol.32No.9May 10,2008的判斷等依靠D GS 內(nèi)的微處理器計算是不可行的,需要借助具有高速通信、計算能力強的分布式控制系統(tǒng)來完成,然后由控制系統(tǒng)將計算結(jié)果傳送給D GS 。將控制系統(tǒng)分為2層:第1層由安裝在D G 側(cè)的控制單元(D GU 構(gòu)成,每個D GU 管理1個電廠級孤島;第2層由安裝在配電變電站的變電站控制單元(DSU 構(gòu)成,每個配電變電站安裝1個DSU 。D GS ,D GU

7、 ,DSU 三者之間通過高速通信進(jìn)行聯(lián)系。各部分的主要功能規(guī)定如下 。圖1DG S 并網(wǎng)示意圖Fig.1Structure of grid 2connected DG S1.2.1D GS 的主要功能1并網(wǎng)時,D GS 將最大功率輸出到電網(wǎng)上。2當(dāng)孤島出現(xiàn)時,D GS 檢測出孤島,將孤島信息發(fā)送到D GU ,D GU 再將孤島信息發(fā)送到DSU 。3孤島運行期間,輸出功率可實現(xiàn)自調(diào)整,實現(xiàn)輸出功率與負(fù)載需求功率匹配,保持孤島穩(wěn)定運行。4電網(wǎng)恢復(fù)正常時,D GS 根據(jù)電網(wǎng)的參數(shù),調(diào)整孤島電壓與電網(wǎng)電壓同步,實現(xiàn)再并網(wǎng),同時又以最大功率輸出。5孤島運行期間,D GS 不再進(jìn)行主動式孤島檢測,撤消主動

8、式擾動量,以提高輸出電能質(zhì)量。1.2.2DSU 的主要功能1孤島后,快速計算孤島內(nèi)電網(wǎng)輸出功率與負(fù)載需求功率的缺額,甩掉多余的負(fù)荷,實現(xiàn)實時減載,使孤島內(nèi)功率平衡,保證孤島穩(wěn)定運行。2當(dāng)功率缺額大于總的可減負(fù)荷量時,發(fā)送“進(jìn)入電廠級孤島運行”指令給D GU 。3當(dāng)檢測到電網(wǎng)恢復(fù)正常時,由于此時電網(wǎng)電壓與D GS 的電壓一般并不同步,若當(dāng)前是變電站級孤島運行,則將電網(wǎng)的頻率、相位、幅值通過D GU 傳送到D GS ,要其調(diào)整孤島端電壓與電網(wǎng)電壓同步,準(zhǔn)備再并網(wǎng);若是電廠級孤島運行,則變電站級部分直接并網(wǎng),并發(fā)信息給D GU 。4當(dāng)檢測到孤島端電壓與電網(wǎng)電壓同步后,閉合解列點處的控制開關(guān),重新并網(wǎng)

9、。1.2.3D GU 的主要功能1當(dāng)接收到“進(jìn)入電廠級孤島運行”指令,斷開解列點處的控制開關(guān),進(jìn)入電廠級孤島運行,同時快速計算島內(nèi)功率缺額,通過合適甩載,保證孤島穩(wěn)定運行。2當(dāng)電廠級孤島功率缺額大于可減負(fù)荷總量時,通知D GS 停止輸出電功率。3檢測到電網(wǎng)恢復(fù),將電網(wǎng)的頻率、相位、幅值傳送到D GS ,使其輸出電壓與電網(wǎng)電壓保持同步。4檢測到孤島內(nèi)的電壓與電網(wǎng)電壓同步后,閉合解列點處的控制開關(guān),重新并網(wǎng)。2D G S 在孤島運行中的控制第1節(jié)所述的孤島運行的分層控制中,若DSU ,D GU ,D GS 均能滿足各自功能,即可實現(xiàn)孤島運行。DSU 和D GU 的主要功能可通過電力系統(tǒng)軟件及通信技

10、術(shù)實現(xiàn),而D GS 需要進(jìn)行改進(jìn)才能滿足要求。下面將對D GS 在孤島運行需要滿足的要求進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)(其中孤島檢測功能目前已有很多解決方法,此處不再贅述,并針對并網(wǎng)逆變器孤島運行時的功率調(diào)整、再并網(wǎng)時的電壓同步調(diào)整提出控制方法。2.1輸出功率調(diào)整方法孤島時,雖然可通過甩載等操作使功率達(dá)到大致平衡,但要使孤島內(nèi)負(fù)載端電壓穩(wěn)定仍需要D GS 的功率調(diào)整。如圖1所示,設(shè)D G1輸出有功功率為P D GS ,加載在其上的負(fù)載消耗功率為P load ,則P =P load -P D GS (1式中:P 為D GS 輸出功率與負(fù)載需求功率的缺額,P 為正表示D GS 不能滿足負(fù)載需求,P 為負(fù)表示D GS

11、 可滿足負(fù)載需求。負(fù)載消耗的有功功率是端電壓的函數(shù):P load=V 2pcc R load(2式中:V pcc 為并網(wǎng)公用連接點(PCC 的電壓。因此,孤島時D GS 應(yīng)保持負(fù)載兩端電壓恒定。如果此時DSU 經(jīng)過甩載等措施后P 仍不等于0,PCC 的電壓將發(fā)生變化,并網(wǎng)逆變器可通過PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)逆變器的調(diào)制深度,控制輸出電流,以使P 等于0,從而使本地負(fù)載兩端電壓恒定。若控制綠色電力自動化陳衛(wèi)民,等分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島時的運行控制器通過PI 調(diào)節(jié)能使PCC 的電壓滿足:88%U 額定U pcc 110%U 額定(3則D GS 繼續(xù)供電運行,若輸出功率不穩(wěn)定,不能滿足電壓穩(wěn)定條件,并網(wǎng)控

12、制器停止輸出電功率。2.2再并網(wǎng)控制方法孤島分層控制單元檢測到電網(wǎng)恢復(fù)正常后要求重新再并網(wǎng),但此時孤島內(nèi)的端電壓與電網(wǎng)電壓并不一定同步,立即并網(wǎng)會引起大的電流沖擊。孤島控制單元將電網(wǎng)電壓參數(shù)發(fā)送給D GS ,要求D GS 并網(wǎng)逆變器調(diào)整輸出電壓使其與電網(wǎng)電壓同步,孤島控制單元檢測到電壓同步后才能閉合控制開關(guān)實現(xiàn)再并網(wǎng)。下面分析D GS 實現(xiàn)電壓同步的方法。以電流型分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為例,設(shè)逆變器脈寬調(diào)制(PWM 波形方程為:f (t =sin 0t(4式中:0為工頻頻率。并網(wǎng)逆變器輸出電流為:i inv (t =2I inv sin 0t(5電網(wǎng)恢復(fù)時,設(shè)電網(wǎng)電壓為:v A =2V A sin

13、 (0t +1(6孤島內(nèi)D GS 輸出電壓和電流分別為:v pcc (t =2V pcc sin (0t +2(7i inv (t =2I inv sin 0t(8電網(wǎng)電壓和D GS 輸出電壓相位差為1-2,令并網(wǎng)逆變器在下一個周期開始時將調(diào)制波修改為:f (t =sin (0t +1-2(9則輸出電流為:i inv (t =2I inv sin (0t +1-2(10若短時間內(nèi)負(fù)載無功功率不變化,則D GS 輸出電壓應(yīng)為:v pcc (t =2V pcc sin (0t +2+1-2=2V pcc sin (0t +1(11可見,通過調(diào)整逆變器的調(diào)制波相位可實現(xiàn)電壓相位同步,又由于孤島時D

14、GS 的頻率為工頻頻率,幅值穩(wěn)定在規(guī)定的電壓范圍之內(nèi),所以可實現(xiàn)孤島電壓與電網(wǎng)電壓同步。實際應(yīng)用中,當(dāng)1-2較大時,為減小輸出電流相位突變引起的畸變,設(shè)定1-2>5°時,調(diào)制波相位最大為5°,其他狀態(tài)下等下一個周期再進(jìn)一步調(diào)整,孤島端的電壓與電網(wǎng)電壓相位差小于設(shè)定的最小相位TH 時,可認(rèn)為相位基本同步。上述方法同樣適用于電壓型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。孤島運行期間,D GS 已不再需要主動式孤島檢測的算法,停止主動式擾動,以提高輸出電能質(zhì)量。3仿真及實驗本文對電流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(參見圖2孤島運行時的功率調(diào)整和再并網(wǎng)控制方法進(jìn)行了仿真,并在光伏并網(wǎng)發(fā)電的實驗平臺上進(jìn)行了實驗驗證。該

15、系統(tǒng)包括DC/DC 變換器、高頻逆變器、高頻變壓器、導(dǎo)抗變換器、高頻整流器、工頻逆變器以及數(shù)字信號處理器(DSP 并網(wǎng)控制器等11。實驗參數(shù)為:直流母線電壓E d =310V 、高頻逆變器載波頻率20k Hz 、導(dǎo)抗變換器電感L 1=L 2=210H 、電容C 1=1.2F 、變壓器變比14,輸出最大電流10A ,本地負(fù)載為純電阻負(fù)載。圖3為本地負(fù)載電阻設(shè)為55時的孤島運行實驗波形。孤島出現(xiàn)后,如圖3(a 所示,D GS 調(diào)整輸出電流使PCC 的電壓穩(wěn)定,此時D GS 工作在孤島運行狀態(tài);當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時,如圖3(b 所示,D GS 調(diào)整PCC 的電壓,與電網(wǎng)電壓相位相等時閉合開關(guān)重新并網(wǎng),同

16、時以最大功率向外輸出功率。實驗情況與仿真分析(仿真系統(tǒng)圖及仿真結(jié)果見附錄A 和附錄B 一致 。圖2電流型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2T opology of current 2type grid 2connected photovoltaic pow er2008,32(9 圖3孤島運行實驗結(jié)果Fig.3Experimental w aveforms of islanding running附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http :/www.aep s s/ch/index.asp x 。參考文獻(xiàn)1IEEE Std 9292000Recommended practice for utilityinte

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