太陽能光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中孤島效應的仿真研究

1、2009年3月 燈與照明 第33卷第1期太陽能光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中孤島效應的仿真研究陳 雷,石新春,趙艷軍,王艷玲1112(1.華北電力大學,河北保定071003;2.河北大學,河北保定071000)摘 要:光伏并網發(fā)電系統(tǒng)除了具有過壓、欠壓、過頻、欠頻等常規(guī)保護外,還應具有一種特殊的保護功能 孤島保護。被動式孤島保護常采用過壓欠壓檢測和相位突變檢測相結合的方法。兩種被動保護相結合能夠保護絕大部分孤島現(xiàn)象。但當PV系統(tǒng)輸出功率和負載匹配時,被動式孤島檢測方法失效。因此,本文采用被動式孤島檢測和主動頻率偏移(AFD)相結合的孤島檢測方法,實現(xiàn)了孤島效應的無盲區(qū)檢測。關鍵詞:并網;孤島效應;檢測;孤

2、島保護TheIslandEffectSimulationResearchintheSolarGrid-connectedPVSystemChenLei,ShiXinchun,ZhaoYanjun,WangYanling1112(1.NorthChinaElectricPowerUniversity,BaodingHebei071003;2.HebeiUniversity,BaodingHebei071000)Abstract:GridconnectedPVsysteminadditiontohavingover-voltage,under-voltage,overfrequent,less-f

3、requent,suchasconventonalprotection,wemustalsohaveaspecialkindofprotection-Gudaoprotection.Gudaopassiveprotectionregularlyusethecombinemethodsofover-voltageunder-voltagedetectionandphasemutationdetection.Thecombinationoftwotypesofpassiveprotectiontoprotectthevastmajorityofislandphenomenon.However,wh

4、enthePVsystemoutputpowerandloadmatch,thepassivedetectionmethodGudaofailure,Therefore,theuseofpassiveandactiveGudaodetectionfrequencydeviation(AFD)combiningGudaodetectionmethods,theachievementoftheislandeffectofthenon-blindspotdetection.Keywords:grid;islandeffect;detection;Gudaoprotection嚴重的后果。因此,研究孤

5、島檢測方法及保護措施,消除孤島產生的危害具有十分重要的現(xiàn)實意義。0 引言隨著光伏并網發(fā)電的發(fā)展,越來越多的并網發(fā)電系統(tǒng)并接到電網上,這就帶來了電網保護的新現(xiàn)象 孤島效應。孤島效應就是當電網由于某種原因中斷供電時,光伏并網發(fā)電系統(tǒng)仍然向周圍的負載供電,從而形成一個電力公司無法控制的自給供電的孤島。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)時會產生收稿日期:2008 10 091 孤島效應的危害1)當發(fā)生孤島效應時,電網無法控制孤島中的電壓和頻率。若電壓和頻率超出允許的范圍,可能會對用戶的設備造成損壞。2)孤島效應發(fā)生時線路上仍然帶電,會對檢修人員的人身安全造成威脅,降低了電網的安全性。作者簡介:陳雷(19

6、81-),男,華北電力大學電力電子與電力傳動專業(yè)在讀碩士,主要從事電源技術、光伏技術應用方面研究。2009年3月過載運行,容易將其燒毀。燈與照明 第33卷第1期最大響應時間(周期)6120正常運行12063)若負荷容量大于PV系統(tǒng)的總容量,PV系統(tǒng)4)斷路器的復位及自動重合閘會使主系統(tǒng)與孤島失步。因此研究孤島效應的檢測方法和保護措施,將孤島效應的危害降至最低,具有很重要的理論意義和工程意義。表1 光伏并網系統(tǒng)電壓異常響應時間電壓范圍(公共耦合點)V<50%50%!V!88%88%<V<110%110%!V!137%V>137%2 反孤島效應常用的方法常用的反孤島效應的檢

7、測方法有被動式孤島檢測和主動式孤島檢測。2.1 被動式檢測方法被動式檢測方法也稱無源檢測方法,主要有過壓 欠壓、過頻 欠頻、相位突變和電壓諧波檢測三種檢測方法。被動式檢測方法,具有原理簡單、容易實現(xiàn)、對電能質量無影響的優(yōu)點。但單獨使用一種被動式孤島檢測方法,檢測盲區(qū)大。因此,本文采用過壓 欠壓和相位突變檢測相結合的被動式孤島檢測方法,有效地減小了檢測盲區(qū)。2.2 主動式檢測方法主動式檢測方法主要有主動頻率偏移(ActiveFrequencyDrift,AFD)、滑模頻率偏移(SlipModeFrequencyShift,SMS)和輸出功率擾動三種常用的方法。對于主動式檢測方法,雖然檢測盲區(qū)較小

8、,但是均會對并網系統(tǒng)輸出電能質量有影響。并且實現(xiàn)方法比較復雜,不利于工程實現(xiàn)。而且單純地采用一種主動式檢測方法并不能完全排除檢測盲區(qū)的存在?；谏鲜龇治?本文提出一種主被動相結合的檢測方法,實現(xiàn)了孤島效應的無盲區(qū)檢測。表2 并網系統(tǒng)頻率異常響應時間分布式系統(tǒng)容量/kW!30頻率范圍/Hz<49.3>50.5<47.0>30<(47.049.3)>50.5響應時間/s0.160.160.160.16到300可變0.16圖1 并網結構示意圖4 孤島效應分析當電網供電因故障或停電維修而跳脫時,PV系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電網絡,形成由PV系統(tǒng)和周圍

9、負載組成的自給供電的孤島。1)當繼電器S閉合時,并網系統(tǒng)正常工作。由于鎖相環(huán)的作用,PV系統(tǒng)輸出的電流和電網電壓同頻同相,因此可將PV系統(tǒng)看作電流源。公共節(jié)點A的電壓由電網電壓決定。其幅值在198V242V之間。如果負載有功功率大于PV陣列所提供的功率,不足處由電網補充。反之,多余的功率饋入電網。由于PV系統(tǒng)的功率因數(shù)為1,則負載所需的無功功率均由電網提供。2)當由于某種原因,繼電器S斷開時,發(fā)生孤島效應。合閘時,PV系統(tǒng)向公共節(jié)點A輸入的功率為P+jQ,負載得到的功率為PL+jQL,則電網向公共節(jié)點A點發(fā)出的功率為:P=PL-PQ=QL-Q(1)(2)3 并網標準并網工作時,電網電壓正常范圍

10、為標準電壓的88%110%,當電網電壓超出正常范圍時,并網系統(tǒng)應該立即檢測出并在規(guī)定的響應時間內脫離電網。具體數(shù)據(jù)如表1所示。對于我國50Hz交流系統(tǒng)來說,系統(tǒng)正常工作范圍是49.350.5Hz。根據(jù)系統(tǒng)功率情況,并網系統(tǒng)頻率異常響應時間分為兩類,具體規(guī)定如表2所示,并網結構示意圖見圖1。由于PV系統(tǒng)的功率因數(shù)為1,因此,PV系統(tǒng)只向電網發(fā)送有功功率,則Q=0,Q=QL。當孤島2009年3月燈與照明 第33卷第1期效應發(fā)生瞬間,P#0,則孤島效應發(fā)生時,A點電壓發(fā)生變化。此時,可以采用過壓欠壓檢測的方法實現(xiàn)孤島保護。但是,當PV系統(tǒng)輸出功率和負載功率匹配時,P=Q=0,即使斷網,A點電壓也不會

11、發(fā)生變化。則過壓欠壓檢測的方法失效,此時,可以采用相位突變的方法檢測孤島效應的發(fā)生。3)PV系統(tǒng)可以看作一個和電網電壓同頻同相的電流源。iPV=Imsinw(t-t0)式中 iPV PV系統(tǒng)輸出電流;Im 電流幅值;t0 初相角。因此,公共節(jié)點A點電壓完全取決于電網電壓。如果電網斷電,A點電壓取決于iPV與負載的乘積。由于鎖相環(huán)對PV系統(tǒng)輸出電流的頻率和相位的鎖相作用,使得PV系統(tǒng)的電流和電網電壓只在電壓過零點同步。若電網斷電,PV系統(tǒng)輸出電流為相位不變的正弦波。若負載為感性則電壓超前于電流,若負載為容性則電壓落后于電流,因此導致電壓相位突變。此時可以通過檢測PV系統(tǒng)電流和電網電壓相位差的大小

12、來檢測孤島效應的發(fā)生。4)如果負載近似呈阻性并且PV系統(tǒng)輸出功率和負載功率匹配時,這兩種被動式孤島檢測方法失效。5)要實現(xiàn)孤島效應的無盲區(qū)檢測,可以將這兩種被動式孤島檢測方法和主動頻率偏移法相結合。當過壓欠壓檢測和相位突變檢測均失效時,采用AFD方法進行孤島檢測。對于AFD檢測,即通過周期性的改變輸出并網電流頻率來實現(xiàn)反孤島效應的功能。此種方法不會增加系統(tǒng)的成本。頻率偏移有正偏移和負偏移兩種方法。本文采用正偏移的方法。具體的實現(xiàn)思想為:系統(tǒng)通過軟硬件電路周期性檢測出相鄰兩次電網電壓過零點的時刻,計算出電網的頻率f,然后,引入微小的偏移量f,將f+f作為輸出PV電流的給定頻率。并且在電網電壓每次

13、過零時刻使輸出并網電流復位。當并網系統(tǒng)正常運行時,負載上電壓的頻率即為電網電壓頻率。但是當孤島效應發(fā)生時,PV系統(tǒng)輸出電流獨自作用在負載上,由于輸出并網電流頻率的逐周期偏移,就形成了給定輸出并網電流頻率的正反饋,而使得負(3)載電壓的頻率很快超過設定的頻率閾值,發(fā)出孤島信號,并使PV系統(tǒng)脫離電網。6)由此可見,前兩種組合式的被動式孤島保護方法的檢測盲區(qū)由AFD檢測方法來彌補,因此可以實現(xiàn)無盲區(qū)檢測。并且被動式孤島檢測方法對電能質量無影響,且AFD檢測法對系統(tǒng)成本無影響。綜合考慮,該方法合理。7)檢測的流程圖如下:設電壓上限閾值為:VS電壓下限閾值為:VD相位閾值為:X設頻率上限閾值為:PS設電

14、壓下限閾值為:Pd孤島效應檢測流程圖見圖2。圖2 孤島效應檢測流程圖5 仿真分析在光伏并網系統(tǒng)中,發(fā)生孤島效應時,過壓 欠壓和相位突變這兩種保護基本實現(xiàn)了孤島保護。實際上,被動式保護失效的情況極為少見,因此,本文只對兩種被動式結合的孤島保護進行了仿真,并對主被動式相結合的保護方法的硬件實現(xiàn)進行了簡單描述。按照上述方法對兩種被動式結合的孤島檢測方法進行了MATLAB-Simulink仿真,證明了該種主被動式孤島檢測相結合的方法能夠實現(xiàn)孤島效應的無盲區(qū)檢測。并且綜合考慮了對電能質量的要求,采用被動式檢測為主,主動式檢測(AFD)為輔的檢2009年3月 燈與照明 第33卷第1期測方法。仿真波形見圖3

15、圖5。測的方法實現(xiàn)對過電壓和欠電壓的檢測。該檢測方法為先將三相交流電進行三相橋式整流,然后濾波,再對整流出來的脈動波形進行峰值判斷,當峰值高于規(guī)定的最高值和低于最低值時,發(fā)生孤島信號,使電網斷電。對于單相并網逆變器的孤島檢測只能通過采用DSP或者單片機先計算采樣電壓的有效值,然后和電壓標準進行比較,以實現(xiàn)過欠電壓保護。對于相位的檢測,可以和鎖相環(huán)相結合,因為并網逆變器要實現(xiàn)并網必須首先和電網同頻同相,這就需要一個基準相位信號。因此,并網逆變器本身圖3 電網電壓發(fā)生孤島時輸出波形帶有鎖相環(huán),把相位檢測和鎖相環(huán)結合起來,可以降低系統(tǒng)成本,并且實現(xiàn)起來比較方便。對于主動頻率偏移法的硬件實現(xiàn),只能通過

16、單片機等軟件進行控制,采用軟硬件結合的方法來實現(xiàn)。7 小結本文采用一種被動式和主動式相結合的孤島效應檢測方法,實現(xiàn)了并網孤島效應的無盲區(qū)檢測。該種檢測方法對電能質量的影響小,檢測簡單方便,圖4 a點負載輸出電壓適合工程實現(xiàn)。并且易于硬件電路的搭建,系統(tǒng)發(fā)生故障幾率小,可以作為工程應用的參考。參考文獻:1 IEEErecommendedpracticeforutilityinterfaceofphotovoltaic(PV)systemsS.IEEEStd.92920002 JeraputraC,EnjetiP.Developmentofarobustantiislandingalgorithm

17、forutilityinterconnectionofdistributedfuelcellpoweredgenerationJ.IEEETransactionsonPowerElectronics,2004,19(5):116311703 YeZH,KolwalkarA,ZhangY,eta1.Evaluationofanti-islandingschemesbasedonnondetectionzoneconceptJ.圖5 PV系統(tǒng)輸出電流波形IEEETransactionsPowerElectronics,2004,19(5):117111764 SmithGA,OnionsPA,InfieldDG.Predictingislandingoperationofg