孤島運行下的光伏發(fā)電技術(shù)

1、基于孤島運行的光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究一、緒論太陽能作為一種綠色能源，是人類取用不竭的可靠能源。大力開發(fā)和利用太陽能是建立起清潔和可持續(xù)發(fā)展能源體系的必由之路。太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能最靈活方便的一種方式，近年來在國際上受到廣泛重視并取得了長足進展。因此，深入研究光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，對于節(jié)約常規(guī)能源、保護環(huán)境、促進經(jīng)濟發(fā)展都有極為重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。但光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)會給電網(wǎng)運行帶來不利影響。其中光伏發(fā)電最大的技術(shù)挑戰(zhàn)和潛在危險就是孤島效應，因此孤島效應的檢測和防護是目前頗受關(guān)注的一個課題。1.1 孤島檢測的研究意義在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)不能直接與電網(wǎng)并聯(lián)，而是通過逆變

2、器作為接口元件與電網(wǎng)連接，這就涉及到一個新的安全問題“孤島”。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)越來越多的被應用，孤島日益成為人們關(guān)注的焦點。 孤島檢測的含義及意義 圖 1.1 孤島系統(tǒng)原理電路圖孤島效應是指當電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因中斷供電時，光伏并網(wǎng)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孤島1。孤島系統(tǒng)原理電路圖如圖 1.1 所示，斷路器斷開時逆變器與 RLC 負載就構(gòu)成了一個“孤島”。光伏電池輸出能量將隨著太陽照射強度的變化而變化，當光照強度大時，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率較大。當光伏逆變器輸出的容量超出本地負載的需求時，多余的能量將輸送到電網(wǎng)上供其他負載使用；當光照

3、強度較弱或者晚間光伏電池完全停止工作時，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的能量降低或者為 0，此時負載所需的能量由電網(wǎng)提供。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)時會產(chǎn)生嚴重的后果，其危害性在于：（1） 孤島產(chǎn)生后，電力系統(tǒng)不再能控制光伏電源，電源的電壓和頻率可能會產(chǎn)生大波動，對孤島中的電力設備產(chǎn)生一定損害。 （2）孤島并網(wǎng)重合閘時可能因為與電力系統(tǒng)電壓相位相差過大，導致再次跳閘，嚴重時損壞發(fā)電設備。 （3）孤島運行可能會對電力線路的維修人員造成傷害，降低電網(wǎng)安全性。 （4）電力孤島區(qū)域如果過載運行可能會損壞逆變電源。因此，及時檢測出孤島運行狀態(tài)并將光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器從公共點斷開是很有必要的，這就是所謂的孤島

4、檢測。 孤島檢測標準 IEEE Std.2000-929 和 UL1741 提出分布式供電系統(tǒng)必須具有檢測孤島效應的功能，并給出了并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電后檢測到孤島現(xiàn)象并將逆變器與電網(wǎng)斷開的時間要求2，如表 1.1 所示。1.2 孤島檢測基本原理光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測原理如圖 1.2 所示。正常情況下，光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)同時向負載供電。當電網(wǎng)出現(xiàn)故障斷開后，光伏系統(tǒng)獨立向負載供電。如果光伏逆變器輸出功率和負載功率近似匹配，如P=0，Q=0，這時很難檢測到電網(wǎng)斷開故障，從而形成孤島。 圖 1.2 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應原理圖P 是電網(wǎng)的有功功率輸出，Q 是電網(wǎng)的無功功率輸出，Pinv是光伏的有功功率輸出，

5、Qinv是電網(wǎng)的無功功率輸出，Pload是負載的有功功率，Qload是電網(wǎng)的無功功率。因此，功率平衡是指 Pinv=Pload-P; Qinv=Qload-Q (1.1) 如果 Pinv=Pload，那么在光伏系統(tǒng)輸出的功率和電網(wǎng)輸出的功率之間將不存在有功功率失配的問題。同樣的，如果 Qinv=Qload，那么在光伏系統(tǒng)輸出的功率和電網(wǎng)輸出的功率之間將不存在無功功率失配的問題。 在發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)斷開的時刻，系統(tǒng)的響應時間將取決于孤島形成之前P和Q 的瞬時值。如果 RLC 負載的諧振頻率與電網(wǎng)頻率一致，那么線性負載將不吸收或者消耗無功功率，而有功功率將與電壓成比例。在負載與電網(wǎng)斷開之后，負載消耗

6、的有功功率將與光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的功率一致，電網(wǎng)電壓將變?yōu)椋?V=KV (1.2)式中 （1.3）當 PinvPload時，電壓幅值將會增大，如果 PinvPload，電壓幅值將會減小。無功功率將取決于電壓的頻率和幅值： （1.4）用這種方式可計算出孤島情況下的變化： （1.5） 電網(wǎng)在運行期間，會受到各種各樣的擾動影響，如電網(wǎng)電壓跌落、過電壓、諧波畸變和頻率變化等。為避免這些不利因素的影響，電網(wǎng)運營商必須要制定出孤島保護策略。根據(jù) EN 50160（公共低壓配電網(wǎng)要求），表 1.2 給出了電網(wǎng)電壓幅值頻率的限值。 表1.2 EN 50160 中電網(wǎng)電壓和頻率的最大變化量 孤島檢測最難以實現(xiàn)的情況是

7、系統(tǒng)有功和無功功率平衡，這時電網(wǎng)電壓不存在頻率和幅值的變化，即P=0 和Q=0。很明顯，如果P 太小，電壓幅值將不會有太大的變化，同樣，如果Q 太小，頻率值也不會有太大的變化，這樣將無法有效地使光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)分離，阻止孤島情況發(fā)生。 通過計算光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的有功和無功功率的失配量可獲得檢測區(qū)，同時可以設置電壓頻率和幅值變化的閾值。P 和Q 有很大機會落入檢測盲區(qū)，因為該區(qū)域沒有電壓和頻率異常。因此，僅僅通過監(jiān)測電壓和頻率來實現(xiàn)反孤島效應保護是比較困難的，要想實現(xiàn)有效的保護，必須結(jié)合其他孤島檢測方法。1.3 孤島檢測方法概述當電力系統(tǒng)中含有分布式電源(DG)時,孤島檢測的及時性、有效性對

8、整個并網(wǎng)系統(tǒng)意義重大,孤島問題研究的基礎在于可靠的孤島狀態(tài)檢測。通常要綜合考慮分布式電源(DG)的特點、應用場合、并網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)等問題選擇適當孤島檢測方法,某一種檢測法或某幾種檢測法配合使用。隨著孤島檢測方法研究的逐步深入,已經(jīng)形成了多種孤島檢測方法,概括起來,主要包括電網(wǎng)端孤島檢測方法和逆變器端孤島檢測方法,逆變器端的檢測法又包括被動和主動兩類檢測法,表示如下: 被動式檢測方法是通過檢測并網(wǎng)處的電壓幅值、頻率、諧波含量是否發(fā)生突變并偏離并網(wǎng)標準的規(guī)定范圍來確定是否發(fā)生孤島。常用方法有:電壓幅值檢測法、電網(wǎng)頻率檢測法、電壓諧波及無功檢測法等。其工作原理簡單,易于實現(xiàn),但在逆變器輸出功率與負載

9、功率相近時失效。這里不作詳細分析。二、光伏系統(tǒng)主動檢測與防護孤島功能研究主動式檢測方法是指通過主動、定時地對逆變器給定信號的某個量,如對頻率、幅值設置一個小的定時擾動,電網(wǎng)正常工作時,由于電網(wǎng)的鉗制作用,這些擾動帶來的影響非常小,可以忽略。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并網(wǎng)標準允許的范圍,從而觸發(fā)孤島效應的保護電路。下面介紹幾種常用的主動式孤島檢測方法。2.1 頻率漂移法 這種方法通過使用正反饋的手段來擾動參考頻率，以此達到電網(wǎng)頻率漂移的目的。當電網(wǎng)處于正常情況時，電網(wǎng)頻率不會發(fā)生漂移，但是當電網(wǎng)斷開時，系統(tǒng)擾動將使頻率發(fā)生漂移直到觸發(fā)頻率異常保護，對應的措施如下所述。 (

10、1) 主動頻移法(ADF) 如果逆變器輸出的電流波形有輕微的畸變，那么該電流將產(chǎn)生零序電流分量導致頻率偏移。通過迫使電流頻率稍大于電壓頻率 并且從電流波形負半周波的結(jié)尾到正半周波過零點之間保持逆變器的輸出電流為零，可實現(xiàn)逆變器輸出電流畸變。AFD 斬波因數(shù)定義為： （2.1） 式中，Tz是 AFD 信號的零值時間，T 是電網(wǎng)電壓的周期。 穩(wěn)態(tài)下，對應該方法的逆變器輸出電流幅值和相位的參考值為 (2.2) 然而，電網(wǎng)的存在將阻止頻率改變的趨勢。但在孤島情況下，頻率將會發(fā)生偏移，同時電網(wǎng)將由于頻率異常保護而跳閘。這種方法會使檢測盲區(qū)減少到零，這將依賴于 LC 負載的品質(zhì)因數(shù)和 ，這與用于測高品質(zhì)因

11、數(shù)負載的 OUF-OUV 檢測方法非常近似。 (2) 滑動模式頻率偏移法(SMS)在這種方法中，在公共接入點電壓相位上施加一個正反饋來短時間內(nèi)使逆變器頻率變得不穩(wěn)定4。逆變器的相位定義為一個以頻率為變量的函數(shù)，合理設計逆變器的相位響應曲線，使逆變器的相位比單位功率因數(shù)的 RLC 負載相位在電網(wǎng)頻率附近增加更快。如果電網(wǎng)發(fā)生跳閘并且公共接入點電壓的頻率發(fā)生畸變，逆變器相位響應曲線的相位誤差將增加，進而造成頻率的不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定性將進一步放大公共接入點電壓的頻率擾動，同時，頻率將完全發(fā)生偏移直到觸發(fā)頻率異常保護。穩(wěn)態(tài)時，對應逆變器輸出電流幅值和相位的參考值： （2.3）式中，fm是最大相移出現(xiàn)時

12、的頻率。在這種方法中，對于一個給定的品質(zhì)因數(shù) Q，通過選擇滿足下式的 fm和值5，有可能使檢測盲區(qū)為零。 （2.4） (3) Sandia 頻移法(SFS)該方法也叫做帶有正反饋的主動式頻移，這是主動頻移方法的擴展，也是另一種使用正反饋的方法。在這種方法中，運用正反饋使公共接入點的電壓頻率發(fā)生偏移。為實施正反饋，主動頻移的斬波部分定義為電網(wǎng)頻率的誤差函數(shù)6： （2.5）式中，k 是加速增益，當沒有頻率誤差時cf0 是斬波系數(shù)，f-fn是頻率估計值和額定值之差。 當逆變器與公用電網(wǎng)連接時，該方法能檢測出很小的頻率變化，且試圖增大頻率變化；當系統(tǒng)并網(wǎng)時，電網(wǎng)的穩(wěn)定性會阻止頻率變化。當電網(wǎng)斷開并且

13、f 增大時，頻率誤差會增大，斬波部分會增加，光伏逆變器頻率也會增加。逆變器起到了加強頻率偏移的作用，這一過程一直持續(xù)到頻率達到頻率異常的閾值。根據(jù)參考文獻7，對于 QR，Z=X，90 ，一般功率角 較小，則有 cos1，sin，式（4.2）化簡后可得： (4.3)低壓配電系統(tǒng)中，RX，ZR，0，則 (4.4) 由式（4.3），（4.4）可見，在 E 為常數(shù)情況下，無論高、低壓配電系統(tǒng)，有功功率、無功功率與逆變器輸出電壓幅值、相角做下垂線性關(guān)聯(lián)。低壓配電系統(tǒng)中，光伏下垂的交流電壓源特性如圖 4.3 所示。 圖4.3 光伏下垂特性曲線4.3.2 環(huán)流抑制分析多臺微電源以電壓源形式運行時， 環(huán)流是首

14、要解決的問題32，下垂控制策略對環(huán)流的抑制功能如圖4.4所示。 圖 4.4 并聯(lián)光伏功率下垂特性曲線由圖 4.4 可知，下垂特性為，幅值大的在曲線 u1上由 A 向 B 移動， 幅值小的在曲線 u2 上由 D 向C 移動，直至幅值相等（同樣適合頻率不同時的情況）。 在完成均分功率的同時，使得電壓源的幅值和頻率相等，將環(huán)流抑制到最小。4.4 下垂控制器設計光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖 4.5 所示。 圖 4.5 光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖圖 4.5 中光伏逆變器采用 LC 濾波， 逆變器輸出電壓、電流分別為 uk，ik；濾波電阻 Rf 很小，可以忽略，濾波電容的電壓、電流分別為 uck，ick；icsk 為

15、流向負荷與電網(wǎng)的電流和；k 為 a，b，c 三相。 鑒于光伏逆變器并網(wǎng)發(fā)電和孤島運行時， 拓撲結(jié)構(gòu)相同，經(jīng) park 變化，其狀態(tài)方程為 (4.5)式中：Ud ，Uq 為電網(wǎng)電壓 dq 軸分量；ucd ，ucq 為濾波電容電壓；id ，iq 為濾波電感電流?；谙麓箍刂撇呗栽O計的功率控制器如圖 4.6所示。圖4.6 功率控制器設計結(jié)構(gòu)圖由于頻率信號容易測量， 將相角控制改為頻率控制?？刂骗h(huán)中的功率為瞬時值，提高整個系統(tǒng)的實時性，加入 PI 環(huán)節(jié)可以穩(wěn)定輸出電壓精度。穩(wěn)態(tài)時，式（4.5）為零，電容電壓、電感電流的線性關(guān)系構(gòu)成逆變控制中電壓、電流 PI 閉環(huán)使用依據(jù)，同時注意受控量所受的擾動，將這

16、些擾動量加入控制系統(tǒng)可使受控量控制更加快速準確。圖 4.7 d 軸電壓、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖由圖 4.7 可知，以電容電壓反饋為外環(huán)，電感電流反饋為內(nèi)環(huán)。電感電流內(nèi)環(huán)的引入可以使濾波電感成為可控的電流源，提供系統(tǒng)穩(wěn)定性。4.5 本章小結(jié)本文以兩臺光伏，一臺其他分布式電源構(gòu)建微電網(wǎng)模型，在分析了控制策略轉(zhuǎn)變需求的基礎上， 提出基于主從模式的下垂控制策略，重新設計下垂特性，保證負載變化時的功率平衡，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制改善輸出電能。但是沒有通過 Simulink 仿真結(jié)果驗證該控制策略的可行性和有效性，由于時間有限，只能作為下一步的工作重點。參考文獻1 IEEE recommended pra

17、ctice for utility interface of photovoltaic(PV) systemsSIEEE Std.929-20002 Raymond M.Hudson，Tony Thome，F(xiàn)ereydoun 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

18、, A., Overview of Anti-islanding Algorithms for PV Systems. Part II Active Methods. In Proceedings of the 12th International Power Electronics and Motion Conference, Auguse 2006, pp. 1884-18894 雷元超,陳春根,滯環(huán)比較PWM跟蹤控制分析.水電能源科學,2004(3):83-855 Lopes, L. A. C. and Sun, H., Performance Assessment of Active

19、Frequency Drifting Islanding Detection Methods. IEEE Transactions on Energy Conversion,21(1), March 2006, 171-1806 Bower,W.and Ropp,M.,Evaluation of Islanding Detection Methods for UtilityInteractive Inverters in Photovoltaic Systems.SANDIA Report SAND2002-3591,Albuquerque,NM:Sandia National Labs.No

20、vember 2002.Online ordering:/bridge7 Jung. Y., Choi, J., Yu, B., So, J. and Yu, G., A Novel Active Frequency DriftMethod of Islanding Prevention for the Grid-Connected Photovoltaic Inverter. InIEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, PESC 05,2005. pp. 1915-19218 Yu, B., J

21、ung, Y., So, J., Hwang, H. and Yu, G., A Robust Anti-islanding Methodfor Grid-Connected Photovoltaic Inverter. In Proceedings of the 2006 IEEE 4thWorld Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Vol. 2, May 2006, pp.2242-22459 Hudson, R.M., Thorne, T., Mekanik, F., Behnke, M.R., Gonzalez, S. and

22、Ginn, J.,Implementation and Testing of Anti-islanding Algorithms for IEEE 929-2000 Compliance of Single Phase Photovoltaic Inverters. In Photovoltaic SpecialistsConference, 2002. Conference Record of the 29th IEEE, 19-24 May 2002, pp.1414-141910 Hemandez-Gonzalez, G. and Iravani, R., Current Injecti

23、on for Active IslandingDetection of Electronically-Interfaced Distributed Resources. IEEE Transactionson Power Delivery, 21(3), July 2006, 1698-170511 Istvan, V., Attila, B. and Sandor, H., Sensorless Control of a Grid-Connected PV Converter. In 12th International Power Electronics and Motion Contro

24、lConference, EPE-PEMC 2006, August 2006, pp. 901-90612 Jeong, J.B., Kim, H.J., Ahn, K.S. and Kang, C.H., A Novel Method forAnti-Islanding Using Reactive Power. In 27th International TelecommunicationsConference, INTELEC 05, September 2005, pp. 101-10613 Choe, G.-H., Kim, H.-S., Kim, H.-G., Choi, Y.-

25、H. and Kim, J.-C., TheCharacteristic Analysis of Grid Frequency Variation under Islanding Mode forUtility Interactive PV System with Reactive Power Variation Scheme forAnti-Islanding. In 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference, PESC 06, 18-22 June 2006, pp. 1-514 United States Patent, Met

26、hod and Apparatus for Measuring the Impedance of anElectrical Energy Supply System. US Patent 6,933,714 B2, 23 August 200515 Asiminoaei, L., Teodorescu, R., Blaabjerg, F. and Borup, U., A Digital controlled PV-Inverter with Grid Impedance Estimation for ENS Detection. IEEETransactions on Power Elect

27、ronics, 20(6), November 2005. 1480-149016 Ciobotaru, M., Teodorescu, R. and Blaabjerg, F. On-line Grid ImpedanceEstimation Based on Harmonic Injection for Grid-Connected PV Inverter. InIEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE 2007,4-7 June2007, pp. 2437-244217曾議.分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測研究D.

28、湖南大學碩士學位論文,2009.18夏向陽,唐衛(wèi)波,毛曉紅.分布式發(fā)電系統(tǒng)的主動式孤島檢測J.中南大學學報(自然科學版),2012, 43(7):2662-2667.19張超.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)MPPT及孤島檢測新技術(shù)的研究D.浙江大學博士學位論文,2006.20薛明雨.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)之孤島檢測技術(shù)研究D.華中科技大學碩士學位論文,2008.21孫強,段凱.多機并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應的檢測方法J.電力系統(tǒng)及其自動化學報,2012,24(5):63-66.22傘國成,趙清林,郭小強,王懷寶,鄔偉揚.光伏并網(wǎng)逆變器間歇性頻率擾動正反饋孤島檢測方法J.電網(wǎng)技術(shù).2009,33(11):83-86.23張俊.基于間歇性雙邊無功功率擾動的三相并網(wǎng)逆變器孤島檢測研究D.浙江大學碩士學位論文,2011.24劉文華,焦陽,宋強,金一丁.三相光伏發(fā)電系統(tǒng)瞬時電流控制及其孤島檢測技術(shù)J.清華大學學報,2011,51(3):345-350.25劉剛,盧繼平,喬梁,謝應昭,翁宗林,徐兵.基于無功-頻率下垂特性的無