光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究
任奇 李永晨 唐敏 夏東偉
青島大學(xué)
摘要：分析了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島效應(yīng)現(xiàn)象，提出了主動頻率偏移法識別孤島效應(yīng)。在MATLAB6.5下進(jìn)行了系統(tǒng)的建模與仿真，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明：系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究
任奇 李永晨 唐敏 夏東偉
青島大學(xué)
摘要：分析了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島效應(yīng)現(xiàn)象，提出了主動頻率偏移法識別孤島效應(yīng)。在MATLAB6.5下進(jìn)行了系統(tǒng)的建模與仿真，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明：系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，可以在100 ms以內(nèi)有效檢測出孤島效應(yīng)。
關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)系統(tǒng) 孤島效應(yīng) 主動頻率偏移 仿真 研究
Simulation and Experiment Research of PV Grid-connected System Islanding
Ren Qi Li Yongchen Tang Min Xia Dongwei
Abstract: Islanding of PV grid-connected system was analyzed, and the active frequency drift method was proposed. The simulation model of the system was established, and experiment system was researched. The results prove：experiment is almost the same as the simulation, and the islanding can be detected effectively within 100 milliseconds.
Keywords: PV grid-connected system IsIanding Active frequency drift Simulation Research
目前在我國，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電在政府的高度重視下已被列入重點(diǎn)扶持的范圍。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)屬于分布式供電系統(tǒng)。當(dāng)由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因造成電網(wǎng)中斷供電時，各個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍在運(yùn)行，并且與本地負(fù)載連接處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為孤島效應(yīng)。從用電安全與用電質(zhì)量方面考慮，孤島狀況是不允許出現(xiàn)的。所以，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)都應(yīng)具有檢測出孤島狀態(tài)并快速有效停止并網(wǎng)運(yùn)行的能力。
1 分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)
隨著分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的增加，它們在一定程度上改變和影響了電網(wǎng)及其調(diào)節(jié)能力。因此，國際上相關(guān)部門針對分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)制定出了一系列的技術(shù)尺度和并網(wǎng)要求。2003 年 6 月，由標(biāo)準(zhǔn)制定委員會21(Standards Coordinating Committee 21，SCC21)發(fā)布的 IEEE Std 1547-2003 是第一個規(guī)范燃料電池、光伏系統(tǒng)、分布式發(fā)電裝置、能量儲存設(shè)備這類分布式電源系統(tǒng)并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)考慮的是容量不超過 10 MVA，工作頻率為 60 Hz 的分布式發(fā)電系統(tǒng) 。所以針對中國的50 Hz市電研究，將根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)按比例修改后作為參考【1】。
1.1 電壓異常反應(yīng)和影響時間
并網(wǎng)工作時,電網(wǎng)電壓正常范圍為標(biāo)準(zhǔn)電壓的88%～110%,當(dāng)電網(wǎng)電壓超出正常范圍時,并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)該立即檢測出并在規(guī)定的響應(yīng)時間脫離電網(wǎng)。具體數(shù)據(jù)如表1所示【2】。
表1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電壓異常響應(yīng)時間
|
電壓范圍
（公共耦合點(diǎn)） |
最大響應(yīng)
時間（周期） |
|
V<50% |
6 |
|
50%≤V≤88% |
120 |
|
88%<V<110% |
正常運(yùn)行 |
|
110%≤V≤137% |
120 |
|
V>137% |
6 |
1.2 頻率異常反應(yīng)和反應(yīng)時間
在IEEE Std 1547-2003標(biāo)準(zhǔn)中，頻率是以60 Hz為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，對于中國50 Hz交流系統(tǒng)來說，系統(tǒng)正常工作范圍是49.3-50.5 Hz。根據(jù)系統(tǒng)功率情況，并網(wǎng)系統(tǒng)頻率異常響應(yīng)時間分為兩類，具體規(guī)定如表2所示。
表2 并網(wǎng)系統(tǒng)頻率異常響應(yīng)時間
|
分布式系統(tǒng)容量／kW |
頻率范圍／Hz |
響應(yīng)時間／s |
|
≤30 |
<49.3 |
0.16 |
|
>50.5 |
0.16 | |
|
>30 |
<47.0 |
0.16 |
|
<（47.0-49.3） |
0.16到300可變 | |
|
>50.5 |
0.16 |
1.3 并網(wǎng)同步要求
光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正常工作時，輸出電壓的相位、頻率必須與電網(wǎng)電壓同步，電壓的幅值必須跟蹤電網(wǎng)電壓幅值，具體并網(wǎng)同步參數(shù)見表3。
表3 系統(tǒng)并網(wǎng)同步參數(shù)要求
|
容量/kVA |
頻率差/Hz |
電壓差/V |
相位差/° |
|
0～500 |
0.3 |
10 |
20 |
|
500～1 500 |
0.2 |
5 |
15 |
|
1 500～10 000 |
0.1 |
3 |
10 |
1.4 并網(wǎng)電流諧波要求
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)正常工作時不允許對電網(wǎng)造成諧波污染，對交流輸出諧波的要求如表4所示。
表4 并網(wǎng)電流諧波指標(biāo)
|
諧波次數(shù)（h） |
h<11 |
11≤h<17 |
17≤h<23 |
23≤h<35 |
35≤h |
總諧波 |
|
% |
4.0 |
2.0 |
1.5 |
0.6 |
0.3 |
5.0 |
2 孤島效應(yīng)的分析和檢測方法
2.1 孤島效應(yīng)及其危害
孤島效應(yīng)是指光伏并網(wǎng)逆變器構(gòu)成的局部電網(wǎng)從主電網(wǎng)脫離出來，并且在此局部電網(wǎng)中光伏并網(wǎng)逆變器持續(xù)給負(fù)載供電的一種電氣現(xiàn)象。孤島效應(yīng)現(xiàn)象會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的后果【3】：
1）孤島中的電壓和頻率無法控制，可能會用電設(shè)備造成損壞；2）孤島中的線路仍然帶電，會對維修人員造成人身危險；3）當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時有可能造成非同相合閘，導(dǎo)致線路再次跳閘，對光伏并網(wǎng)逆變器和其他用電設(shè)備造成損壞；4）孤島效應(yīng)時，若負(fù)載容量與光伏并網(wǎng)器容量不匹配，會造成對逆變器的損壞。
2.2 孤島效應(yīng)的檢測方法
2.2.1 孤島效應(yīng)檢測的等效原理圖
實(shí)際系統(tǒng)中，負(fù)載一般可以等效為RL串聯(lián)負(fù)載，但是在孤島檢驗(yàn)技術(shù)中RL串聯(lián)負(fù)載的孤島狀態(tài)很容易就檢測出來。而研究孤島效應(yīng)的主要目的是為了能夠得到一種在任何負(fù)載下都要能夠快速、準(zhǔn)確的檢測出孤島效應(yīng)。所以，我們在研究孤島效應(yīng)的檢測技術(shù)時，通常把負(fù)載假定為RLC并聯(lián)結(jié)構(gòu)【4】。顯然，當(dāng)?shù)刃ж?fù)載中L與C 的值合適，一般的被動檢測法將難以檢測出系統(tǒng)的孤島狀態(tài)。孤島效應(yīng)檢測的等效原理圖如圖1所示。
圖1 孤島效應(yīng)檢測的等效原理圖
2.2.2 孤島效應(yīng)檢測方法的分類
孤島檢測方法根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)可以分為3大類：內(nèi)部無源法、內(nèi)部有源法和外部法[5]。
內(nèi)部無源法是通過檢測并網(wǎng)處公共耦合點(diǎn)電壓的參數(shù)，包括頻率、幅值、諧波。當(dāng)該處電壓參數(shù)波動超過設(shè)定值時逆變器自動與電網(wǎng)斷開。由于這類方法只是采取監(jiān)控手段，并不改變逆變器的輸出值的參數(shù)，所以輸出電能較高。內(nèi)部無源法適用場合：應(yīng)用于負(fù)載功率變動不大，且與逆變器的輸出不匹配的場合。
內(nèi)部有源法是通過給逆變器輸出量引入變化或擾動，促使系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)時公共藕合點(diǎn)電壓的參數(shù)(幅值、頻率、諧波)偏離正常值，并在超出設(shè)定范圍時，將逆變器與電網(wǎng)斷開的一種方法。內(nèi)部有源法適用場合：輸出電能的變動對于電網(wǎng)潮流有比較大的影響,因此只適用于小型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)。
外部檢測法是通過電網(wǎng)對逆變器進(jìn)行控制，或者電網(wǎng)與逆變器之間的通信來控制逆變器在一定條件下停止并網(wǎng)運(yùn)行的一類方法。外部方法都有很高的檢測效率，但是由于需要在電網(wǎng)上安裝附件，成本會相應(yīng)提高。外部檢測法適用場合：比較適合于大功率分布式電站的并網(wǎng)。
3 仿真模型與結(jié)果
本文提出主動頻率偏移法識別孤島效應(yīng)。此種方法周期性地?cái)_動輸出電壓的頻率，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，由于缺少固定的電網(wǎng)頻率，整個系統(tǒng)輸出電壓的頻率將會一直升高，最終超過頻率保護(hù)電路的上限值，頻率保護(hù)電路動作，切斷光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)，達(dá)到反孤島效應(yīng)的目的[5]。
圖2為反孤島效應(yīng)仿真模型。圖3為仿真結(jié)果圖。從圖中可以看出，系統(tǒng)在0.1 s與電網(wǎng)斷開后，輸出電壓由于沒有電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定頻率，導(dǎo)致頻率越來越大，經(jīng)過100 ms達(dá)到50.5 Hz，此時系統(tǒng)的保護(hù)電路將檢測出系統(tǒng)的頻率異常，將系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，操作時間符合IEEE Std 1547-2003的要求。
圖2 反孤島效應(yīng)仿真模型
圖3 反孤島效應(yīng)仿真結(jié)果
4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析
圖4 孤島效應(yīng)時系統(tǒng)輸出電壓和電流波形
根據(jù)仿真模型和結(jié)果設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。光伏陣列由10塊CAT-80P12IID型太陽能電池組成，最大輸出電壓Ud=250 V DC，最大輸出功率Pmax=800 W。功率器件選用三菱公司最新推出的光伏發(fā)電專用功率模塊（PV-IPM）PM50B5LA060，開關(guān)頻率f=10 kHz。輸出濾波電感L=1.3 mH。圖4為孤島效應(yīng)時系統(tǒng)輸出電壓和輸出電流波形，由圖4可知，孤島現(xiàn)象發(fā)生后，系統(tǒng)輸出電壓和輸出電流頻率在100 ms內(nèi)達(dá)到頻率保護(hù)上限值50.5 Hz。
5 結(jié)論
本文在MATLAB6.5下對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的反孤島效應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真，并根據(jù)仿真模型和結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了反孤島效應(yīng)系統(tǒng)的有效性，對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)反孤島效應(yīng)的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
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5 IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems. IEEE 1 547–2 003
作者： 來源：中國太陽能發(fā)電網(wǎng) 責(zé)任編輯：admin
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