戰(zhàn) 杰， 馬夢(mèng)朝， 張 彥， 趙義術(shù)

(國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院電網(wǎng)檢修培訓(xùn)部， 濟(jì)南 250002)

大規(guī)模光伏電站孤島運(yùn)行方式分析①

戰(zhàn) 杰， 馬夢(mèng)朝， 張 彥， 趙義術(shù)

(國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院電網(wǎng)檢修培訓(xùn)部， 濟(jì)南 250002)

為提高光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行情況下供電的可靠性，文中提出了在傳統(tǒng)光伏電站主控與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中擴(kuò)展孤島檢測(cè)與能量管理功能的方法。當(dāng)檢測(cè)到光伏電站處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，根據(jù)上一時(shí)刻采集到的并網(wǎng)電壓推算逆變器參考電壓相位，并調(diào)整逆變器控制策略，使光伏電站根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)整電流輸出。通過對(duì)大規(guī)模光伏電站接入的實(shí)際配電網(wǎng)絡(luò)的仿真分析表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電站由并網(wǎng)運(yùn)行方式到孤島運(yùn)行方式的無縫切換，從而提高光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行情況下供電的可靠性。

光伏電站； 并網(wǎng)運(yùn)行； 孤島運(yùn)行； 孤島檢測(cè)； 能量管理

太陽能作為一種清潔無污染、可再生的能源，目前越來越多地受到人們的關(guān)注。光伏發(fā)電技術(shù)是利用太陽能替代石油、天然氣、煤炭等化石能源產(chǎn)生電能的一種新技術(shù)。在環(huán)境污染、生態(tài)破壞等一系列環(huán)境問題凸現(xiàn)的今天，光伏發(fā)電技術(shù)顯現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。目前的并網(wǎng)光伏電站規(guī)模相對(duì)較小，一般在kW級(jí)，因此電網(wǎng)更多地將其作為一個(gè)輔助電源甚至負(fù)荷來考慮。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，要求立即中止光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的供電[1～4]。然而隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏電站規(guī)模已經(jīng)能夠達(dá)到MW級(jí)甚至10MW級(jí)，而此類大規(guī)模光伏電站并入電網(wǎng)之后對(duì)當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的影響至今未見文獻(xiàn)研究，在這種情況下仍然將其作為電網(wǎng)中的輔助電源甚至是負(fù)荷，是不太合理的，也體現(xiàn)不出緊急狀態(tài)下大規(guī)模光伏電站對(duì)電網(wǎng)的支撐作用。因此，分析此類光伏電站孤島運(yùn)行狀態(tài)下的特性，對(duì)于今后大規(guī)模光伏電站的發(fā)展與運(yùn)行是非常有幫助的。

1 光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行方式

光伏電站可根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為單級(jí)變換系統(tǒng)和兩級(jí)變換系統(tǒng)[2～5]，如圖1所示。兩種系統(tǒng)都需要經(jīng)過并網(wǎng)逆變器出口，在外接電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器監(jiān)測(cè)電網(wǎng)側(cè)的電壓相位并對(duì)輸入的直流電壓進(jìn)行正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM(sinusodial pulse width modulation)，輸出正弦波到電網(wǎng)側(cè)。

圖1 光伏電站結(jié)構(gòu)分類Fig.1 Structural classification of PV power station

目前光伏電站并網(wǎng)發(fā)電采用的電氣系統(tǒng)連接圖如圖2所示(參見GB/T 19939-2005)。該接線方式中，當(dāng)光伏電站并網(wǎng)接口失壓時(shí)，防孤島保護(hù)應(yīng)在2 s內(nèi)動(dòng)作，將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。

圖2 傳統(tǒng)型光伏并網(wǎng)電氣系統(tǒng)連接圖Fig.2 Traditional connection diagram ofgrid-connected PV power system

采取以上措施意在避免損害故障電網(wǎng)電力線路、造成設(shè)備檢修的工作人員傷亡事故以及防止電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)由于電網(wǎng)和光伏電站出口的輸出電壓相位存在較大差異，在一瞬間產(chǎn)生很大的沖擊電流而損壞設(shè)備。光伏電站出口的防孤島運(yùn)行檢測(cè)通常采用，如電壓監(jiān)視、相位監(jiān)視、頻率偏移監(jiān)視等被動(dòng)檢測(cè)方法，以及有功無功擾動(dòng)法、主動(dòng)頻率偏移法等主動(dòng)檢測(cè)方法[6～8]。

在電網(wǎng)電壓和頻率恢復(fù)到正常范圍后的20 s到5 min內(nèi)，光伏系統(tǒng)不應(yīng)向電網(wǎng)送電。此種方案雖有光伏系統(tǒng)接入，但并未提高當(dāng)?shù)刎?fù)荷的供電可靠性。

圖3給出了圖2中逆變器并網(wǎng)運(yùn)行控制的一種典型方式。它使用并網(wǎng)側(cè)三相電壓通過鎖相環(huán)獲得電壓A相相位，并根據(jù)此相位產(chǎn)生于電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波信號(hào)與一高頻三角波相比，輸出控制逆變器三極管導(dǎo)通/關(guān)斷的信號(hào)。

圖3 逆變器并網(wǎng)運(yùn)行控制方式Fig.3 Grid-connected inverter control mode

在此控制方式下，光伏電站只輸出有功，有功功率輸出由光照及溫度決定，在網(wǎng)絡(luò)潮流仿真中作為P=Pmax，Q=0的PQ發(fā)電節(jié)點(diǎn)，即負(fù)的PQ負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。

2 光伏電站孤島運(yùn)行方式

為提高光伏電站接入后系統(tǒng)供電可靠性，并在緊急或?yàn)?zāi)變情況下為系統(tǒng)重要負(fù)荷或系統(tǒng)恢復(fù)提供電源支撐，本文提出一種光伏電站孤島運(yùn)行模式。為實(shí)現(xiàn)所提光伏電站孤島運(yùn)行，需在圖2主控與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中擴(kuò)展孤島檢測(cè)與能量管理子系統(tǒng)。

孤島檢測(cè)與能量管理子系統(tǒng)的主要作用包括：

1)孤島檢測(cè)與控制，通過監(jiān)測(cè)電網(wǎng)側(cè)和光伏電站側(cè)的電壓、電流、頻率、開關(guān)狀態(tài)等有關(guān)量，對(duì)電網(wǎng)是否故障、是否掉電、光伏電站內(nèi)是否故障等及時(shí)作出判斷，在故障或電網(wǎng)掉電情況下，及時(shí)跳開并網(wǎng)控制斷路器，并啟動(dòng)后續(xù)有關(guān)功能；

2)信息中繼，完成光伏電站與上、下級(jí)調(diào)度或有關(guān)控制系統(tǒng)的信息通訊；

3)光伏電站發(fā)電負(fù)荷預(yù)測(cè)；

4)能量管理與控制，在光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行方式下，接收和執(zhí)行調(diào)度或有關(guān)控制系統(tǒng)指令，確定光伏電站有功控制策略，比如執(zhí)行最大功率跟蹤、按定值有功控制等；在孤島運(yùn)行方式下，實(shí)現(xiàn)有功發(fā)電與負(fù)荷的匹配、有功備用設(shè)置、低壓減載、頻率控制等；

5)無功電壓管理，在光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行方式下，接收和執(zhí)行調(diào)度或有關(guān)控制系統(tǒng)指令，確定光伏電站無功控制策略，比如定值無功控制等；在孤島運(yùn)行方式下，實(shí)現(xiàn)無功發(fā)電與負(fù)荷的匹配、無功備用設(shè)置與自動(dòng)投切等。

孤島檢測(cè)與能量管理子系統(tǒng)一旦檢測(cè)到光伏電站處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)裝置動(dòng)作，只跳圖2中的開關(guān)1，同時(shí)光伏電站進(jìn)入孤島運(yùn)行模式。此時(shí)不是將光伏電站退出運(yùn)行，而是根據(jù)上一時(shí)刻采集到的并網(wǎng)電壓推算逆變器參考電壓，保持繼續(xù)運(yùn)行，并不再控制電流與電壓同相位，使光伏電站根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)整電流輸出。對(duì)于只有一個(gè)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)一臺(tái)或一組逆變器)的光伏電站(一般容量較小)，在仿真分析和控制中該節(jié)點(diǎn)作Vθ節(jié)點(diǎn)處理，此節(jié)點(diǎn)注入并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率和無功功率由能量管理系統(tǒng)根據(jù)潮流計(jì)算或有關(guān)控制裝置的輸出確定；對(duì)于大型光伏電站，一般由多組光伏方陣、分別通過各自逆變器并網(wǎng)運(yùn)行，在孤島運(yùn)行方式下，由能量管理系統(tǒng)確定一個(gè)較大型光伏陣列作Vθ節(jié)點(diǎn)，選擇盡量少的部分節(jié)點(diǎn)(對(duì)電網(wǎng)電壓有支撐作用)作PV節(jié)點(diǎn)，其余部分做PQ(Q=0)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的最大利用。在配置儲(chǔ)能設(shè)備的光伏電站供電系統(tǒng)中，可首選儲(chǔ)能設(shè)備并網(wǎng)點(diǎn)為Vθ節(jié)點(diǎn)。

孤島運(yùn)行方式下，光伏電站同時(shí)發(fā)出有功功率和無功功率，能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有功和無功的匹配控制，按照負(fù)荷不高于可用發(fā)電能力的一定比例(比如有功負(fù)荷不高于可用發(fā)電能力的90%)控制。留有一定比例的發(fā)電能力做備用，滿足負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)變化的需求。在此方式下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)重要負(fù)荷的不間斷供電，也可為電網(wǎng)停電后的黑啟動(dòng)等提供所需部分功率，儲(chǔ)能設(shè)備不是必須條件。

在孤島運(yùn)行方式下，監(jiān)控設(shè)備不斷監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的狀態(tài)，在電網(wǎng)狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)后的20 s到5 min后，能量管理子系統(tǒng)調(diào)整光伏電站控制策略，控制逆變器的輸出電壓的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的同期后，閉合開關(guān)1，恢復(fù)光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行。

本文對(duì)所提出的孤島運(yùn)行控制方式下的逆變器工作情況進(jìn)行了仿真，其原理如圖4所示。仿真中使用了較為快速的電壓/頻率監(jiān)視法，即采集光伏電站出口的電壓有效值和頻率值，并和設(shè)定值比較，如果發(fā)現(xiàn)電壓/頻率超出范圍，即認(rèn)為光伏電站處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，但此時(shí)可以不將光伏組件退出運(yùn)行，而是根據(jù)上一時(shí)刻采集到的并網(wǎng)電壓推算逆變器參考電壓相位，保持繼續(xù)運(yùn)行，并不再控制電流與電壓同相位，使光伏電站根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)整電流輸出。

圖4 逆變器孤島運(yùn)行控制方式Fig.4 Island-operating inverter control mode

從運(yùn)行仿真結(jié)果圖5、圖6中可以看出，由并網(wǎng)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行方式后，逆變器輸出電壓略微有所降低，相位基本連續(xù)，而輸出電流相位發(fā)生了突變，說明逆變器根據(jù)負(fù)載的情況調(diào)整了輸出電流。

圖5 逆變器輸出電壓波形Fig.5 Voltage waveform output by inverter

圖6 逆變器輸出電流波形Fig.6 Current waveform output by inverter

3 仿真分析

本文針對(duì)光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行方式及所提出的孤島運(yùn)行方式，結(jié)合一個(gè)實(shí)際的110 kV網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析。仿真工具使用了MATLAB的電力系統(tǒng)分析工具箱PSAT(power system analysis toolbox)[9，10]。

仿真用的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示，共35個(gè)節(jié)點(diǎn)，有110 kV、35 kV、10 kV及0.4 kV四個(gè)電壓等級(jí)，共有負(fù)荷有功30 MW、無功10 MVar，總?cè)萘?0 MW的光伏陣列分散接入0.4 kV母線，如表1所示。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，光伏電站只輸出有功功率，總輸出曲線及網(wǎng)絡(luò)中幾個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓如圖8、9所示。

圖7 10 MW光伏電站接入電網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig.7 10 MW PV station connected to the distribution grid

假設(shè)在光照強(qiáng)度700 W/m2，太陽能電池板溫度324 K(51℃)下，110 kV母線突然失電，由于光伏陣列最多供給10 MW功率，所以必須考慮切除負(fù)荷，切除某一35 kV母線上的20 MW負(fù)荷之后，光伏陣列轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)(表2)，110 kV母線上的功率為負(fù)值表明此時(shí)網(wǎng)絡(luò)可以向外輸出功率。

圖8 光伏陣列輸出變化曲線Fig.8 PV array output curve

圖9 節(jié)點(diǎn)電壓變化曲線Fig.9 Node-voltage curves表2 孤島運(yùn)行下母線狀態(tài)Tab.2 Bus state in island operation mode

母線V(p.u.)Phase/radPgen(p.u.)Qgen(p.u.)Pload(p.u.)Qload(p.u.)1-0.410.089430.001360.000330.00210.000811-101.04080.1440300002-0.410.32950.0120.00132002-101.010.0252100003-0.41.04360.1502200003-101.04360.1502200004-0.410.374770.0050.000490.0020.000775-1-0.411.05050.0120.004810.00140.000545-2-0.410.982670.0120.004360.0020.000775-101.040.1417400006-0.410.756620.009640.002350.0020.000776-101.04450.151790000T1_11010.00013-0.04063-0.0003100

如果在孤島運(yùn)行狀態(tài)下配電網(wǎng)內(nèi)部再次發(fā)生故障，則配電網(wǎng)還可以進(jìn)一步解列為每個(gè)光伏陣列對(duì)自己10 kV或0.4 kV母線上的負(fù)荷進(jìn)行供電的模式，此時(shí)相當(dāng)于光伏電池獨(dú)立運(yùn)行，各子網(wǎng)絡(luò)之間不再有電氣聯(lián)系，潮流仿真結(jié)果如表3。

表3 解列運(yùn)行下母線狀態(tài)Tab.3 Bus state in system splitting mode

潮流仿真顯示，在孤島運(yùn)行情況下光伏電站可以為外部提供有功及無功輸出，維持重要負(fù)荷的供電。

從穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真的結(jié)果可以看出，利用大規(guī)模光伏電站的孤島運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的支撐作用。但在由并網(wǎng)運(yùn)行向孤島運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過程中，需要配置較大容量的儲(chǔ)能裝置，實(shí)現(xiàn)由并網(wǎng)運(yùn)行向孤島運(yùn)行的無縫切換。或者在經(jīng)歷極短時(shí)間的停電后，通過與儲(chǔ)能或其它分布式發(fā)電形式，如冷熱電聯(lián)供微型燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)的相互配合，來實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文分析了光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行方式，提出了一種光伏電站的孤島運(yùn)行控制方式，認(rèn)為大規(guī)模光伏電站在接入地配電網(wǎng)失電的情況下可以不必停止運(yùn)行，而是按照孤島運(yùn)行方式為當(dāng)?shù)刂匾?fù)荷提供功率支撐。同時(shí)對(duì)一個(gè)實(shí)際的110 kV配電網(wǎng)絡(luò)接入總?cè)萘?0 MW光伏陣列的情況做了正常運(yùn)行狀態(tài)下和故障狀態(tài)下孤島運(yùn)行的潮流仿真，證明了該方法能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電站由并網(wǎng)運(yùn)行方式到孤島運(yùn)

行方式的無縫切換，從而提高供電可靠性。

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AnalysisforIslandingofLarge-scalePhotovoltaicPowerStationOperation

ZHAN Jie， MA Meng-chao， ZHANG Yan， ZHAO Yi-shu

(Department of Grid Maintenance Training， States Grid of China Technology College,Jinan 250002, China)

For improving the supply reliability of whole PV station, an updated islanding detection and energy management method, which applied in traditional master control and monitoring system of photovoltaic (PV) power station, was proposed in the paper.When the islanding operation of PV station is detected, the proposed method will predict phase angle of inverter references with collected data, and change the inverter control strategy,so that the PV station can adjust its output current according to the load requirement. Simulations of large-scale PV station in distribution network show that the proposed method can achieve transformation from grid-tied operation to islanding operation seamlessly, and improve the PV station operational reliability.

photovoltaic power station； grid-connected operation； islanding operation； islanding detection； energy management

2010-11-09

2010-12-09

山東電力集團(tuán)公司重大科技項(xiàng)目(2010A-102)

TM615

A

1003-8930(2011)02-0076-05

戰(zhàn) 杰(1981-)，男，講師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電并網(wǎng)技術(shù)、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。Email:zhj94793@163.com

馬夢(mèng)朝(1983-)，男，工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。Email:mmc6324@163.com

張 彥(1985-)，女，工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電并網(wǎng)技術(shù)、電力電子。Email:zhangyanchina@126.com