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        基于光伏并網(wǎng)逆變器的反孤島效應(yīng)控制策略特性分析

        2018-10-19 18:51:44李滿
        智富時(shí)代 2018年9期
        關(guān)鍵詞:控制策略

        李滿

        【摘 要】在簡述光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基本概念和反孤島效應(yīng)的機(jī)理的基礎(chǔ)上,本文研究目前反孤島效應(yīng)的控制策略特性的方法,通過分析各類控制策略的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),展望未來光伏并網(wǎng)逆變器孤島效應(yīng)控制策略發(fā)展趨勢(shì)。

        【關(guān)鍵詞】光伏并網(wǎng)逆變器;反孤島效應(yīng);控制策略

        目前,光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)在世界范圍內(nèi)受到越來越多的重視,同時(shí)受到國家光伏優(yōu)惠政策的鼓勵(lì),光伏電站大規(guī)模并入國家電網(wǎng)。但在光伏發(fā)電系統(tǒng)并入國家電網(wǎng)后,電網(wǎng)和光伏發(fā)電站的接入點(diǎn)的調(diào)度呈現(xiàn)互相矛盾的現(xiàn)象,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)存在的不連續(xù)性、頻率不一致性、相位不同步等問題給電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性造成極大的危害,使得研究高效率、高可靠性的光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)成為目前光伏發(fā)電技術(shù)研究的焦點(diǎn)。其中光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中孤島效應(yīng)是影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素,因此快速、有效的孤島控制策略是提高光伏并網(wǎng)發(fā)電安全的首要任務(wù),而光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備,研究光伏并網(wǎng)逆變器反孤島控制策略成為重中之重。

        一、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)概況

        光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)就是將光伏電池組件匯成的光伏陣列在陽光的直射下產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)光伏逆變器轉(zhuǎn)換成,輸出與國家電網(wǎng)同頻率、同相位的三相交流電,并接入公共電網(wǎng)的系統(tǒng)[1]。它主要由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、箱變、繼電保護(hù)設(shè)備等組成。光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件,研究光伏并網(wǎng)逆變器反孤島控制策略是本文研究的重點(diǎn),也是解決孤島效應(yīng)的關(guān)鍵。

        二、孤島效應(yīng)及反孤島效應(yīng)控制策略

        1.孤島效應(yīng)及反孤島效應(yīng)研究現(xiàn)狀

        所謂的孤島就是當(dāng)電網(wǎng)意外事故或停電而發(fā)生電網(wǎng)中斷時(shí),并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)不能及時(shí)有效監(jiān)測出停電狀態(tài)并及時(shí)、快速的脫離并網(wǎng)狀態(tài),繼續(xù)發(fā)電并向電網(wǎng)注入電量,同時(shí)與負(fù)載形成電網(wǎng)無法控制的自供電現(xiàn)象。孤島效應(yīng)下電力調(diào)度無法有效的控制光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),給整個(gè)電網(wǎng)帶來安全危害,降低電網(wǎng)的工作效率[2]。主要危害表現(xiàn)以下幾個(gè)方面在:

        1)效率孤島現(xiàn)象發(fā)生后,電力維修人員誤以為供電系統(tǒng)己斷電而接觸運(yùn)行線路,從而導(dǎo)致觸電危險(xiǎn),危及人身安全;

        2)孤島效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓及其頻率發(fā)生較大的波動(dòng),從而損壞與孤島運(yùn)行線路相連的負(fù)載用電設(shè)備;

        3)孤島后并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓和電網(wǎng)電壓存在相位差,當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流,從而損壞發(fā)電裝置以及負(fù)載,甚至?xí)痣娋W(wǎng)重復(fù)跳閘停電事故;

        4)孤島效應(yīng)發(fā)生后導(dǎo)致故障無法清除,干擾發(fā)、配電系統(tǒng)上繼電保護(hù)開關(guān)的關(guān)、斷動(dòng)作順序等,造成電網(wǎng)事故。

        因此為了避免孤島現(xiàn)象,有效的控制電網(wǎng)的調(diào)度,在電網(wǎng)故障時(shí),需要快速檢測到孤島現(xiàn)象的發(fā)生,并及時(shí)切斷并網(wǎng)逆變器的輸出,實(shí)現(xiàn)反孤島控制,從而保護(hù)電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。目前,針對(duì)并網(wǎng)逆變器的反孤島策略主要有基于逆變器外部檢測法、逆變器內(nèi)部無源檢測法以及逆變器內(nèi)部有源檢測法三大類,本文主要針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器本身進(jìn)行分析研究。

        2.基于光伏并網(wǎng)逆變器的被動(dòng)式反孤島控制策略分析

        1)過/欠電壓、過/欠頻率反孤島控制策略

        當(dāng)并網(wǎng)逆變器輸出的三相交流電與電網(wǎng)頻率、幅值不相符合時(shí),逆變器能夠快速響應(yīng),及時(shí)改變運(yùn)行模式脫離電網(wǎng)從而實(shí)現(xiàn)反孤島保護(hù)的控制策略。該策略基本原理簡單,可以通過對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)相關(guān)參數(shù)的檢測進(jìn)行判斷,但是當(dāng)負(fù)載和逆變器的輸出功率匹配時(shí),電網(wǎng)電壓的頻率變化小、幅值變化小,該控制策略就完全失效。

        2)電壓諧波檢測反孤島控制策略

        該策略通過光伏發(fā)電系統(tǒng)注入國家電網(wǎng)的諧波進(jìn)行判定是否出現(xiàn)孤島,該策略成功率較高,同時(shí)也避免過多的高次、低次諧波進(jìn)入電網(wǎng)從而保證了電能質(zhì)量。但是由于系統(tǒng)的非線性特點(diǎn),難以確定檢測的出現(xiàn)孤島現(xiàn)象后的諧波范圍,無法有效的控制,因此應(yīng)用較少。

        3)相位突變檢測反孤島控制策略

        通過檢測逆變器輸出電壓和輸出電流的相位差進(jìn)行判斷是否出現(xiàn)孤島現(xiàn)象。該方法算法簡單易行,只檢測逆變器的輸出和并網(wǎng)點(diǎn)的相位就可以判定,由于只檢測并網(wǎng)點(diǎn)的參數(shù),因此多適用于多臺(tái)逆變器并聯(lián)的系統(tǒng),但是該方法判定檢測的參數(shù)范圍設(shè)定比較難以界定,使得在純電阻負(fù)載系統(tǒng)下無法進(jìn)行控制,極易造成誤判。

        4)關(guān)鍵電量變化率反孤島控制策略

        通過逆變器輸出功率、輸出頻率的變化率進(jìn)行系統(tǒng)的不穩(wěn)定性判定,進(jìn)而確定系統(tǒng)是否出現(xiàn)孤島現(xiàn)象。

        3.基于光伏并網(wǎng)逆變器的主動(dòng)式反孤島控制策略分析

        主動(dòng)式反孤島策略通過外加微小擾動(dòng)來對(duì)逆變器輸出的電流進(jìn)行周期性的擾動(dòng),在孤島發(fā)生時(shí)被逆變器檢測并不斷的累加打破逆變器系統(tǒng)和負(fù)載之間的平衡,導(dǎo)致并網(wǎng)公共點(diǎn)參數(shù)發(fā)生變化,觸發(fā)孤島保護(hù)。目前主要針對(duì)頻率、幅值、相位進(jìn)行施加擾動(dòng),從而進(jìn)行孤島現(xiàn)象的檢測[3]。

        1)基于頻率擾動(dòng)的反孤島控制策略

        該策略通過在逆變器輸出電流上施加周期性的擾動(dòng),并網(wǎng)時(shí)接入點(diǎn)的頻率保持不變,電網(wǎng)停電時(shí)接入點(diǎn)電流受到畸變電流的影響,頻率上升或下降至過/欠頻保護(hù),及時(shí)脫離電網(wǎng)從而實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)。

        目前主要有正反饋的主動(dòng)頻率偏移法、有源頻率偏移法、滑膜頻率偏移法、2N周期電流擾動(dòng)法等。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單,盲區(qū)減小,甚至實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)檢測。該方法的缺點(diǎn)是在引入外來干擾情況下降低了電能的質(zhì)量。在多臺(tái)逆變器并網(wǎng)過程中需要保持每臺(tái)逆變器頻率變化方向一致,否則會(huì)降低檢測效率。

        2)基于幅值擾動(dòng)的反孤島控制策略

        基于幅值擾動(dòng)的反孤島策略主要是將逆變器輸出的電流、電壓、功率等注入周期性擾動(dòng),電網(wǎng)故障時(shí)可以引起電網(wǎng)的電流、電壓、功率變化,引發(fā)過/欠電流、電壓的保護(hù),檢測出孤島現(xiàn)象的發(fā)生。

        該方法控制簡單、不影響電能質(zhì)量,但存在多臺(tái)逆變器并聯(lián)使用時(shí),擾動(dòng)信號(hào)的附加會(huì)出現(xiàn)不同步,存在延時(shí),導(dǎo)致檢測的精度下降,可能會(huì)造成電網(wǎng)電壓的閃變、電網(wǎng)不穩(wěn)定性。目前主要由電壓前饋正反饋擾動(dòng)法、電流前饋正反饋擾動(dòng)法、周期交流電流擾動(dòng)法、主動(dòng)電流擾動(dòng)法、無功補(bǔ)償法等控制策略。

        3)基于相位擾動(dòng)的反孤島控制策略

        基于相位擾動(dòng)的反孤島策略利用正反饋檢測的原理,由于逆變器和電網(wǎng)的香味不可能存在理論上的絕對(duì)0相位誤差,因此加入相位差值擾動(dòng)在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)注入的相位值不斷累加,引發(fā)逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位差大于系統(tǒng)并網(wǎng)可以承受的相位誤差,來進(jìn)行判斷是否出現(xiàn)孤島現(xiàn)象。

        綜上所述,被動(dòng)式的反孤島控制策略可以保證電網(wǎng)電能質(zhì)量不會(huì)受到影響,適用于功率變動(dòng)不大且與逆變器的輸出不匹配的場合。主動(dòng)式反孤島策略可以做到減小甚至消除盲區(qū),適用于輸出電壓波形質(zhì)量要求不高,檢測速度要求較快的場合,但會(huì)向電網(wǎng)引入諧波,電能質(zhì)量受到影響。

        三、結(jié)束語

        本文研究現(xiàn)有的孤島效應(yīng)檢測方法,分析其適應(yīng)場合和存在一些問題,探討其存在的有點(diǎn)和缺點(diǎn)。展望在未來的研究中需要深入研究不同的孤島效應(yīng)檢測方法和控制策略,在相互兼顧的基礎(chǔ)上考慮混合式的孤島效應(yīng)檢測策略,及引入的新控制方法比如自適應(yīng)控制、混沌控制、無差拍控制、模糊控制等,或者主動(dòng)式和被動(dòng)式反孤島策略相結(jié)合的方法,提高孤島效應(yīng)控制策略,提高并網(wǎng)逆變器運(yùn)行性能,進(jìn)而提高電網(wǎng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]應(yīng)戍狄. 光伏發(fā)電系統(tǒng)的單相并網(wǎng)逆變器研究[D].遼寧工業(yè)大學(xué),2016.

        [2]鄭天云,霍成義,鄭一超. 光伏發(fā)電反孤島效應(yīng)的方法研究[D].電氣自動(dòng)化,2014,36(5):53-54.

        [3]姚道如. 光伏并網(wǎng)逆變器反孤島檢測方法研究[J]. 安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,9(02):20-23.

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