神華神東電力有限責(zé)任公司烏拉特中旗熱力廠 楊明喜
本文深入分析孤島效應(yīng)發(fā)生原理,即在局部區(qū)域內(nèi),由于某種原因(如設(shè)備故障、電纜損壞等),導(dǎo)致該區(qū)域與其他部分失去聯(lián)系,形成孤立的電力系統(tǒng)。通過(guò)比較基于功率匹配標(biāo)準(zhǔn)和相位標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估辦法,為孤島檢測(cè)提供了更全面、更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參考。
根據(jù)光伏逆變器運(yùn)行特點(diǎn),構(gòu)建逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng),如圖1所示。
圖1 光伏逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)
圖1中,Unet為電網(wǎng)電壓;PLL為同步鎖相控制環(huán);U0代表逆變器交流側(cè)電壓。本文基于SPWM控制模式,將橋式逆變器視為一階慣性環(huán)節(jié),當(dāng)逆變器開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)電網(wǎng)輸出頻率時(shí),可以得到并網(wǎng)電流閉環(huán)結(jié)構(gòu),如圖2所示。
圖2 并網(wǎng)電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)
本次研究引入主動(dòng)頻率偏移檢測(cè)技術(shù),對(duì)逆變器輸出的電流指令給定一個(gè)固定的頻率,令該電流頻率略高于上一個(gè)運(yùn)行周期公共節(jié)點(diǎn)電壓頻率。這種狀態(tài)下,如果電流的半波結(jié)束而電壓值未超過(guò)初始值,需要手動(dòng)設(shè)定電流初始值,直至逆變器電壓超過(guò)初始值,電流才能進(jìn)入下一個(gè)半波,如圖3所示[1]。
圖3 逆變器電流給定信號(hào)與電流基波圖像
當(dāng)電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)時(shí),逆變器內(nèi)部公共節(jié)點(diǎn)的電壓頻率,由于受到并網(wǎng)電網(wǎng)電壓的控制而保持不變。當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)孤島現(xiàn)象,公共節(jié)點(diǎn)的電壓不再受并網(wǎng)電網(wǎng)電壓控制,改為受本地負(fù)載相位特征曲線控制,隨著電流頻率的變化,電壓隨之發(fā)生改變。
將截?cái)嗪瘮?shù)cf定義為cf=2tz/Tnet,該定義中,Tnet表示光伏發(fā)電電網(wǎng)的電壓周期。觀察圖3中的電流基波曲線,發(fā)現(xiàn)基波曲線的頻率發(fā)生偏移,令基波曲線超過(guò)ωtz/2的相位角。實(shí)際工作中,如果多個(gè)電力用戶采用并網(wǎng)運(yùn)行模式,則需要確保光伏發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的頻率偏移具有一致性,這樣才能快速檢測(cè)到光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中是否存在孤島現(xiàn)象,若并網(wǎng)頻率偏移不具有一致性,則多個(gè)用戶產(chǎn)生的并網(wǎng)偏移頻率會(huì)被相互抵消,導(dǎo)致電網(wǎng)中的孤島遲遲無(wú)法被發(fā)現(xiàn)[2]。主動(dòng)頻率偏移分析應(yīng)滿足:
當(dāng)滿足式(1)時(shí),并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài),孤島檢測(cè)失效。若此時(shí)并網(wǎng)負(fù)載的狀態(tài)為“大電感+小電容”,則說(shuō)明該檢測(cè)盲區(qū)的范圍有限。如果是“小電感+大電容”則說(shuō)明檢測(cè)盲區(qū)較大。這種情況下,為了盡可能縮小檢測(cè)盲區(qū),提高檢測(cè)效率,引入正反饋理念,創(chuàng)建基于正反饋的主動(dòng)頻率偏移模式,即AFDPF 模式。
該模式中,截?cái)嘞禂?shù)計(jì)算式為:
式中:cfk-1為前一周期截?cái)嘞禂?shù)因子;Δωk為前兩個(gè)周期并網(wǎng)公共節(jié)點(diǎn)的電壓頻率之差;F(Δωk)為主動(dòng)頻率偏移增量正反饋函數(shù),滿足F(Δωk)=kΔωk,因此可以得到式:
分析式(2)與式(3)可以發(fā)現(xiàn),若反饋增益超過(guò)限額,則會(huì)出現(xiàn)大電流畸變現(xiàn)象,令電能質(zhì)量降低,嚴(yán)重情況下還會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常。為解決這一問(wèn)題,需要對(duì)反饋增益k的范圍進(jìn)行明確限制,即:
式中:Qf為負(fù)載品質(zhì)因數(shù);ω為電網(wǎng)角頻率。
AFDPF 算法具有較高的穩(wěn)定性和可靠性,能夠在復(fù)雜的電力系統(tǒng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)和保護(hù)。該算法能夠自適應(yīng)調(diào)整參數(shù),以適應(yīng)不同的電力系統(tǒng)條件和負(fù)載變化。
除了通過(guò)控制輸出電流的頻率來(lái)檢測(cè)孤島外,還可以通過(guò)控制輸出電流的起始相位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于孤島的有效檢測(cè)。在產(chǎn)生孤島后,通過(guò)對(duì)輸出電流的起始相位進(jìn)行擾動(dòng),可以利用正反饋原理,改變公共節(jié)點(diǎn)處的電壓頻率,從而印證孤島的存在[3]。
研究中引入滑動(dòng)頻率偏移技術(shù),該技術(shù)的本質(zhì)即一種針對(duì)相位變化的偏移擾動(dòng)。當(dāng)輸入電流的初始相位階段位于電壓過(guò)零點(diǎn),則工作人員需要綜合考慮光伏發(fā)電并網(wǎng)穩(wěn)定工作頻率以及電壓頻率之差,對(duì)電流起始相位進(jìn)行調(diào)整,式為:
式中:θm為電力相位偏移幅值,其負(fù)載相交頻率如圖4所示。
圖4 負(fù)載、AFD 及SMS 相角頻率曲線
結(jié)合圖4,將參數(shù)θm=10°,C=997uf,L=11.5mh,R=10Ω 代入式(5)。當(dāng)光伏電網(wǎng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí),該系統(tǒng)保持50Hz。一旦出現(xiàn)孤島,負(fù)載曲線與孤島檢測(cè)曲線的交叉點(diǎn)變?yōu)榉€(wěn)定工作點(diǎn),此時(shí)只要判斷新工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的赫茲數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi),即可判斷出該系統(tǒng)中是否存在孤島。
分析圖2可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中出現(xiàn)孤島,則負(fù)載相位角的數(shù)據(jù)為-20°,此時(shí)在光伏發(fā)電系統(tǒng)鎖相環(huán)作用下,電流對(duì)于電壓相位進(jìn)行持續(xù)跟蹤,此時(shí)輸出電流降低。基于式(4)與式(5),該電流頻率變化會(huì)引發(fā)輸出電流相位變化,通過(guò)這種方式形成一個(gè)完整的反饋循環(huán),令光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法在諧振頻率節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。在這種狀態(tài)下,可以基于該節(jié)點(diǎn)的頻率值進(jìn)行孤島保護(hù)判斷。
需要注意的是,如果光伏并網(wǎng)階段頻率不在保護(hù)范圍之內(nèi),則并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)盲區(qū)。為避免該系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)盲區(qū),對(duì)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)引入附加相角調(diào)節(jié)量的方式,對(duì)穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擾動(dòng),這種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的檢測(cè)方法即主動(dòng)相位偏移檢測(cè)法APS。其電流計(jì)算式為:
當(dāng)電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)時(shí),該檢測(cè)方法計(jì)算得到的相角偏移量為0;當(dāng)出現(xiàn)孤島后,相角偏移量會(huì)隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)頻率的變化而改變,隨著相位變化量的不斷累加,最終觸發(fā)頻率保護(hù)動(dòng)作,令系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)孤島的存在。
孤島檢測(cè)作為電力系統(tǒng)中一項(xiàng)非常重要的安全措施,能夠及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出孤島情況,避免因孤島而引起的安全事故。傳統(tǒng)的基于頻率及相位偏移的孤島檢測(cè)方法存在一個(gè)缺陷,即可能對(duì)并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)輸出造成影響,從而降低了并網(wǎng)質(zhì)量[4]。為了保證檢測(cè)時(shí)間及并網(wǎng)質(zhì)量的要求,嘗試設(shè)計(jì)基于正反饋的有功功率擾動(dòng)的孤島檢測(cè)方法。
該檢測(cè)方法具體流程為:在固定的工頻周期范圍內(nèi),通過(guò)檢測(cè)公共節(jié)點(diǎn)處的電壓有效值的變化來(lái)判斷是否存在孤島;如果存在孤島,則根據(jù)檢測(cè)到的電壓變化,改變并網(wǎng)電流指令值,以達(dá)到快速切斷孤島的目的[5]。這種方法不僅能夠保證孤島檢測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性,而且不會(huì)對(duì)并網(wǎng)電流的功率因數(shù)造成影響,從而提高了并網(wǎng)質(zhì)量。有功擾動(dòng)孤島檢測(cè)相關(guān)計(jì)算式詳見(jiàn)表1。
表1 有功擾動(dòng)孤島檢測(cè)相關(guān)計(jì)算式
表1中,Vth為系統(tǒng)檢測(cè)誤差量;K1為反饋系數(shù)。
在正常并網(wǎng)狀態(tài)下,公共節(jié)點(diǎn)被電壓所鉗制,因此輸出電流周期性變化,對(duì)于節(jié)點(diǎn)電壓并不會(huì)造成影響。電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,輸出電流指令僅改變幅值給定值,并不會(huì)對(duì)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)相位以及頻率產(chǎn)生擾動(dòng)效果,通過(guò)這種方式確保并網(wǎng)質(zhì)量。當(dāng)出現(xiàn)孤島現(xiàn)象后,節(jié)點(diǎn)電壓將被輸出電流控制,電壓將隨著電流指令的變化而變化。如果電壓超出了設(shè)定的限制范圍,就會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。
為消除光伏發(fā)電并網(wǎng)中的孤島現(xiàn)象,首先基于相位偏移及頻率設(shè)計(jì)孤島檢測(cè)系統(tǒng),利用主動(dòng)偏移法以及主動(dòng)相位偏移法,實(shí)現(xiàn)對(duì)于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島的有效檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)該檢測(cè)方法可能對(duì)并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)輸出造成影響,從而降低了并網(wǎng)質(zhì)量的問(wèn)題,本文嘗試基于正反饋功率擾動(dòng)技術(shù)對(duì)孤島檢測(cè)法進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)這種方式進(jìn)一步提高孤島檢測(cè)效率,為光伏逆變器穩(wěn)定工作提供技術(shù)支持。