光伏并网系统孤岛效应的仿真与实验研究

2008-11-05 16:48:22 太阳能发电网
光伏并网系统孤岛效应的仿真与实验研究 任奇 李永晨 唐敏 夏东伟 青岛大学 摘要：分析了光伏并网系统的孤岛效应现象，提出了主动频率偏移法识别孤岛效应。在MATLAB6.5下进行了系统的建模与仿真，并进行了实验系统的研究。结果表明：系统实验结果
 
光伏并网系统孤岛效应的仿真与实验研究
 
任奇  李永晨  唐敏  夏东伟
青岛大学
 
 
摘要：分析了光伏并网系统的孤岛效应现象，提出了主动频率偏移法识别孤岛效应。在MATLAB6.5下进行了系统的建模与仿真，并进行了实验系统的研究。结果表明：系统实验结果与仿真结果相吻合，可以在100 ms以内有效检测出孤岛效应。
关键词：光伏并网系统  孤岛效应  主动频率偏移  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
 
 


 

目前在我国，太阳能光伏并网发电在政府的高度重视下已被列入重点扶持的范围。光伏并网发电系统属于分布式供电系统。当由于电气故障、误操作或自然因素等原因造成电网中断供电时，各个光伏并网发电系统仍在运行，并且与本地负载连接处于独立运行状态，这种现象被称为孤岛效应。从用电安全与用电质量方面考虑，孤岛状况是不允许出现的。所以，光伏并网发电系统都应具有检测出孤岛状态并快速有效停止并网运行的能力。

1  分布式电源并网标准 

　　随着分布式并网发电系统的增加，它们在一定程度上改变和影响了电网及其调节能力。因此，国际上相关部门针对分布式并网发电系统制定出了一系列的技术尺度和并网要求。2003 年 6 月，由标准制定委员会21(Standards Coordinating Committee 21，SCC21)发布的 IEEE Std 1547-2003 是第一个规范燃料电池、光伏系统、分布式发电装置、能量储存设备这类分布式电源系统并网的标准。该标准考虑的是容量不超过 10 MVA，工作频率为 60 Hz 的分布式发电系统 。所以针对中国的50 Hz市电研究，将根据该标准按比例修改后作为参考【1】。

1.1 电压异常反应和影响时间

并网工作时,电网电压正常范围为标准电压的88%～110%,当电网电压超出正常范围时,并网系统应该立即检测出并在规定的响应时间脱离电网。具体数据如表1所示【2】。
表1  光伏并网系统电压异常响应时间
电压范围
（公共耦合点）
最大响应
时间（周期）
V<50%
6
50%≤V≤88%
120
88%<V<110%
正常运行
110%≤V≤137%
120
V>137%
6

1.2  频率异常反应和反应时间

在IEEE Std 1547-2003标准中，频率是以60 Hz为标准。根据此标准，对于中国50 Hz交流系统来说，系统正常工作范围是49.3-50.5 Hz。根据系统功率情况，并网系统频率异常响应时间分为两类，具体规定如表2所示。
表2  并网系统频率异常响应时间
分布式系统容量／kW
频率范围／Hz
响应时间／s
≤30
<49.3
0.16
>50.5
0.16
>30
<47.0
0.16
<（47.0-49.3）
0.16到300可变
>50.5
0.16

1.3  并网同步要求

光伏并网发电系统正常工作时，输出电压的相位、频率必须与电网电压同步，电压的幅值必须跟踪电网电压幅值，具体并网同步参数见表3。
表3  系统并网同步参数要求
容量/kVA
频率差/Hz
电压差/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  并网电流谐波要求

　　光伏并网系统正常工作时不允许对电网造成谐波污染，对交流输出谐波的要求如表4所示。
表4  并网电流谐波指标
谐波次数（h）
h<11
11≤h<17
17≤h<23
23≤h<35
35≤h
总谐波
%
4.0
2.0
1.5
0.6
0.3
5.0

2  孤岛效应的分析和检测方法

2.1  孤岛效应及其危害

孤岛效应是指光伏并网逆变器构成的局部电网从主电网脱离出来，并且在此局部电网中光伏并网逆变器持续给负载供电的一种电气现象。孤岛效应现象会产生比较严重的后果【3】：
1）孤岛中的电压和频率无法控制，可能会用电设备造成损坏；2）孤岛中的线路仍然带电，会对维修人员造成人身危险；3）当电网恢复正常时有可能造成非同相合闸，导致线路再次跳闸，对光伏并网逆变器和其他用电设备造成损坏；4）孤岛效应时，若负载容量与光伏并网器容量不匹配，会造成对逆变器的损坏。

2.2  孤岛效应的检测方法

2.2.1  孤岛效应检测的等效原理图
实际系统中，负载一般可以等效为RL串联负载，但是在孤岛检验技术中RL串联负载的孤岛状态很容易就检测出来。而研究孤岛效应的主要目的是为了能够得到一种在任何负载下都要能够快速、准确的检测出孤岛效应。所以，我们在研究孤岛效应的检测技术时，通常把负载假定为RLC并联结构【4】。显然，当等效负载中L与C 的值合适，一般的被动检测法将难以检测出系统的孤岛状态。孤岛效应检测的等效原理图如图1所示。
图1  孤岛效应检测的等效原理图
2.2.2 孤岛效应检测方法的分类
孤岛检测方法根据技术特点可以分为3大类：内部无源法、内部有源法和外部法[5]。
内部无源法是通过检测并网处公共耦合点电压的参数，包括频率、幅值、谐波。当该处电压参数波动超过设定值时逆变器自动与电网断开。由于这类方法只是采取监控手段，并不改变逆变器的输出值的参数，所以输出电能较高。内部无源法适用场合：应用于负载功率变动不大，且与逆变器的输出不匹配的场合。
内部有源法是通过给逆变器输出量引入变化或扰动，促使系统处于孤岛状态时公共藕合点电压的参数(幅值、频率、谐波)偏离正常值，并在超出设定范围时，将逆变器与电网断开的一种方法。内部有源法适用场合：输出电能的变动对于电网潮流有比较大的影响,因此只适用于小型逆变器并网系统。
外部检测法是通过电网对逆变器进行控制，或者电网与逆变器之间的通信来控制逆变器在一定条件下停止并网运行的一类方法。外部方法都有很高的检测效率，但是由于需要在电网上安装附件，成本会相应提高。外部检测法适用场合：比较适合于大功率分布式电站的并网。

3  仿真模型与结果

本文提出主动频率偏移法识别孤岛效应。此种方法周期性地扰动输出电压的频率，当电网发生故障时，由于缺少固定的电网频率，整个系统输出电压的频率将会一直升高，最终超过频率保护电路的上限值，频率保护电路动作，切断光伏并网发电系统与电网，达到反孤岛效应的目的[5]。
图2为反孤岛效应仿真模型。图3为仿真结果图。从图中可以看出，系统在0.1 s与电网断开后，输出电压由于没有电网电压的稳定频率，导致频率越来越大，经过100 ms达到50.5 Hz，此时系统的保护电路将检测出系统的频率异常，将系统与电网断开，操作时间符合IEEE Std 1547-2003的要求。


 

图2  反孤岛效应仿真模型


 

图3  反孤岛效应仿真结果

4  系统设计与结果分析

图4  孤岛效应时系统输出电压和电流波形
根据仿真模型和结果设计了一套实验系统。光伏阵列由10块CAT-80P12IID型太阳能电池组成，最大输出电压Ud=250 V DC，最大输出功率Pmax=800 W。功率器件选用三菱公司最新推出的光伏发电专用功率模块（PV-IPM）PM50B5LA060，开关频率f=10 kHz。输出滤波电感L=1.3 mH。图4为孤岛效应时系统输出电压和输出电流波形，由图4可知，孤岛现象发生后，系统输出电压和输出电流频率在100 ms内达到频率保护上限值50.5 Hz。
 

5  结论

本文在MATLAB6.5下对光伏并网系统中的反孤岛效应系统进行了建模与仿真，并根据仿真模型和结果进行了实验系统的研究。结果表明，实验结果与仿真结果基本吻合，验证了反孤岛效应系统的有效性，对光伏并网系统反孤岛效应的应用具有重要的指导意义。
参考文献
1  奚淡基.逆变器并网孤岛检测技术的研究[浙江大学硕士学位论文].杭州：浙江大学,2006:2–4
2  郑诗程，丁明等.光伏发电系统及其孤岛效应的仿真与实验研究.系统仿真学报, 2005
3  Zhihong Ye, Kolwalkar A, Yu Zhang et al. Evaluation of Anti-islanding Schemes Based on Nondetection Zone Concept. Power Electronics, IEEETransactions,2004,19(5) 1 171–1 176
4  John Stevens, Russell BonnJerry Ginn, Sigifredo Gonzalez. Development and Testing of an Approach to Anti-Islanding in Utility-interconnected Photovoltaic Systems [R].SAND2000–1939,Photovoltaic System
Applications Department, SandiaNationalLaboratories, 2000
5  IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems. IEEE 1 547–2 003


 


 

 


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