并網(wǎng)光伏發(fā)電孤島效應(yīng)檢測電路設(shè)計(jì)

姜牧林 韓麗英

摘 要：本文針對并網(wǎng)型光伏逆變器孤島檢測，提出了一種基于植入能夠產(chǎn)生微小不平衡的正弦波形擾動電路的自適應(yīng)主動頻率偏移孤島檢測方法，設(shè)計(jì)了孤島效應(yīng)主動檢測電路，實(shí)現(xiàn)了孤島狀態(tài)下接入點(diǎn)電壓頻率的正反饋，進(jìn)而檢測出孤島事件，可有效防止偽孤島并減小對電網(wǎng)的干擾，避免孤島保護(hù)誤動作。

關(guān)鍵詞：孤島效應(yīng)；擾動電路；算法

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)分散的光伏電源系統(tǒng)如光伏發(fā)電系統(tǒng)從原有的電網(wǎng)中斷開后，雖然輸電線路已經(jīng)斷開，但是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器仍然在運(yùn)行，此時(shí)逆變器失去了并網(wǎng)賴以參考的公共電網(wǎng)電壓，此時(shí)將產(chǎn)生孤島效應(yīng)[ 1 ]。對于并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為確保人身和設(shè)備安全穩(wěn)定，要求在公網(wǎng)電網(wǎng)出現(xiàn)意外故障停電時(shí)，光伏發(fā)電設(shè)備應(yīng)該能夠及時(shí)檢測此故障情況，并迅速與公網(wǎng)電網(wǎng)解列，停止向電網(wǎng)送電。

1 孤島檢測算法及電路設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)中一旦發(fā)生孤島效應(yīng)，最致命的后果一是將導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)與公網(wǎng)電網(wǎng)的重新連接變得復(fù)雜，二是將對電網(wǎng)中的電力元件產(chǎn)生嚴(yán)重危害。根據(jù)孤島效應(yīng)發(fā)生概率不同，目前一般分為兩種情況[ 2 ]：第一種，孤島效應(yīng)明顯的場合；第二種，孤島效應(yīng)不明顯的場合。

對于第一種，針對明顯程度一般設(shè)計(jì)有專門的孤島效應(yīng)保護(hù)電路。而對于第二種，孤島效應(yīng)不是很明顯，由于孤島效應(yīng)出現(xiàn)概率小，從概率論與信息的關(guān)系可知，事件出現(xiàn)概率越小，其所含信息越大，但是事件的捕獲難度越大，事件出現(xiàn)對系統(tǒng)影響越大，這就會對光伏發(fā)電站與負(fù)載之間功率的適配造成威脅，所以研究孤島效應(yīng)檢測算法、設(shè)計(jì)克服孤島效應(yīng)電路是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)亟需解決的問題。

1.1 孤島效應(yīng)檢測

被動檢測方法和主動檢測方法是目前技術(shù)比較成熟，研究成果較多的應(yīng)對孤島效應(yīng)檢測的兩種方法。

當(dāng)公網(wǎng)電網(wǎng)因故障造成失電時(shí)，電網(wǎng)電壓信號的幅度、頻率、相位等要素和諧波分量等參數(shù)將產(chǎn)生畸變，光伏發(fā)電設(shè)備孤島效應(yīng)檢測系統(tǒng)可以通過檢測這些畸變信號判斷公網(wǎng)電網(wǎng)失電事件，進(jìn)而采取反孤島運(yùn)行控制技術(shù)，這種檢測孤島效應(yīng)的方法是通過被動檢測的方式進(jìn)行的，故而成為被動檢測方法。

而主動檢測方法也即注入?yún)⒘糠ㄖ傅氖?，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中通過在光伏并網(wǎng)點(diǎn)處由孤島效應(yīng)檢測系統(tǒng)主動向公網(wǎng)電網(wǎng)注入很小的干擾信號，再通過檢測反饋信號來判斷電網(wǎng)失電事件發(fā)生與否。根據(jù)注入信號種類不同，這種主動檢測方法又分為兩種，其中的一種就是通過在公網(wǎng)并網(wǎng)電流信號中注入一個(gè)很小的失真電流，這個(gè)失真電流是檢測系統(tǒng)產(chǎn)生的，并且電流的參量尤其是失真度是可控的，孤島效應(yīng)檢測系統(tǒng)通過檢測光伏發(fā)電側(cè)逆變器輸出的電流的參量，如相位和頻率，根據(jù)失真電流信號的失真度，采用正反饋電路，使得這個(gè)失真信號被放大后注入到電網(wǎng)中，在電網(wǎng)失電時(shí)，這個(gè)被放大的失真信號會產(chǎn)生與設(shè)定不同的異常值，孤島檢測系統(tǒng)通過檢測出這個(gè)參量異常值，即可迅速檢測到孤島效應(yīng)事件。

1.2 孤島效應(yīng)事件檢測算法

完成光伏并網(wǎng)保護(hù)功能的電路是功率調(diào)節(jié)器。在光伏逆變系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，功率調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)自動功率控制，減少對公網(wǎng)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，不至于對光伏發(fā)電系統(tǒng)造成不良影響[ 3 ]。

為了確保電網(wǎng)穩(wěn)定，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)器一般設(shè)計(jì)完成兩種自動調(diào)節(jié)功能：無功功率控制和輸出功率控制。

孤島事件檢測算法流程：首先采樣輸入每個(gè)支路的輸入電壓和電流信號值之后，計(jì)算采樣信號頻率的改變值；其次把計(jì)算所得信號頻率值與設(shè)定頻率值進(jìn)行比較，當(dāng)頻率變化小于設(shè)定值時(shí)，才進(jìn)行進(jìn)一步的判斷。算法核心是：將頻率變化量符號的變化次數(shù)與頻率變化次數(shù)與整定值進(jìn)行比較，當(dāng)符號的變化次數(shù)大于整定值時(shí)，則得出發(fā)生孤島效應(yīng)的結(jié)論，并使控制器發(fā)出指令使光伏陣列逆變系統(tǒng)與公共電網(wǎng)分離。

1.3 孤島效應(yīng)主動檢測電路設(shè)計(jì)

主動檢測孤島效應(yīng)事件檢測可采取主動信號探測法：在光伏發(fā)電逆變控制器中主動植入探測電路。這個(gè)探測電路能夠產(chǎn)生微小失真度可控的擾動信號。根據(jù)公網(wǎng)信號特點(diǎn)，這個(gè)擾動電路產(chǎn)生的探測信號一般是不平衡的正弦波形。因?yàn)楣W(wǎng)信號是對稱的，如果控制器的參考正弦波中存在不對稱，在逆變器的電流輸出中將產(chǎn)生同樣大小的不對稱畸變。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，這個(gè)擾動信號產(chǎn)生的畸變微弱，對電網(wǎng)影響較小，可以忽略；一旦孤島效應(yīng)發(fā)生，這種畸變效應(yīng)將凸顯，通過檢測這個(gè)畸變信號即可檢測出孤島事件發(fā)生。這種主動探測法亦即采用合適的畸變作為有效辨識孤島效應(yīng)的檢測器，以便對其進(jìn)行反孤島運(yùn)行控制，確保電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1為三節(jié)阻抗依次降低的RC移相網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的擾動電路，振蕩頻率為1KHz，出幅度可由CTL_PWR調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)電阻串接在T1發(fā)射級的電位器RP1，RP1還具有調(diào)節(jié)擾動波形失真度的功能。振蕩信號由T2組成的射級跟隨器組成，同時(shí)具有負(fù)載阻抗匹配功能。

2 結(jié)論

本文提出的針對并網(wǎng)型光伏逆變器控制器，采取主動信號探測法，植入能夠產(chǎn)生微小不平衡的畸變正弦波形擾動電路，檢測出孤島事件，可有效防止偽孤島并減小對電網(wǎng)的干擾，避免孤島保護(hù)誤動作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈輝.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 惠晶.新能源發(fā)電與控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3] 丁海洋等.光伏發(fā)電系統(tǒng)充電控制策略研究[J].電氣傳動，2006，36（12）：3-6.

作者簡介：

姜牧林，男，本科，正高級工程師，主要研究領(lǐng)域：電子、通信、自動化及信息處理；

韓麗英，女，本科，主要研究領(lǐng)域：電子、通信、自動化及信息處理。