基于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的分布式電網(wǎng)并網(wǎng)研究

竇偉山，劉永娟

(滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北滄州061000)

基于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的分布式電網(wǎng)并網(wǎng)研究

竇偉山，劉永娟

(滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北滄州061000)

實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電系統(tǒng)的有效并網(wǎng)是分布式電網(wǎng)主要的一個(gè)發(fā)展方向。以太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)為例對(duì)分布式電網(wǎng)的并網(wǎng)系統(tǒng)展開(kāi)研究。著重分析了在光伏并網(wǎng)過(guò)程中出現(xiàn)的孤島效應(yīng)，同時(shí)在遠(yuǎn)程智能孤島檢測(cè)設(shè)計(jì)中提出了基于電力系統(tǒng)同步相量檢測(cè)單元(PMU)的孤島效應(yīng)檢測(cè)方案。最后給出了光伏并網(wǎng)流程，提高分布式電網(wǎng)并網(wǎng)的安全性與穩(wěn)定性。

光伏發(fā)電;并網(wǎng)系統(tǒng);孤島檢測(cè)

“陽(yáng)光計(jì)劃”的推廣使得世界各國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了飛速的發(fā)展。太陽(yáng)能是所有可再生能源中最為實(shí)用和最為靈活的技術(shù)，是真正具有零污染、零排放等特點(diǎn)的技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年的太陽(yáng)能輻射總量達(dá)到2 333 kWh/m2，2009年我國(guó)太陽(yáng)電池產(chǎn)量達(dá)到4.3 GW，占到了全球生產(chǎn)總量的40%[1]。根據(jù)國(guó)家規(guī)劃，到2020年，我國(guó)的光伏發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到2 000萬(wàn)千瓦，逐漸代替化石能源。光伏并網(wǎng)是將太陽(yáng)電池板轉(zhuǎn)化得到的電能并入大電網(wǎng)之中。光伏并網(wǎng)一方面緩解了電網(wǎng)壓力，使我們獲得了更多的能源；但是另一方面，由于這種分布式能源的接入使得大電網(wǎng)變得更加復(fù)雜，因此要設(shè)計(jì)高效的并網(wǎng)監(jiān)測(cè)機(jī)制。

孤島效應(yīng)是大電網(wǎng)由于檢修或者出現(xiàn)意外故障等原因停止工作時(shí)，接入大電網(wǎng)的各個(gè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)沒(méi)有及時(shí)地進(jìn)行檢測(cè)從而不能夠與大電網(wǎng)進(jìn)行分離，造成由光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立的向周邊負(fù)載供電的現(xiàn)象。孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)過(guò)程中最常見(jiàn)的故障之一，并且孤島效應(yīng)不僅僅會(huì)危害光伏發(fā)電系統(tǒng)和大電網(wǎng)，還會(huì)對(duì)電站工作人員造成潛在的人身危害。因此對(duì)孤島效應(yīng)的檢測(cè)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中占有重要的地位。

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括光伏發(fā)電陣列、光伏逆變轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏逆變系統(tǒng)將直流電逆變成正弦交流電并入大電網(wǎng)中，控制系統(tǒng)則是主要實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，并且控制管理逆變波形和功率。

圖1 并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)為一個(gè)典型的光網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要包括實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的光伏陣列、實(shí)現(xiàn)交流-直流變換的DC/AC逆變器以及直流變換器和其他保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置。通過(guò)直流變換器，可以在變換器與逆變器之間建立直流環(huán)使光伏陣列的電壓達(dá)到合適的水平。除了這些以外，系統(tǒng)還配備了蓄電池，主要用于緩解光伏發(fā)電量的巨大波動(dòng)，同時(shí)保證并網(wǎng)效率與大電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 光伏逆變系統(tǒng)選擇

光伏發(fā)電系統(tǒng)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，但是轉(zhuǎn)換得到的電能為直流電，因此需要經(jīng)過(guò)逆變之后才能并入大電網(wǎng)之中。常見(jiàn)的逆變器主要有單級(jí)式無(wú)變壓器結(jié)構(gòu)、帶工頻變壓器的光伏逆變器和多級(jí)逆變結(jié)構(gòu)。單級(jí)式無(wú)變壓器結(jié)構(gòu)不夠靈活，難以擴(kuò)展；帶工頻變壓器的光伏逆變器體積較大，不適合光伏發(fā)電系統(tǒng)；多級(jí)逆變結(jié)構(gòu)則效率高，損耗低，但是成本相對(duì)較高。通過(guò)比較分析，本系統(tǒng)決定采用兩級(jí)式光伏逆變系統(tǒng)[2]。

該系統(tǒng)前級(jí)為Boost電路，主要方法是通過(guò)控制占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。后級(jí)則是通過(guò)跟蹤指令電流實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的控制。這樣的兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)靈活的擴(kuò)展，并且獨(dú)立地進(jìn)行MPPT控制，相互之間沒(méi)有影響。

2 遠(yuǎn)程孤島檢測(cè)技術(shù)

2.1 孤島檢測(cè)技術(shù)的分類

孤島效應(yīng)的危害上文已經(jīng)提及，實(shí)現(xiàn)對(duì)孤島效應(yīng)的有效監(jiān)測(cè)成為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容之一。孤島檢測(cè)方法主要可以分為本地監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，其中本地監(jiān)測(cè)可以分為被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)。被動(dòng)檢測(cè)是針對(duì)電壓、電流等電力特征的檢測(cè)來(lái)判斷是否出現(xiàn)孤島效應(yīng)，主動(dòng)監(jiān)測(cè)則是通過(guò)檢測(cè)電壓擾動(dòng)、功率擾動(dòng)等實(shí)現(xiàn)孤島效應(yīng)的檢測(cè)。但是本地監(jiān)測(cè)存在檢測(cè)盲區(qū)，難以實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)。雖然遠(yuǎn)程檢測(cè)經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較高，但是不存在檢測(cè)盲區(qū)，效率要高很多。

2.2 基于PMU的孤島檢測(cè)

電力系統(tǒng)同步相量檢測(cè)單元(PMU)是一個(gè)被廣泛應(yīng)用于孤島檢測(cè)的方法，具有高檢測(cè)質(zhì)量和低反應(yīng)時(shí)延的特點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，其工作框架如圖2所示。通過(guò)其中央處理器實(shí)現(xiàn)從發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的繼電器中得到各自的電壓相量信息，通過(guò)對(duì)該信息的處理從而判斷該光伏發(fā)電系統(tǒng)是否處于孤島狀態(tài)。

圖2 PMU技術(shù)的原理圖

該方法的一個(gè)關(guān)鍵是設(shè)置檢測(cè)閾值，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電側(cè)的電壓相位角進(jìn)行比較，當(dāng)兩側(cè)的相位角小于閾值時(shí)則認(rèn)為系統(tǒng)正常運(yùn)行，并未發(fā)生孤島效應(yīng)。但是當(dāng)檢測(cè)到兩側(cè)的相位角大于閾值之后，便認(rèn)為出現(xiàn)了孤島效應(yīng)，應(yīng)立即斷開(kāi)與電網(wǎng)連接。發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)的等效電路圖如圖3所示，即通過(guò)斷路器斷開(kāi)表明孤島效應(yīng)出現(xiàn)。

如圖3所示，可以得到以下兩個(gè)式子：

由式(1)和(2)可以得到當(dāng)發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)系統(tǒng)的電壓與電流的相量關(guān)系如圖4所示。

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，相位角θ1和θ2為重合，但是當(dāng)出現(xiàn)孤島效應(yīng)時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部功率失衡，導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓與電流出現(xiàn)不規(guī)則的波動(dòng)，從而使得發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)相位差，并且隨著發(fā)電側(cè)波動(dòng)幅度的加大，該相位差也會(huì)越來(lái)越大。

圖3 孤島效應(yīng)等效電路

圖4 相量關(guān)系圖

3 并網(wǎng)流程簡(jiǎn)介

隨著分布式能源的發(fā)展，越來(lái)越多的微電網(wǎng)都將加入大電網(wǎng)。為了規(guī)范微網(wǎng)并網(wǎng)流程，實(shí)現(xiàn)高效、安全穩(wěn)定的并網(wǎng)，筆者對(duì)現(xiàn)有的并網(wǎng)方案展開(kāi)研究，提出了如圖5所示的并網(wǎng)流程圖。利用該流程圖進(jìn)行電網(wǎng)并網(wǎng)，可以大大提高系統(tǒng)的安全性與系統(tǒng)并網(wǎng)效率。

圖5 并網(wǎng)流程圖

如圖5所示，首先由光伏電網(wǎng)的發(fā)電側(cè)向大電網(wǎng)提出并網(wǎng)請(qǐng)求，大電網(wǎng)審核通過(guò)后開(kāi)始系統(tǒng)的并網(wǎng)自檢。而后檢測(cè)發(fā)電側(cè)的發(fā)電設(shè)備是否正常運(yùn)行，如果運(yùn)行故障則進(jìn)行系統(tǒng)檢修，檢修結(jié)束后再發(fā)起發(fā)電系統(tǒng)自檢；發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)，對(duì)逆變系統(tǒng)進(jìn)行自檢。逆變系統(tǒng)只有在正常工作時(shí)才閉合斷路器，進(jìn)行并網(wǎng)。當(dāng)并網(wǎng)后，系統(tǒng)的孤島檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，一旦出現(xiàn)孤島效應(yīng)，系統(tǒng)馬上斷開(kāi)連接。在并網(wǎng)運(yùn)行中還有其他的諸如電能質(zhì)量等檢測(cè)系統(tǒng)，本流程圖未一一列舉。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著分布式發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的分布式微電網(wǎng)需要并入大電網(wǎng)之中。一個(gè)高效的并網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的保障。本文以光伏微網(wǎng)為例，對(duì)分布式電網(wǎng)的并網(wǎng)系統(tǒng)展開(kāi)研究，著重分析了并網(wǎng)過(guò)程中常見(jiàn)的孤島效應(yīng)問(wèn)題。筆者對(duì)基于PMU的孤島檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。最后，通過(guò)比較現(xiàn)有的并網(wǎng)流程，提出了優(yōu)化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的請(qǐng)求反饋型并網(wǎng)流程，提高了并網(wǎng)效率。

[1]郭巍.并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電網(wǎng)影響研究[D].天津：天津大學(xué),2010.

[2]雷珽.分布式電源的并網(wǎng)策略與協(xié)調(diào)控制[D].上海：上海交通大學(xué),2011.

Study on grid connection based on solar power system

DOU Wei-shan,LIU Yong-juan
(Cangzhou Technical College,Cangzhou Hebei 061000,China)

The effective connection of distributed power generation system is the main development direction of distributed power grid. In this paper, the solar power generation system was taken as an example to study the grid-connected system of distributed power grid. The islanding effect in the process of PV grid connection was analyzed,and the islanding detection scheme based on the synchronous vector detection unit(PMU)of the power system was proposed in the remote intelligent island detection design.Finally,the PV grid connection process was put forwarded to improve the security and stability of the grid connection of distributed power grid.

photovoltaic power generation;grid connection system;island detection

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1052-03

2016-12-04

竇偉山(1978—)，男，河北省人，講師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。