分布式光伏電廠并網(wǎng)防反送電措施研究

王 琪，鄔世杰，蘇智東，劉 瓊，賈正波，冷智濤，于鴻征

（1.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；2.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司烏蘭察布電業(yè)局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；3.東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264001）

隨著光伏新能源并網(wǎng)規(guī)模地不斷擴大，使傳統(tǒng)的輻射式單端網(wǎng)絡(luò)成為多端網(wǎng)絡(luò)，通過連接用戶與電源終端，電力不再是單向的從變電站流向負(fù)荷，因此在計劃停電檢修區(qū)域可能會存在孤島現(xiàn)象，造成反送電現(xiàn)象，給檢修人員帶來危險，光伏電站孤島保護及防反送電措施的研究成為近年來的熱點。

孤島是指在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，公共電網(wǎng)因故障或是停電檢修而跳閘斷電時，分布式發(fā)電系統(tǒng)沒有及時將光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)斷開，分布式發(fā)電系統(tǒng)以及周圍負(fù)載形成一個自給供電的孤島[1]。反送電是指在計劃停電檢修的區(qū)域內(nèi)有可能會存在孤島運行的分布式電源，造成反送電，成為威脅檢修人員安全的新風(fēng)險[2]。

孤島運行的發(fā)電系統(tǒng)，脫離了電網(wǎng)側(cè)監(jiān)管控制，存在以下風(fēng)險：

（1）孤島內(nèi)的電壓、頻率得不到穩(wěn)定控制，如超出允許范圍，會損害配電系統(tǒng)和用戶端設(shè)備。

（2）電網(wǎng)恢復(fù)送電時，孤島運行的系統(tǒng)可能與電網(wǎng)相位不同，造成并網(wǎng)失步，造成較大的電流沖擊，損害配電系統(tǒng)和用戶端設(shè)備，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電網(wǎng)再次跳閘。

（3）孤島內(nèi)的線路、設(shè)備仍然帶電，嚴(yán)重威脅檢修人員的安全。

（4）孤島運行會影響電網(wǎng)內(nèi)備自投動作和重合閘動作。

國家標(biāo)準(zhǔn)要求“光伏發(fā)電站應(yīng)配置獨立的防孤島保護裝置，動作時間應(yīng)不大于2s”。因此研究快速可靠的防孤島檢測方法，把孤島運行的危害降低到最低具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 孤島檢測研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外孤島檢測方法大體可分為逆變器端本地檢測方法和電網(wǎng)端遠(yuǎn)程檢測方法，其中逆變器端又分為被動檢測方法和主動檢測方法[3]。

1.1 孤島檢測基本概念

圖1 為光伏發(fā)電并網(wǎng)示意圖，公共點為公共連接點，正常并網(wǎng)運行過程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)和負(fù)載功率處于供需平衡中，公共點處的電壓、頻率與主網(wǎng)保持一致，一旦供需平衡遭到破壞，公共點處電壓或頻率就會發(fā)生變化，通過檢測公共點處電壓或頻率變化情況來判斷孤島的發(fā)生。

圖1 光伏發(fā)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

S1 為光伏系統(tǒng)與本地負(fù)載的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，S2 為光伏發(fā)電系統(tǒng)與主網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。正常運行時，S1、S2 都閉合，當(dāng)主網(wǎng)失電時，光伏發(fā)電系統(tǒng)如果能快速切斷S1、S2，表示孤島檢測成功，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)載之間S1 開關(guān)沒有及時切斷，光伏系統(tǒng)向本地負(fù)載持續(xù)供電，表明孤島檢測失敗。

1.2 孤島檢測方法

1.2.1 被動孤島檢測方法

被動孤島檢測方法是指實時監(jiān)測公共點處電壓、頻率、相位、諧波等電氣量變化，從而判斷孤島現(xiàn)象，主要分為電壓頻率檢測方法、電壓諧波檢測法、電壓相位突變檢測法等。

電壓頻率檢測方法又稱過/欠壓、過/欠頻檢測方法，是最基礎(chǔ)的防孤島檢測方法，原理簡單、經(jīng)濟性好。當(dāng)孤島狀態(tài)發(fā)生時如果逆變器與負(fù)載之間功率不平衡，公共點處電壓與頻率會發(fā)生變化，如果變化量達到閾值，就會切斷光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的連接。

如果逆變器發(fā)出功率與負(fù)載消耗功率相差不大時，則公共點處電壓與頻率變化很小，達不到保護動作設(shè)定閾值，為了防止電網(wǎng)正常的電壓和頻率波動、保護動作門檻值又不能設(shè)置過小，導(dǎo)致其存在較大的檢測盲區(qū)。

電壓諧波檢測法，通過監(jiān)測電壓總諧波失真（THD）來判斷孤島狀態(tài)，此方法能在功率匹配下檢測出孤島現(xiàn)象，但諧波檢測閾值難以確定，應(yīng)用比較困難。

電壓相位突變檢測法，通過檢測電流與公共點處變壓相位差變化來判斷孤島現(xiàn)象，此方法原理簡單，但是在負(fù)載阻抗角較小時，相位差幾乎無變化，存在檢測盲區(qū)及檢測閾值難以確定等問題。

以上幾種被動孤島檢測方法，原理簡單、易于實現(xiàn)，但都有一定的檢測盲區(qū)，需要跟其他孤島保護檢測方法配合使用。

1.2.2 主動孤島檢測方法

主動孤島檢測方法主要由逆變器系統(tǒng)實現(xiàn)，人為輸出一定的擾動信號，當(dāng)正常并網(wǎng)過程中，由于主電網(wǎng)的平衡鉗制作用，擾動量對公共點處電壓、頻率沒有影響，當(dāng)主電網(wǎng)失電時，擾動量就會快速累積，公共點處電壓或頻率超出設(shè)定值，從而檢測出孤島。

主動式檢測法主要有主動式移頻（Active Frequency Drift，AFD）、滑模移相法（Slipmode Frequency Shift，SMS），功率擾動法、自動移相法（Automatic Phase Shift，APS）等。主動檢測法檢測速度快，檢測盲區(qū)小，但是系統(tǒng)中引入了擾動量，將會降低系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

1.2.3 電網(wǎng)端檢測方法

電網(wǎng)端檢測方法也稱為遠(yuǎn)程檢測方法，主要通過遠(yuǎn)程通信手段，光伏側(cè)系統(tǒng)直接獲取電網(wǎng)側(cè)斷路器開關(guān)狀態(tài)及電氣量信號，根據(jù)這些信號判斷是否產(chǎn)生孤島?；谕ㄐ诺臋z測方法主要有電力線載波通信方式（Power Line Carrier Communications，PLCC）、開信號傳送法（Signal Produced by Disconnect，SPD）等，此方法無檢測盲區(qū)，孤島檢測準(zhǔn)確可靠，不會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，是一種非常可靠的檢測方式。但是需要增加額外的通信設(shè)備，成本較高，操作復(fù)雜，在電網(wǎng)側(cè)安裝需要很多認(rèn)證。單獨安裝此套設(shè)備往往投入成本很高，經(jīng)濟性較低。

1.3 被動孤島檢測方法檢測盲區(qū)分析

檢測盲區(qū)（Non Detection Zone，NDZ）是指引起孤島檢測失效時的本地負(fù)載與分布式光伏輸出功率不匹配的取值范圍或負(fù)載參數(shù)空間?；诠β适浞秶腘DZ 可定義為[4]：

其中，Vmax、Vmin表示允許的最大和最小電壓范圍；fmax、fmin表示允許的最大和最小頻率范圍。

檢測盲區(qū)如圖2 所示。OV、UV 則是孤島檢測的電壓過壓和電壓欠壓的保護邊界，OF、UF 則是孤島檢測的頻率過頻和頻率欠頻的保護邊界，長方形區(qū)域內(nèi)部分為孤島檢測的盲區(qū)部分。

圖2 ΔP*ΔQ 坐標(biāo)系下NDZ 描述

2 基于光纖通信的防孤島保護裝置原理

2.1 工作原理

針對被動孤島檢測方法存在檢測盲區(qū)及遠(yuǎn)程檢測法需要增加通信設(shè)備成本的問題，本文提出了一種在線路差動保護裝置基礎(chǔ)上集成防孤島保護功能的新型裝置，此裝置既具有線路差動保護的所有功能，又有防孤島保護功能，被動防孤島保護由傳統(tǒng)的過/欠壓、過/欠頻保護功能實現(xiàn)，遠(yuǎn)程通信檢測方法利用線路差動保護的縱聯(lián)光纖通道實現(xiàn)，實時采樣電網(wǎng)側(cè)斷路器開關(guān)狀態(tài)和電氣量信號，實現(xiàn)孤島檢測的零盲區(qū)。

此外裝置還配有遠(yuǎn)方GOOSE 開入跳閘功能，可在MMS 網(wǎng)及GOOSE 網(wǎng)接收其他保護裝置采集到的電網(wǎng)側(cè)斷路器開關(guān)位置GOOSE 信號，進一步提高孤島檢測可靠性。

同時此裝置配有檢有壓合閘功能，在電網(wǎng)失壓情況下，并網(wǎng)斷路器開關(guān)具有合閘閉鎖功能，進一步避免反送電風(fēng)險。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

光纖通信同步向量計算：參與差動計算的兩端電氣量應(yīng)為同一時刻的交流采樣值，即兩端電流采樣應(yīng)該同步。

基本過程描述：收信中斷時，從對端發(fā)送過來一包數(shù)據(jù)中，含有本端的采樣標(biāo)號，由本端的采樣標(biāo)號可以找到這一采樣點的具體緩沖區(qū)，進而可進一步找到與這一采樣點相對應(yīng)的中斷時刻值及與該采樣點相對應(yīng)的采樣值，通過乒乓法可進一步找到對端的采樣值與本端哪兩個采樣時刻相對應(yīng)，具體過程如圖3 所示。

圖3 同步向量計算示意圖

由圖3 可得出t1到t3'的時間：

其中，t1表示本端發(fā)送時刻；t2表示對端接收時刻；t3表示對端發(fā)送時刻；t4表示本端接收時刻表示t1到t3'之間的時間差。

設(shè)采樣周期為Ts。則由t1到t3'最接近的左側(cè)采樣點t（i）對應(yīng)的采樣標(biāo)號為：

其中，N（t（i））表示t（i）時刻對應(yīng)的采樣標(biāo)號；

N（t1）表示t1時刻對應(yīng)的采樣標(biāo)號；

fix 表示取整數(shù)。

而t（i）時刻到t3'時刻之間的時間差為：

其中，Tf表示t（i）到t3'之間的時間差；mod 表示取余數(shù)。

由上式可以很容易地將t3'時刻對應(yīng)的本端交流采樣值通過拉格朗日插值法查到t（i）或t（i+1）時刻。

每隔0.833ms 向?qū)Χ吮Ｗo發(fā)送一次數(shù)據(jù)，總計208Bits，如果按2M 速度來傳輸，實際縱差通道時延將達0.65ms 左右。

由此可見，光纖差動傳輸?shù)臅r延完全滿足防孤島保護的要求。

3 防孤島保護裝置設(shè)計方案

3.1 硬件設(shè)計方案簡述

本裝置采用可擴充式模塊設(shè)計方案，采用后插拔鋁型材標(biāo)準(zhǔn)機箱結(jié)構(gòu)，功能插件包括CPU 插件、電源開入插件、交流采樣插件、開出插件、操作箱插件、液晶面板等，各插件通過內(nèi)部總線進行交互，如圖4 所示。

圖4 硬件系統(tǒng)模塊圖

CPU 插件采用高性能MPC8309 系列處理器，插件上集成了FPGA、交流采樣AD 芯片、FLASH、DDRRAM 等外設(shè)，此插件負(fù)責(zé)處理模擬采集信號接收，保護邏輯功能判斷、通信處理等功能、內(nèi)部通過LVDS 高速總線與其他模塊通信、通過RS485 與HMI 液晶面板通信，具有三路百兆RJ-45 以太網(wǎng)、一路光纖收發(fā)接口，兩路RS485 通信接口、一路RS485 IRIG-B 對時接口。通信規(guī)約支持IEC61850 及IEC60870-5-103。

電源開入插件工作電壓支持直流110V/220V 電壓等級。本插件可提供24 路常規(guī)外部開入，兩路信號輸出。

交流采樣插件將系統(tǒng)電壓互感器、電流互感器二次側(cè)強電信號變換成保護裝置所需的弱電信號，同時起隔離和抗干擾作用，共可完成14 路交流量的采集。

開出插件設(shè)計有16 路通用開出，8 路保護開出，4組遙控分閘、合閘出口。

操作箱插件滿足單跳閘線圈操作回路，可提供跳、合位及閉鎖信號，有壓力閉鎖回路和防跳回路，合閘回路可通過不同接線端子選擇是否帶防跳功能。

HMI 模塊由LCD 液晶面板、LED 指示燈、九鍵按鍵鍵盤組成，HMI 模塊負(fù)責(zé)液晶顯示、按鍵控制及與CPU通信。

3.2 軟件設(shè)計方案簡述

軟件設(shè)計采用分層設(shè)計及模塊化設(shè)計相結(jié)合的處理方式，如圖5 所示。最底層為驅(qū)動程序與嵌入式操作系統(tǒng)，中間層為平臺程序，包括參數(shù)解析、IEC61850 模塊、103 規(guī)約模塊、打印模塊、相關(guān)保護元件、保護算法等功能，最上層為應(yīng)用層，包含具體的保護功能應(yīng)用，如數(shù)據(jù)采樣、保護功能任務(wù)、通信規(guī)約等。

圖5 軟件設(shè)計框圖

本裝置是基于VXWORKS 實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，主要進行了板級、數(shù)據(jù)庫、信號等初始化及各任務(wù)的創(chuàng)建。任務(wù)創(chuàng)建完成后，由系統(tǒng)內(nèi)核管理各任務(wù)，按照任務(wù)的優(yōu)先級，先執(zhí)行優(yōu)先級高的任務(wù)，后執(zhí)行優(yōu)先級低的任務(wù)，同等優(yōu)先級的任務(wù)按照時間片輪轉(zhuǎn)原則執(zhí)行。

本裝置配置了：兩段低壓保護、兩段過壓保護、兩段低頻保護、兩段過頻保護。以上4 種保護，負(fù)責(zé)被動防孤島保護功能。

本裝置配置了檢有壓合閘功能，此功能進一步避免了反送電的風(fēng)險。

本裝置配置了逆功率保護功能，此功能適用于防逆流的并網(wǎng)模式。

本裝置配置了外部聯(lián)跳功能、可接收光纖專用通道信號及基于IEC61850 協(xié)議GOOSE 信號，實現(xiàn)遠(yuǎn)方通信式防孤島保護功能。

本裝置具有分相差動保護，三段相電流過流保護，三相一次重合閘功能，低頻減載、低壓減載，過負(fù)荷告警，過流加速保護，零序電流加速保護，手合后加速，PT 告警、CT 告警等，這些保護負(fù)責(zé)線路差動保護相關(guān)功能。

本裝置還具備遙測、遙信、遙控等測控功能。

本裝置集成了線路差動保護功能、防孤島保護功能、測控功能、錄波功能、動作報告、告警報告、SOE 報告記錄、操作記錄、裝置自檢等功能，保護功能可用軟壓板、控制字進行功能投退，可設(shè)置線路差動功能與防孤島保護保持獨立，使裝置能適用不同場景的應(yīng)用。

4 RT-LAB 半實物系統(tǒng)仿真測試

4.1 仿真原理介紹

RT-LAB 實時數(shù)字仿真是一種典型半實物仿真方法，通過將物理控制裝置（防孤島保護裝置）通過輸入輸出板卡接入仿真器中，在上位機平臺建立主電路數(shù)字模型，形成典型的數(shù)模混合仿真平臺，通過物理連接及同步通信方式，實現(xiàn)控制器的硬件在環(huán)實時仿真，結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。

圖6 RT-LAB 仿真結(jié)構(gòu)圖

仿真系統(tǒng)由光伏逆變模塊、PQ 控制模塊、PWM 發(fā)生器模塊、用戶負(fù)載、三相斷路器、公共電網(wǎng)，RT-LAB 接口模塊等構(gòu)成。

4.1.1 光伏逆變器模型

如圖7 所示，光伏逆變器模型采用Simulink 模塊庫中通用電橋中IGBT 逆變模塊，通過PWM 調(diào)制出三相正弦波。

圖7 逆變器模型

4.1.2 逆變器控制模塊

逆變器控制模塊采用PQ 恒功率控制算法（如圖8），此算法是在dq 坐標(biāo)系下，利用電壓功率外環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)控制，進行有功和無功解耦。在主電網(wǎng)失電時，逆變器也能保持之前的功率輸出，從而能模擬出不同功率下，電壓與頻率的變化情況。由PLL 模塊、DQ 轉(zhuǎn)換模塊、參考電流計算模塊，電流PID 計算模塊組成，如圖9-圖11所示。

圖8 PQ 控制模塊

圖9 PLL 鎖相及DQ 轉(zhuǎn)換模塊

圖10 參考電流計算模塊

圖11 電流PID 計算模塊

4.1.3 主電網(wǎng)模型

主電網(wǎng)模型主要由公共電網(wǎng)、用戶負(fù)載、斷路器等組成，如圖12、圖13 所示。

圖12 電網(wǎng)模型

圖13 斷路器模型

4.1.4 RT-LAB 接口模型

如圖14 所示，其中SM_PV 為主模塊，包含光伏逆變器主電路模型和接口模型，主要起控制模型實時計算和網(wǎng)絡(luò)同步的作用及放置數(shù)據(jù)文件記錄模塊；SC_PV 為觀測模塊，不能包含實時計算的部分，只有示波器、開關(guān)和邏輯選擇等，主要用來對半實物仿真系統(tǒng)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)、曲線進行實時監(jiān)控或事后處理子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。模塊之間通過OpComm 同步通信模塊連接，所有輸入頂層子系統(tǒng)的信號必須首先經(jīng)過OpComm 模塊，OpComm模塊為RT-LAB 提供從一個子系統(tǒng)到另一個子系統(tǒng)所發(fā)送的信號的類型、大小等信息。

圖14 RT-LAB 整體結(jié)構(gòu)

4.2 仿真實驗

設(shè)定參數(shù)，光伏電站容量為30kW，當(dāng)負(fù)載為30kW，無功為800Var 時，光伏逆變器用恒功率PQ 控制算法輸出有功30kW，無功800Var，此時逆變器發(fā)出功率與用戶消耗功率平衡（如圖15），此時模擬主電網(wǎng)失電。

圖15 功率平衡

功率平衡時，在電網(wǎng)斷路器斷開后，用戶處電壓及頻率沒有明顯變化，被動防孤島處于檢測盲區(qū)，此時被動式防孤島檢測方法失效，光伏測防孤島保護裝置檢測到電網(wǎng)側(cè)斷路器斷開，延時900ms，主動防孤島保護動作，斷開光伏側(cè)并網(wǎng)斷路器，主動防孤島保護完成。

圖16-圖19 是有功和無功不匹配時，主電網(wǎng)失電后，并網(wǎng)點處電壓、頻率發(fā)生明顯變化，防孤島保護通過被動式防孤島保護檢測出孤島現(xiàn)象，主動防孤島保護也同時進行孤島檢測判斷。

圖16 逆變器有功功率小于負(fù)載有功功率，逆變器無功功率小于負(fù)載無功功率，逆變器輸出有功30kW，無功800Var，負(fù)載的有功為50kW，無功為2000Var。

圖16 功率不平衡（a）

圖17 逆變器有功功率大于負(fù)載有功功率，逆變器無功功率小于負(fù)載無功功率，逆變器輸出有功30kW，無功800Var，負(fù)載的有功為20kW，無功為1200Var。

圖17 功率不平衡（b）

圖18 逆變器有功功率大于負(fù)載有功功率，逆變器無功功率大于負(fù)載無功功率，逆變器輸出有功30kW，無功800Var，負(fù)載的有功為20kW，無功為200Var。

圖18 功率不平衡（c）

圖19 逆變器有功功率小于負(fù)載有功功率，逆變器無功功率大于負(fù)載無功功率，逆變器輸出有功30kW，無功800Var，負(fù)載的有功為50kW，無功為200Var。

圖19 功率不平衡（d）

5 典型應(yīng)用

本裝置適用于110kV 及以下電壓等級分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)，以光伏電站為例，如圖20 所示。

圖20 光伏接入示意圖

防孤島保護裝置1 安裝在光伏側(cè)，采集光伏電站母線處電壓、與公共電網(wǎng)連接的線路上電流等交流電氣量及S1 斷路器開關(guān)狀態(tài)，防孤島保護裝置2 安裝在電網(wǎng)側(cè)，采集電網(wǎng)側(cè)電壓、與光伏電站連接線路上電流等交流電氣量S2 處斷路器開關(guān)狀態(tài)，如果主網(wǎng)發(fā)生斷電，防孤島保護裝置經(jīng)過以下步驟進行防孤島保護。

防孤島保護裝置1 通過光纖通道接收到防孤島保護裝置2 發(fā)來的對側(cè)數(shù)據(jù)，檢測到S2 開關(guān)為斷開狀態(tài)或S2 處無壓，判斷孤島現(xiàn)象發(fā)生，經(jīng)短延時跳開S1 處斷路器開關(guān)。孤島保護動作完成。

防孤島保護裝置1 根據(jù)用戶10kV 母線處采集的交流量進行被動式防孤島檢測，如果過/欠壓、過/欠頻保護中任意一種保護滿足其動作條件，跳閘出口動作，經(jīng)短延時跳開S1 處斷路器開關(guān)。孤島保護動作完成。

防孤島保護裝置1 通過以太網(wǎng)接口接收防孤島保護裝置2 發(fā)送的孤島GOOSE 信號，在電網(wǎng)失電時，防孤島保護裝置2 會根據(jù)自身采集的公共電網(wǎng)處電壓和S2 處斷路器位置來判斷孤島發(fā)生情況，發(fā)出孤島GOOSE 信號，防孤島保護裝置1 接收到防孤島保護裝置的2 的孤島GOOSE 信號，經(jīng)短延時跳開S1 處斷路器開關(guān)。孤島保護動作完成。

防孤島保護裝置1，配有檢有壓合閘功能，在用戶10kV 母線無壓時，并網(wǎng)點斷路器開關(guān)S1，合閘功能閉鎖，只有檢測到用戶10kV 母線有壓時，合閘功能才有效，進一步避免了反送電的風(fēng)險。

通過以上步驟，光伏系統(tǒng)在孤島發(fā)生時，防孤島保護裝置能可靠切斷逆變器與電網(wǎng)的連接，防止反送電風(fēng)險。

6 結(jié)束語

經(jīng)工程實踐表明，該設(shè)計方案利用光纖縱聯(lián)通道遠(yuǎn)程通信檢測法，結(jié)合被動防孤島檢測方法，實現(xiàn)了孤島檢測的零盲區(qū)，能快速可靠檢測出孤島，切斷并網(wǎng)點斷路器開關(guān)，同時具有檢有壓合閘功能，能進一步避免反送電風(fēng)險。該裝置同時具備線路差動和孤島保護功能，適用于不同應(yīng)用場景，經(jīng)濟性比較好。