《孤岛运行下的光伏发电技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《孤岛运行下的光伏发电技术（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于孤岛运行的光伏发电关键技术研究基于孤岛运行的光伏发电关键技术研究一、绪论一、绪论 太阳能作为一种绿色能源，是人类取用不竭的可靠能源。大力开发和利用太阳能作为一种绿色能源，是人类取用不竭的可靠能源。大力开发和利用 太阳能是建立起清洁和可持续发展能源体系的必由之路。太阳能光伏发电是利太阳能是建立起清洁和可持续发展能源体系的必由之路。太阳能光伏发电是利 用太阳能最灵活方便的一种方式，近年来在国际上受到广泛重视并取得了长足用太阳能最灵活方便的一种方式，近年来在国际上受到广泛重视并取得了长足 进展。因此，深入研究光伏并网发电系统，对于节约常规能源、保护环境、促进展。因此，深入研究光伏并网发电系统，对
2、于节约常规能源、保护环境、促 进经济发展都有极为重要的现实意义和深远的历史意义。但光伏发电系统接入进经济发展都有极为重要的现实意义和深远的历史意义。但光伏发电系统接入 电网会给电网运行带来不利影响。其中光伏发电最大的技术挑战和潜在危险就电网会给电网运行带来不利影响。其中光伏发电最大的技术挑战和潜在危险就 是孤岛效应，因此孤岛效应的检测和防护是目前颇受关注的一个课题。是孤岛效应，因此孤岛效应的检测和防护是目前颇受关注的一个课题。 1.1 孤岛检测的研究意义孤岛检测的研究意义 在光伏并网发电系统中，光伏发电系统不能直接与电网并联，而是通过逆在光伏并网发电系统中，光伏发电系统不能直接与电网并联，而是
3、通过逆 变器作为接口元件与电网连接，这就涉及到一个新的安全问题变器作为接口元件与电网连接，这就涉及到一个新的安全问题“孤岛孤岛” 。随着光。随着光 伏并网发电系统越来越多的被应用，孤岛日益成为人们关注的焦点。伏并网发电系统越来越多的被应用，孤岛日益成为人们关注的焦点。 孤岛检测的含义及意义孤岛检测的含义及意义 AC光伏列阵逆变器节点a变压器断路器 电网i0Va +jQ Ppv+jQpvPload+jQloadRLC图图 1.1 孤岛系统原理电路图孤岛系统原理电路图孤岛效应是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，光伏并孤岛效应是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，光伏并 网
4、发电系统仍然向周围的负载供电，从而形成一个电力公司无法控制的自给供网发电系统仍然向周围的负载供电，从而形成一个电力公司无法控制的自给供 电孤岛电孤岛1。孤岛系统原理电路图如图。孤岛系统原理电路图如图 1.1 所示，断路器断开时逆变器与所示，断路器断开时逆变器与 RLC 负载就构成了一个负载就构成了一个“孤岛孤岛” 。光伏电池输出能量将随着太阳照射强度的变化而变。光伏电池输出能量将随着太阳照射强度的变化而变 化，当光照强度大时，光伏发电系统输出的功率较大。当光伏逆变器输出的容化，当光照强度大时，光伏发电系统输出的功率较大。当光伏逆变器输出的容 量超出本地负载的需求时，多余的能量将输送到电网上供其
5、他负载使用；当光量超出本地负载的需求时，多余的能量将输送到电网上供其他负载使用；当光 照强度较弱或者晚间光伏电池完全停止工作时，光伏发电系统输出的能量降低照强度较弱或者晚间光伏电池完全停止工作时，光伏发电系统输出的能量降低 或者为或者为 0，此时负载所需的能量由电网提供。，此时负载所需的能量由电网提供。 光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果，其危害性在于：光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果，其危害性在于：（1）孤岛产生后，电力系统不再能控制光伏电源，电源的电压和频率可能孤岛产生后，电力系统不再能控制光伏电源，电源的电压和频率可能 会产生大波动，对孤岛中的电力设备产
6、生一定损害。会产生大波动，对孤岛中的电力设备产生一定损害。（2）孤岛并网重合闸时可能因为与电力系统电压相位相差过大，导致再次）孤岛并网重合闸时可能因为与电力系统电压相位相差过大，导致再次 跳闸，严重时损坏发电设备。跳闸，严重时损坏发电设备。 （3）孤岛运行可能会对电力线路的维修人员造成伤害，降低电网安全性。）孤岛运行可能会对电力线路的维修人员造成伤害，降低电网安全性。 （4）电力孤岛区域如果过载运行可能会损坏逆变电源。）电力孤岛区域如果过载运行可能会损坏逆变电源。 因此，及时检测出孤岛运行状态并将光伏并网发电系统的逆变器从公共点因此，及时检测出孤岛运行状态并将光伏并网发电系统的逆变器从公共点断
7、开是很有必要的，这就是所谓的孤岛检测。断开是很有必要的，这就是所谓的孤岛检测。 孤岛检测标准孤岛检测标准 IEEE Std.2000-929 和和 UL1741 提出分布式供电系统必须具有检测孤岛提出分布式供电系统必须具有检测孤岛 效应的功能，并给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并将逆变器与效应的功能，并给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并将逆变器与 电网断开的时间要求电网断开的时间要求2，如表，如表 1.1 所示。所示。1.2 孤岛检测基本原理孤岛检测基本原理 光伏并网系统孤岛检测原理如图光伏并网系统孤岛检测原理如图 1.2 所示。正常情况下，光伏系统和电网所示。正常情况下，
8、光伏系统和电网 同时向负载供电。当电网出现故障断开后，光伏系统独立向负载供电。如果光同时向负载供电。当电网出现故障断开后，光伏系统独立向负载供电。如果光 伏逆变器输出功率和负载功率近似匹配，如伏逆变器输出功率和负载功率近似匹配，如 P=0，Q=0，这时很难检测到，这时很难检测到 电网断开故障，从而形成孤岛。电网断开故障，从而形成孤岛。光伏逆 变器ACRLCPload+jQload+jQ Pinv+jQinvVg fgS1电网图图 1.2 并网发电系统孤岛效应原理图并网发电系统孤岛效应原理图P 是电网的有功功率输出，是电网的有功功率输出，Q 是电网的无功功率输出，是电网的无功功率输出，Pinv
9、是光伏的有功是光伏的有功功率输出，功率输出，Qinv 是电网的无功功率输出，是电网的无功功率输出，Pload 是负载的有功功率，是负载的有功功率，Qload 是是 电网的无功功率。因此，功率平衡是指电网的无功功率。因此，功率平衡是指Pinv=Pload-P; Qinv=Qload-Q (1.1)如果如果 Pinv=Pload，那么在光伏系统输出的功率和电网输出的功率之间将不，那么在光伏系统输出的功率和电网输出的功率之间将不 存在有功功率失配的问题。同样的，如果存在有功功率失配的问题。同样的，如果 Qinv=Qload，那么在光伏系统输出，那么在光伏系统输出 的功率和电网输出的功率之间将不存在无
10、功功率失配的问题。的功率和电网输出的功率之间将不存在无功功率失配的问题。在发电系统和电网断开的时刻，系统的响应时间将取决于孤岛形成之前在发电系统和电网断开的时刻，系统的响应时间将取决于孤岛形成之前P和和 Q 的瞬时值。如果的瞬时值。如果 RLC 负载的谐振频率与电网频率一致，那么线性负负载的谐振频率与电网频率一致，那么线性负 载将不吸收或者消耗无功功率，而有功功率将与电压成比例。在负载与电网断载将不吸收或者消耗无功功率，而有功功率将与电压成比例。在负载与电网断 开之后，负载消耗的有功功率将与光伏系统产生的功率一致，电网电压将变为：开之后，负载消耗的有功功率将与光伏系统产生的功率一致，电网电压将
11、变为：V=KV (1.2) 式中式中（1.3） 当 PinvPload 时，电压幅值将会增大，如果 PinvR，Z=X，90 ，一般功率角 较小，则有 cos1，sin，式（4.2）化简后可得：(4.3)低压配电系统中，RX，ZR，0，则(4.4)由式（4.3） ， （4.4）可见，在 E 为常数情况下，无论高、低压配电系统，有功功率、 无功功率与逆变器输出电压幅值、相角做下垂线性关联。低压配电系统中，光伏下垂的交 流电压源特性如图 4.3 所示。功率电压Un Pn0图 4.3 光伏下垂特性曲线4.3.2 环流抑制分析多台微电源以电压源形式运行时， 环流是首要解决的问题32，下垂控制策略对环流
12、的抑制功能如图 4.4 所示。 U1UnABCDU2图 4.4 并联光伏功率下垂特性曲线由图 4.4 可知，下垂特性为，幅值大的在曲线 u1 上由 A 向 B 移动， 幅值小的在曲线 u2 上由 D 向 C 移动，直至幅值相等（同样适合频率不同时的情况） 。 在完成均分功率的同时，使得电压源的幅值和频率相等，将环流抑制到最小。4.4 下垂控制器设计光伏逆变器拓扑结构如图 4.5 所示。PVSVPWM控制器ickcsk LfUk IkRfCfZc图 4.5 光伏逆变器拓扑结构图图 4.5 中光伏逆变器采用 LC 滤波， 逆变器输出电压、电流分别为 uk，ik；滤波电阻 Rf 很小，可以忽略，滤波
13、电容的电压、电流分别为 uck，ick；icsk 为流向负荷与电网的电流和；k 为 a，b，c 三相。 鉴于光伏逆变器并网发电和孤岛运行时， 拓扑结构相同，经 park 变化，其状态方程为(4.5)式中：Ud ，Uq 为电网电压 dq 轴分量；ucd ，ucq 为滤波电容电压；id ，iq 为滤波电感电流。 基于下垂控制策略设计的功率控制器如图 4.6 所示。 aPI bPI21/SPQPrefQref+-V dq0VldVlqwfnVf图 4.6 功率控制器设计结构图 由于频率信号容易测量， 将相角控制改为频率控制。控制环中的功率为瞬时值， 提高整个系统的实时性，加入 PI 环节可以稳定输出
14、电压精度。 稳态时，式（4.5）为零，电容电压、电感电流的线性关系构成逆变控制中电压、 电流 PI 闭环使用依据，同时注意受控量所受的扰动，将这些扰动量加入控制系统可 使受控量控制更加快速准确。PI PILfCfVklikl+idVklVd-+图 4.7 d 轴电压、电流双闭环控制结构图 由图 4.7 可知，以电容电压反馈为外环，电感电流反馈为内环。电感电流 内环的引入可以使滤波电感成为可控的电流源，提供系统稳定性。 4.5 本章小结 本文以两台光伏，一台其他分布式电源构建微电网模型，在分析了控制策 略转变需求的基础上， 提出基于主从模式的下垂控制策略，重新设计下垂特性， 保证负载变化时的功率
15、平衡，采用电压、电流双闭环控制改善输出电能。但是 没有通过 Simulink 仿真结果验证该控制策略的可行性和有效性，由于时间有 限，只能作为下一步的工作重点。参考文献1 IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic(PV) systemsSIEEE Std.929-2000 2 Raymond M.Hudson，Tony Thome，Fereydoun MekanilImplementation and testing of anti-islanding algorithms for IEEE 929-2000 complance of single phase photovoltaic inv-ertersJIEEE2005：14143 De Mango, F., Liserre, M. and Dell Aquila, A., Overview of Anti-islanding Algo rithms for PV Systems. Part II Active Methods. In Proceedings of the 12th International Power Electronics and Motion Conference, Auguse 2006, pp.
