基于太陽能發電系統的分布式電網并網研究

竇偉山，劉永娟

(滄州職業技術學院，河北滄州061000)

基于太陽能發電系統的分布式電網并網研究

竇偉山，劉永娟

(滄州職業技術學院，河北滄州061000)

實現分布式發電系統的有效并網是分布式電網主要的一個發展方向。以太陽能發電系統為例對分布式電網的并網系統展開研究。著重分析了在光伏并網過程中出現的孤島效應，同時在遠程智能孤島檢測設計中提出了基于電力系統同步相量檢測單元(PMU)的孤島效應檢測方案。最后給出了光伏并網流程，提高分布式電網并網的安全性與穩定性。

光伏發電;并網系統;孤島檢測

“陽光計劃”的推廣使得世界各國的太陽能發電產業得到了飛速的發展。太陽能是所有可再生能源中最為實用和最為靈活的技術，是真正具有零污染、零排放等特點的技術。據統計，我國每年的太陽能輻射總量達到2 333 kWh/m2，2009年我國太陽電池產量達到4.3 GW，占到了全球生產總量的40%[1]。根據國家規劃，到2020年，我國的光伏發電裝機容量將達到2 000萬千瓦，逐漸代替化石能源。光伏并網是將太陽電池板轉化得到的電能并入大電網之中。光伏并網一方面緩解了電網壓力，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變得更加復雜，因此要設計高效的并網監測機制。

孤島效應是大電網由于檢修或者出現意外故障等原因停止工作時，接入大電網的各個分布式光伏發電系統沒有及時地進行檢測從而不能夠與大電網進行分離，造成由光伏發電系統獨立的向周邊負載供電的現象。孤島效應是光伏并網過程中最常見的故障之一，并且孤島效應不僅僅會危害光伏發電系統和大電網，還會對電站工作人員造成潛在的人身危害。因此對孤島效應的檢測在光伏并網系統中占有重要的地位。

1 光伏并網系統整體設計

1.1 系統結構設計

光伏并網系統主要包括光伏發電陣列、光伏逆變轉換系統和控制系統三大部分組成，設計結構如圖1所示。光伏逆變系統將直流電逆變成正弦交流電并入大電網中，控制系統則是主要實現對光伏電池最大功率點跟蹤(MPPT)，并且控制管理逆變波形和功率。

圖1 并網系統結構

如圖1所示，本系統為一個典型的光網并網系統，其結構主要包括實現能源轉換的光伏陣列、實現交流-直流變換的DC/AC逆變器以及直流變換器和其他保護監測裝置。通過直流變換器，可以在變換器與逆變器之間建立直流環使光伏陣列的電壓達到合適的水平。除了這些以外，系統還配備了蓄電池，主要用于緩解光伏發電量的巨大波動，同時保證并網效率與大電網的穩定運行。

1.2 光伏逆變系統選擇

光伏發電系統是將太陽能轉換為電能的裝置，但是轉換得到的電能為直流電，因此需要經過逆變之后才能并入大電網之中。常見的逆變器主要有單級式無變壓器結構、帶工頻變壓器的光伏逆變器和多級逆變結構。單級式無變壓器結構不夠靈活，難以擴展；帶工頻變壓器的光伏逆變器體積較大，不適合光伏發電系統；多級逆變結構則效率高，損耗低，但是成本相對較高。通過比較分析，本系統決定采用兩級式光伏逆變系統[2]。

該系統前級為Boost電路，主要方法是通過控制占空比實現對輸出電壓的調節，實現最大功率點跟蹤(MPPT)。后級則是通過跟蹤指令電流實現對直流電壓的控制。這樣的兩級控制結構可以實現靈活的擴展，并且獨立地進行MPPT控制，相互之間沒有影響。

2 遠程孤島檢測技術

2.1 孤島檢測技術的分類

孤島效應的危害上文已經提及，實現對孤島效應的有效監測成為光伏并網系統的主要研究內容之一。孤島檢測方法主要可以分為本地監測和遠程監測，其中本地監測可以分為被動檢測和主動監測。被動檢測是針對電壓、電流等電力特征的檢測來判斷是否出現孤島效應，主動監測則是通過檢測電壓擾動、功率擾動等實現孤島效應的檢測。但是本地監測存在檢測盲區，難以實現有效的檢測。雖然遠程檢測經濟成本相對較高，但是不存在檢測盲區，效率要高很多。

2.2 基于PMU的孤島檢測

電力系統同步相量檢測單元(PMU)是一個被廣泛應用于孤島檢測的方法，具有高檢測質量和低反應時延的特點。在本系統中，其工作框架如圖2所示。通過其中央處理器實現從發電側和電網側的繼電器中得到各自的電壓相量信息，通過對該信息的處理從而判斷該光伏發電系統是否處于孤島狀態。

圖2 PMU技術的原理圖

該方法的一個關鍵是設置檢測閾值，通過對電網側和發電側的電壓相位角進行比較，當兩側的相位角小于閾值時則認為系統正常運行，并未發生孤島效應。但是當檢測到兩側的相位角大于閾值之后，便認為出現了孤島效應，應立即斷開與電網連接。發生孤島效應時的等效電路圖如圖3所示，即通過斷路器斷開表明孤島效應出現。

如圖3所示，可以得到以下兩個式子：

由式(1)和(2)可以得到當發生孤島效應時系統的電壓與電流的相量關系如圖4所示。

當系統正常工作時，相位角θ1和θ2為重合，但是當出現孤島效應時，光伏發電系統的內部功率失衡，導致系統的電壓與電流出現不規則的波動，從而使得發電側和電網側出現相位差，并且隨著發電側波動幅度的加大，該相位差也會越來越大。

圖3 孤島效應等效電路

圖4 相量關系圖

3 并網流程簡介

隨著分布式能源的發展，越來越多的微電網都將加入大電網。為了規范微網并網流程，實現高效、安全穩定的并網，筆者對現有的并網方案展開研究，提出了如圖5所示的并網流程圖。利用該流程圖進行電網并網，可以大大提高系統的安全性與系統并網效率。

圖5 并網流程圖

如圖5所示，首先由光伏電網的發電側向大電網提出并網請求，大電網審核通過后開始系統的并網自檢。而后檢測發電側的發電設備是否正常運行，如果運行故障則進行系統檢修，檢修結束后再發起發電系統自檢；發電系統正常工作時，對逆變系統進行自檢。逆變系統只有在正常工作時才閉合斷路器，進行并網。當并網后，系統的孤島檢測系統開始運行，一旦出現孤島效應，系統馬上斷開連接。在并網運行中還有其他的諸如電能質量等檢測系統，本流程圖未一一列舉。

4 結語

隨著分布式發電產業的發展，越來越多的分布式微電網需要并入大電網之中。一個高效的并網檢測系統是系統安全、穩定運行的保障。本文以光伏微網為例，對分布式電網的并網系統展開研究，著重分析了并網過程中常見的孤島效應問題。筆者對基于PMU的孤島檢測技術進行了深入的研究。最后，通過比較現有的并網流程，提出了優化的實時監測的請求反饋型并網流程，提高了并網效率。

[1]郭巍.并網型太陽能光伏發電系統設計與電網影響研究[D].天津：天津大學,2010.

[2]雷珽.分布式電源的并網策略與協調控制[D].上海：上海交通大學,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，主要研究方向為電氣自動化。