光伏并网系统反孤岛策略研究

王笃亭,李一丹

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院,哈尔滨 150022)

光伏并网系统反孤岛策略研究

王笃亭,李一丹

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院,哈尔滨 150022)

提出了不依赖光伏并网结构的基于以太网通信的反孤岛策略,分析了局部反孤岛策略的优缺点。采用低端单片机控制以太网网卡进行数据传输,实现与以太网进行通信。分析表明,这种反孤岛策略能够有效克服局部反孤岛策略存在的非检测区和影响电能质量的缺点,且检测迅速可靠。

光伏并网;孤岛效应;反孤岛策略;以太网通信

近年来,光伏发电产业及市场发生了很大的变化,开始由边远地区的离网发电逐步向城市的并网发电转变[1]。由于光伏并网发电系统直接将光伏阵列发出的电能逆变后馈送到电网,对于通常系统工作时出现的功率器件过电流、过热、电网过/欠电压等故障状态,比较容易与软件配合进行检测、识别和处理。但是对于光伏并网发电系统而言,还有一种特殊的故障状态需要检测和处理,这就是所谓的孤岛效应。孤岛效应是当光伏并网发电系统与大电网的电力同时向某区域供电时,大电网由于某种原因停电,光伏并网系统没有及时检测到这种状态而与电网断开,独立向其周围负载供电,这样就会形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛[2]。本文提出了基于以太网通信的反孤岛策略。

1 孤岛效应的检测

1.1 孤岛效应检测的必要性

光伏并网发电系统和公共电网的并联结构如图1所示,PCC(point of common coupling)为公共连接点。当断路器闭合时,由电网和光伏并网发电系统一起向负载供电;当断路器断开时,公共电网断电,光伏并网发电系统将继续向负载供电,这样就形成了孤岛效应。

图1 光伏并网发电系统孤岛效应示意图

Fig.1 Schematic diagram of islanding effect of photovoltaic grid connected power system

孤岛效应会对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响[3]:

1) 孤岛效应能使一些被认为已经与所有电源断开的线路带电,这会危害电力维修人员的生命安全。

2) 没有大电网的支持,孤岛供电的光伏发电系统没有调频调压能力,会给用电负载设备正常运行带来威胁。

3) 当电网供电恢复时,孤岛系统被重新接入电网,重合闸时系统中的分布式发电装置与电网不同步,非同期并网将会产生浪涌电流,会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来不良影响。

4) 孤岛效应能导致故障不能清除,如接地故障或相间短路故障,从而会给电力设备造成损害,并且干扰电网正常供电系统的自动或手动恢复。

孤岛效应是一种脱离了电力管理部门监控而独立运行的状态,是不可控的高隐患状态,因此,光伏并网发电装置必须具备反孤岛保护的功能,即具有检测孤岛效应和及时与电网分断的能力。

1.2 孤岛效应检测的标准

根据专用标准IEEE Std 929-2000和UL174规定,所有并网逆变器都必须具有反孤岛效应的功能,同时这个标准给出了并网逆变器在电网断电后检测孤岛现象并将逆变器与电网断开的时间限制[4],如表1所示。

表1 IEEE Std.929-2000允许的孤岛效应检测时间

Tab.1 IEEE Std.929-2000 allows islanding detection time

状态电压频率最大持续时间AU<0.5Unfn6周期B0.5Un≤U<0.88Unfn2sC0.88Un≤U<1.1Unfn正常运行D1.10Un≤U<1.37Unfn2sE1.37Un≤Ufn2sFUnf

注:Un和fn为电网额定电压和额定频率,U和f为电网断电后的电压和频率

当发生孤岛现象时,由不同的负载和分布式发电装置组成孤岛系统,其运行情况可能有很大的不同,因此,反孤岛方案必须能够及时检测出所有可能发生的不同形式和不同状态的孤岛效应,并立即断开发电装置与电网的连接。

1.3 撤除孤岛的方式

由于光伏并网系统是孤岛潜在的供电电源,只要撤出这个电源就可以避免孤岛的存在。从电网和发电系统的结构考虑,可以从以下两种方式来撤除孤岛:一是通过关闭BOOST电路停止向逆变器提供有功功率,因为光伏电池是整个孤岛的唯一电源,所以逆变器直流侧电压无法维持,最终停止向电网和负载供电;二是封锁逆变器开关信号,等待电网系统恢复正常。

2 局部反孤岛策略的优缺点

常用的反孤岛策略可以分为局部反孤岛策略和基于通信的反孤岛策略[5]。基于逆变器的局部反孤岛策略主要分为两类:一类是被动式反孤岛策略,如不正常的电压和频率,相位检测和谐波检测等,这类方法只能在电源与负载不匹配程度较大时才有效;另一类是通过在控制信号中人为注入扰动成分,从而使相位或频率偏移主动式反孤岛策略,这种方法虽然使系统的反孤岛能力得到了加强,但是仍然存在不可检测区(NDZ),即当电压幅值和频率变化范围小于某一值时,系统无法检测到孤岛的存在,另外,由于系统中注入了扰动,因此增加了系统的谐波,降低了供电电能质量[6]。各种局部反孤岛检测方法优缺点比较如表2所示。

3 基于通信的反孤岛策略

基于通信的反孤岛策略也叫开关状态监测方法,即在电网侧的各个监测点监测到电网断电信号后,通过通信技术,把断电信号传送到光伏并网逆变器的控制器,控制器使光伏并网系统与电网断开。这种反孤岛策略适用于各种光伏并网系统,与并网光伏系统的控制方式没有关系。要实现这种基于通信的反孤岛方案,首先要建设通信网络,即断电信号要有通信网络才能传送;其次通信速度要达到要求,即必须在规定的时间内检测到孤岛效应,这主要是为了防止并网发电系统不同步的重合闸。空气开关通常在0.5～1 s延时后重新合闸,反孤岛方案必须在重合闸发生之前使并网发电装置停止向孤岛供电。

3.1 基于以太网通信的反孤岛策略可行性分析

基于以太网通信的反孤岛策略是把电网侧的断电信号通过以太网通信通知给光伏并网侧的控制器,控制器在接收到断电信号后,使相关断路器跳闸,与电网脱离。

这种方案能够实施的必要条件是在电网侧和光伏侧都有可接入的以太网。2013年8月,中国发布了“宽带中国”战略及实施方案,该方案指出:到2015年,城市光纤网络建设要基本到达居民楼房,农村宽带网络建设要基本覆盖村乡,城市和农村家庭宽带速度基本达到20 Mbps和4 Mbps,部分发达城市甚至要达到100 Mbps。宽带建设高速发展,全国各地宽带网络覆盖范围逐年扩大,传输和接入能力不断增强,宽带通信技术的发展和普及为实现这个方案提供了有利条件。如果在电网侧和光伏侧都有可接入宽带网络,不但成本低,而且可靠性高,通信速度快,实时性好。

表2 各种被动检测方法优缺点比较

3.2 系统的硬件接口设计

电网断电信号的检测,对于现在技术发展来说很容易实现。另一个问题是断电信号和以太网的接口如何实现。实现Internet接入的方案很多,目前有个人计算机网关加专用网的方案、EmWare公司提出的嵌入式系统入网方案(EMIT技术)、集成了网络控制器的微处理器方案、低端单片机加网卡芯片相结合的方案等[7-8]。这些方案中以“低端单片机加网卡芯片”的方案最为经济、简单,这种方案的基本原理是用单片机加载TCP/IP协议,控制以太网网卡进行数据传输,实现与以太网通信,该方案系统结构框如图2所示。

图2 单片机与以太网接口结构图

Fig.2 MCU and Ethernet interface structure diagram

系统的硬件电路图包括单片机、串口单元、存储单元和网卡芯片单元。硬件系统的整体框图如图3所示。在硬件系统中单片机负责系统和网卡芯片RTL8019AS的初始化、检测网络连接情况和监测网络信号,控制网卡芯片RTL8019AS实现TCP/IP网络通信协议和接收、发送数据等,还负责将接收到的数据帧进行处理分类,把要发送的数据帧进行分类打包。

图3 硬件系统整体框图

3.3 系统的软件设计

以太网芯片RTL8019AS采用IEEE802.3协议对数据包进行收发,在发送数据时,单片机先按协议要求封装数据包,然后写入RTL8019AS的缓冲区,再启动发送数据的命令,这时RTL8019AS会自动将缓存区的数据发送到RJ45端口。网络控制芯片的寄存器在以太网芯片初始化时设置,由以太网芯片来完成数据的发送、校验及总线数据包的碰撞检测与避免。单片机设置要发送数据的各种地址、数据包类型。在接收数据时,RTL8019AS自动将接收到的以太网数据包存放在接收缓冲区,同时发出中断信号给单片机,单片机收到中断信号后,在中断程序里通过DMA方式把RTL8019AS的RAM空间数据读回单片机中进行处理和分析。主程序的流程如图4所示。

图4 单片机主程序流程图

4 结 语

基于以太网通信反孤岛策略,只要能够保证通信可靠,就能在发生孤岛效应时及时检测出各个断路器的开关状态,迅速将开关状态通知给光伏并网侧逆变器的控制器,从而避免了不可检测区域(NDZ)。基于互联网通信的反孤岛策略,不会向电网注入谐波,也不会对电能质量产生影响。由于基于以太网通信的反孤岛策略只需传递各个断路器的开关状态,需要传输的数据量很小,现代网络带宽速度已经达到100 Mbps,所以这种方案还具有检测速度快的优点。这种方案适合于各种并网结构的光伏并网系统,不受并网控制方式限制,成本低,而且可靠性高,通信速度快,实时性好。

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(责任编辑 郭金光)

Research on anti-islanding strategy of grid-connected photovoltaic system

WANG Duting, LI Yidan

(College of Electric and Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China)

This paper puts forward the anti island strategy based on communication, analyzes the advantages and disadvantages of local anti-islanding strategy. Low end single chip microcomputer is applied to transmit data by controlling Ethernet card so as to realize Ethernet communication. The analysis shows that the proposed anti-islanding strategy is able to effectively overcome the non-detection zone and the shortcomings of local anti islanding strategies affecting power quality with fast and reliable detection.

grid-connected photovoltaic system; islanding effect; anti-islanding strategy; Ethernet communication

2015-02-05。

黑龙江省自然科学基金(E201214)。

王笃亭(1975—),男,讲师,研究方向:电力电子技术在新能源领域应用。

TM615

A

2095-6843(2015)04-0291-04