孤岛与并网双模式光伏发电系统的设计

陈曦

摘 要：本文主要研究孤岛与并网双模式运行，其中孤岛检测与保护是本文章研究重点。孤岛检测选用过、欠电压检测的电压相位突变检测方法，这种检测方法克服了采用单独的电压相位突变检测方法在阻性负载下失效的问题，能够实现快速有效的孤岛检测功能，且采用了一种预防因电网的波动与大负载的突然加人或断开导致电网不稳定引起的虚假孤岛保护方法。本文建立了孤岛保护的仿真模型，通过数据解析、模型创建和仿真，验证了该设计孤岛保护模型的可靠性和有效性。

关键词：光伏发电；并网；孤岛检测；孤岛保护

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-2163（2015）05-

Design of Island and Grid-connected Mode Operation of Photovoltaic Power Generation System

CHEN Xi

（School of Physics and Electrical Engineering， Zhoukou Normal University， Zhoukou Henan 466000， China）

Abstract：In this paper， the main research object of this paper is to study the isolated island and grid-connected mode， and the island detection and protection is the key point in this article. This paper chooses the over-under voltage detection and voltage phase mutation detection method， which overcomes the problem that the mutation detection method is failure when the load is pure resistive. This method is fast and valid. A false-island protection method has been adopted to prevent the power grids instability because of the grid fluctuation and large loads sudden turn in or off. In this paper， a simulation model is established， through data analysis， model creation and simulate， the reliability and validity of the design has been validated.

Keywords： Solar Photovoltaic Power Generation； Detection； Island Model； Island Protection

0 引 言

随着全球经济的飞速发展、能源的大量消耗，能源危机已经日益加深，太阳能作为优质的绿色能源得到了越来越广泛的关注和应用。本文设计了一种混合型光伏发电系统，可以做独立发电源使用，也可以多余电量并入电网，具有孤岛监测保护功能，安全性高，实用性强。

1 系统总体设计

本文将独立光伏发电系统和并网光伏发电系统相结合，采用混合供电模式。当系统处于并网发电运行时，除了给负载供电外还会将多余的电量送到电网。当太阳辐射不强，所提供的电能不够负载使用时，电网会向负载继续供电，电网也能给蓄电池充电，让蓄电池一直处于浮充状态，可以使蓄电池的寿命得到延长。

当电网检修或遇到故障时，光伏系统就会断开大电网，产生孤岛模式，由蓄电池继续为负载提供电能。当电网恢复稳定，电压和频率都基本稳定，电网可以正常工作时，光伏发电系统就会与蓄电池断开，变成并网光伏发电模式。

2 并网控制策略

2.1 并网控制系统设计

光伏发电系统并网运行时采用电压源输入，电流源输出的控制方式[1]。锁相环部分采用三相软件锁相环方式。并网控制结构框图如图1所示。

图1 光伏并网系统框图

Fig.1 PV grid-connected system chart

2.2 仿真验证与分析

在MATLAB 软件的Simulink中进行仿真[2]。设置参数如下：直流母线电压为400V，电容为13 400uF，10mH为输出的电抗，其中变压器选用为星型结构，变压比为380/95，设电网电压380V，频率50Hz。

并网逆变器在系统正常工作时设311V为电网相电压最大值，70A为额定电流有效值。仿真图如图2所示。

图2 并网输出电流和电网电压波形图

Fig.2 Grid-connected output current and power grid voltage oscillograph

分析仿真结果，从图2中可以看出逆变器输出交流侧的电流与电网电压同频同相，实现了并网的要求，为接下来的孤岛检测奠定了基础。

3 孤岛运行模式控制策略

3.1 孤岛运行系统设计

孤岛模式运行时，主要由光伏电池组件，控制器，蓄电池，和逆变器几部分组成，如图3所示。

图3 独立光伏发电系统框图

Fig.3 Independent PV system chart

3.2 孤岛监测与保护

当大电网遇到故障或需要停电维修而使并网与大电网断开时，光伏并网发电系统和所供给的负载形成一个回路，构成一个自给自足的独立发电系统，也就是形成孤岛[3-4]。孤岛检测与保护是光伏发电研究中的重要课题之一。

孤岛效应产生后，将变成孤岛运行模式，公共耦合点（a点）的电压幅值和相位都会发生突变。所以，可以用相位突变检测法或电压幅值检测这两种方法检测孤岛。相位突变检测法简单，容易实现，但是当阻抗角无限趋近于零时，相位突变检测法不能检测到孤岛现象的发生。而电压检测方法则通过检测a点电压幅值的改变来判断是否产生孤岛现象，所以本文采用相位突变检测与电压幅值检测相结合的方法。

另外，当电网出现波动或负载的突然加入和断开时，电网电压会出现极大的不稳定，可能会引起孤岛检测和孤岛保护的错误动作产生， 即产生虚假孤岛保护现象。设 为额定电网电压幅值，当 <50%或 >137%时，会出现真正的孤岛现象，这时应该切换到孤岛保护。如果当50%< <88%时，会有两种情况产生，一是出现真实的孤岛现象，二是由于电网波动或负载的加入而导致产生的虚假的孤岛效应。这时，应该执行指令 =0.35 去减少光伏发电系统的电流，再继续观察 有没有大的改变或超出规定的阈值，而不是立即产生孤岛保护系统动作。

创建孤岛保护的模型如图4所示。在这个模型中，电压源由电网提供，电流源由光伏发电系统输出的电流提供。如果要模拟发生孤岛，只需将开关S拨到左侧，此时，孤岛现象就会产生，负载就会有光伏系统单独为其提供电能。

图4 孤岛保护模型

Fig.4 Island protection model

系统使用RLC并联的负载，阻抗传递函数为：

（1）

频率检测是将正向过了零点的电压线进行计算，每过一次检测一次，其中检测的周期则为两个正向过零点的电压线之间的相差的时间，然后将检测的周期送到相位突变检测模块。

相位突变检测模块中，通过计算周期得到相位差，然后与规定的值t进行比较。当相位差大于允许的范围，此时光伏发电系统单独为负载供电，孤岛现象产生，停止光伏系统进行的工作，进行孤岛保护。

电压检测模块中，通过检测负载电压峰值去判断是否满足所设定的阈值，当Ua/Um <50%或Ua/Um >137%则表明光伏发电系统单独为负载供电，孤岛现象产生，然后通过该模块去控制信号并停止光伏系统的工作，进行孤岛保护。假如不在上述范围内，再通过比较看是否在88%光伏并网发电系统模块中，电流源由光伏系统提供，并且与电网电压同频同相。此输出电流为：

（2）

式（2）中，电流幅值为Im，电流的角频率由φ表示，过零点时间由t0表示，仿真时刻由t表示。

以下为电流 的传递函数图。图5中，G（S）代表为谐振控制器，传递函数为：

图5 传递函数图

Fig.5 Transfer function graph

3.3 仿真结果

本文选用过、欠电压相位突变检测法，并创建了孤岛检测和孤岛保护模型，同时在此检测方法中还添加了并网保护现象去预防出现虚假的孤岛保护，增加了孤岛保护的准确性。

设置R=50?，L=20mH，C=480μF，构成负载的参数，50Hz为负载频率， Q=2.5为品质因数。令电网在0.09s断开连接，此时负载由系统独立提供电量，孤岛效应产生。从以上的仿真可知，单独的检测法在为纯阻性负载时有检测不到的地方，可是，此时因为提供给负载的电流不断缩小，所以a点电压最大值曲线也在一直下降。当电压在0.23s正向过了零点线坐标处，a点电压的最大值为272V，不在允许的范围，判断真实的孤岛现象发生没有，并产生误工作，因此光伏系统提供的电流因输出的控制信号被下调至0.35Im，之后再次观察a点电压峰值曲线的走向。电压在0.3s再次正向过零点处，观察到a点电压最大值为130V，若大于额定的阈值，则表明真正的孤岛现象已经发生，a点电压降到了零点，开启了孤岛保护模式，实现了快速有效的孤岛保护。从图6中可知断开电网时间为0.209s，大概经历了10个周期，低于国家规定的标准。因为RLC并联负载，所以，当光伏发电系统停止工作时，负载会产生衰减现象，其电压会慢慢降低至0，实现了有效的孤岛保护。

图6 孤岛保护仿真图

Fig.6 Island protection simulation figure

4 结束语

本文主要研究孤岛、并网双模式运行，其中孤岛检测与保护是本文的主要研究对象。孤岛检测选用过、欠电压检测的电压相位突变检测方法，这种检测方法克服了选用单独的电压相位突变检测方法在阻性负载下失效的问题，能够实现快速有效的孤岛检测功能。该系统可以应用于普通居民楼，且高度适用于医院、学校等需保障用电的场所，即使大电网不能供电也可以通过独立光伏发电系统实现这些地点的正常用电。

参考文献：

[1]叶益青.并网/独立双模式双降压式半桥逆变器的研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2005.

[2]杨立永，毛鹏.光伏发电系统优化：建模、仿真和控制[M]. 北京： 机械工业出版社，2014.

[3]张东，吴俊娟，潘蕾.光伏并网逆变器孤岛检测技术研究[J]. 中国测试技术，2007，33（4）：67-70.

[4]郭小强，赵清林.邬伟扬.光伏并网发电系统孤岛检测技术[J]. 电工技术学报，2007，22（4）：157-162.