基于群控扰动的微型并网逆变器防孤岛方法

云南拓日科技有限公司 ■ 普平贵 黄超 傅洪波

0 引言

随着光伏并网发电技术的广泛应用，光伏并网逆变器的防孤岛技术受到了越来越多的关注。传统光伏电站直接接入电网的逆变器设备容量较大、数量较少，随着分布式光伏发电的广泛应用，单个并网系统内小功率的并网逆变器大规模应用的案例将越来越普遍。在电网末端电能质量较差的地方，大规模安装分布式光伏发电系统，对光伏并网逆变器的防孤岛技术有了更为严格的要求。

光伏并网逆变器的孤岛效应检测方式一般分为主动式和被动式。被动式是监测电网的实时电压、频率、相位、谐波等指标的变化，以此来判断电网的故障情况，适时启动防孤岛保护。但当光伏系统输出功率与局部负荷功率平衡时，被动式检测方法将失去孤岛效应检测能力，存在较大的非检测区域，即盲区。主动式孤岛检测方法是指通过控制逆变器，在一定条件下，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常工作时，由于电网的平衡作用，检测不到这些扰动；一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，从而触发孤岛效应检测电路。该方法检测精度高，非检测区域小，但是控制较复杂，且会降低区域内电网母线的电能质量[1]。而在使用微型并网逆变器的系统内，由于单台逆变器的功率非常小，其在系统内独自扰动产生的力度非常微薄，主动式防孤岛检测方式应用于微型并网逆变器系统内将带来巨大盲区。

传统并网光伏电站中，大型地面电站主要使用MW级并网逆变器，电站直接并网接入35 kV及以上电压等级主电网系统中，电站内部和周围基本无负荷，电网和周围运行中的负荷干扰很小，采用目前成熟的主动式和被动式防孤岛技术中的某种或几种方式结合即可满足光伏电站的使用要求，该方法也是目前国内外逆变器厂家普遍使用的方法，技术也较为成熟。建筑屋顶安装的分布式光伏发电系统多采用大中型并网逆变器，容量较小的光伏系统基本使用组串式并网逆变器，这几种光伏发电系统在同一电网区域内光伏装机容量相对电网容量占比较小，目前成熟的防孤岛技术可保证光伏系统安全有效运行。

随着人们对提升效率途径的不断探索，微型并网逆变器作为光伏发电系统的一个应用分支，因解决了方阵内光伏组件组合带来的发电效率损失问题，其市场份额在不断扩大。对于小容量光伏系统，在同一电网区域内解决防孤岛效应容易；但若在大容量光伏系统中使用微型并网逆变器，由于逆变器数量较多，仅采用被动式防孤岛技术存在安全隐患；若采用传统主动式防孤岛技术，当电网电能质量较差而又持续运行时，大量的逆变器不同步地扰动信号必然加重电网电能质量的进一步恶化，甚至影响当地负荷的正常用电。基于以上因素，提出了群控扰动策略的防孤岛技术。

群控技术在并网逆变器方面已有应用案例。国外部分逆变器厂家甚至提出构想，采用群控技术管理一个光伏并网发电站内各台并网逆变器之间的直流侧功率输入，使整个电站低负荷时间段内，通过群控技术分配各台逆变器之间的直流侧功率输入，让直流功率尽量集中在部分逆变器上，其他无直流功率分配的逆变器则处于待机状态，这样不仅提高了电站的发电效率，也延长了逆变器设备的使用寿命。但通过群控技术解决光伏并网系统的防孤岛问题，目前国内外尚无案例，也未见相关公开技术。

1 群控策略的实现方式

本方法所要解决的就是在同一负荷区域内，通过大量微型并网逆变器并网的分布式光伏发电系统的防孤岛方法。

本方法是基于群控扰动的微型并网逆变器防孤岛方法，其特征在于该方法基于传统微型并网逆变器的硬件构件，数百块以上光伏组件并联于并网光伏发电系统的母线上，每块光伏组件均配置一个微型并网逆变器，每个微型并网逆变器均具有电力载波通信技术功能。该防孤岛方法采用群控同步技术通过以下步骤实现：

1)检测：每台微型并网逆变器对电网进行被动式防孤岛检测，实时检测电网的电能质量。

2) 扰动：上述步骤1)中，当检测到母线上任一点出现异常导致电压或频率或谐波幅值超过固定数值时，该点的微型并网逆变器通过电力载波通信技术，向通信区域内的其他微型并网逆变器发出降低有功功率输出的信号，收到此信号的所有微型并网逆变器立即降低有功功率输出，使整个光伏系统同步降低整体有功功率输出，达到主动扰动的目的。

3) 监测：实时监测母线的电能质量，持续一段时间，将结果反馈至微型并网逆变器孤岛监测单元。

4) 启动：上述步骤3)中，当被监测母线的电压、频率超出逆变器孤岛保护的控制范围，则启动防孤岛保护。

5) 上述步骤1)和3)中，当被检测、监测的母线电能质量符合运行要求，并网光伏发电系统则正常运行。

该方法的原理在于：电网的电压、频率等指标的动态稳定是基于电源功率和负荷功率的动态平衡，只有电源功率和负荷功率动态在线基本一致时，其各项指标才能保证稳定。当电源功率和负荷功率出现失衡时，电网电压、频率等指标必然出现波动[2]。通过群控技术，统一区域内微型并网逆变器的扰动步径，才能真实、快速、准确地判断电网的异常状况。

本方法的实现是基于传统技术微型并网逆变器的硬件构件，以原微型并网逆变器上具有的防孤岛技术，通过电力载波通信技术，在软件程序控制过程中，让同一通信区域内的微型并网逆变器能实现相互发送和接收信号的通信互动，以保证统一扰动步径，实现扰动效果，达到单台微型并网逆变器单独扰动时对电网母线电能质量影响甚微的目的。当监测到并网电网内部电压、频率等指标出现异常时，采用主动群控干扰技术，通过扰动进一步加重电网异常，最终判断电网的运行状况。在本方法中采用的电力载波通信技术，不仅适用于光伏发电系统的远程PC监控，还能用于主动防孤岛智能化群控技术。该方法具体实现程序流程图见图1。

图1 群控策略控制流程图

本方法主要具有以下优点：

1) 基于微型并网逆变器的大中型光伏并网发电系统中，采用量变引起质变的方式解决了由于微型并网逆变器单台容量过小、独自扰动在电网系统中力量过小带来的扰动失效问题；

2) 采用以被动式防孤岛监测为主、主动扰动为辅的方式，大幅降低了大规模并网逆变器频繁主动扰动对电网电能质量带来负面影响的问题；

3) 本方法采用的被动式和主动式防孤岛监测基于微型并网逆变器原有设备，无需增加硬件。

2 结语

群控技术在各领域应用广泛，在发展时间不长的光伏并网技术方面也逐渐应用于各方面，应用环境日趋复杂的分布式光伏发电系统内，在防孤岛技术上引入群控技术，是十分有必要的。分布式光伏发电在我国刚刚开始大规模应用，并且国内安装分布式光伏发电系统的容量均较大，由于微型并网逆变器在提升系统的总效率、增加发电量方面具有更大优势，加之其安装便捷、占用较小空间、灵活性高，其将在分布式系统中逐步占有重要地位。对于安装较为分散、电气线路较为复杂，但又是集中并网于一个并网点或同一个区域的分布式系统，在防孤岛检测方面存在很大的复杂性。同时，国内电网智能管理尚处于初级阶段，电网末端电能质量也较差，需要在原有防孤岛检测技术的基础上，不断探索新的防孤岛检测方法，确保系统的整体安全。

[1] 包金英， 张章， 郭文明. 光伏并网逆变器防孤岛保护研究[J].电源技术应用 ， 2012， (7)： 6 － 8.

[2] NB/T 32004-2013，光伏发电并网逆变器技术规范[S].