基于太阳能发电系统的分布式电网并网研究

窦伟山，刘永娟

(沧州职业技术学院，河北沧州061000)

基于太阳能发电系统的分布式电网并网研究

窦伟山，刘永娟

(沧州职业技术学院，河北沧州061000)

实现分布式发电系统的有效并网是分布式电网主要的一个发展方向。以太阳能发电系统为例对分布式电网的并网系统展开研究。着重分析了在光伏并网过程中出现的孤岛效应，同时在远程智能孤岛检测设计中提出了基于电力系统同步相量检测单元(PMU)的孤岛效应检测方案。最后给出了光伏并网流程，提高分布式电网并网的安全性与稳定性。

光伏发电;并网系统;孤岛检测

“阳光计划”的推广使得世界各国的太阳能发电产业得到了飞速的发展。太阳能是所有可再生能源中最为实用和最为灵活的技术，是真正具有零污染、零排放等特点的技术。据统计，我国每年的太阳能辐射总量达到2 333 kWh/m2，2009年我国太阳电池产量达到4.3 GW，占到了全球生产总量的40%[1]。根据国家规划，到2020年，我国的光伏发电装机容量将达到2 000万千瓦，逐渐代替化石能源。光伏并网是将太阳电池板转化得到的电能并入大电网之中。光伏并网一方面缓解了电网压力，使我们获得了更多的能源；但是另一方面，由于这种分布式能源的接入使得大电网变得更加复杂，因此要设计高效的并网监测机制。

孤岛效应是大电网由于检修或者出现意外故障等原因停止工作时，接入大电网的各个分布式光伏发电系统没有及时地进行检测从而不能够与大电网进行分离，造成由光伏发电系统独立的向周边负载供电的现象。孤岛效应是光伏并网过程中最常见的故障之一，并且孤岛效应不仅仅会危害光伏发电系统和大电网，还会对电站工作人员造成潜在的人身危害。因此对孤岛效应的检测在光伏并网系统中占有重要的地位。

1 光伏并网系统整体设计

1.1 系统结构设计

光伏并网系统主要包括光伏发电阵列、光伏逆变转换系统和控制系统三大部分组成，设计结构如图1所示。光伏逆变系统将直流电逆变成正弦交流电并入大电网中，控制系统则是主要实现对光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)，并且控制管理逆变波形和功率。

图1 并网系统结构

如图1所示，本系统为一个典型的光网并网系统，其结构主要包括实现能源转换的光伏阵列、实现交流-直流变换的DC/AC逆变器以及直流变换器和其他保护监测装置。通过直流变换器，可以在变换器与逆变器之间建立直流环使光伏阵列的电压达到合适的水平。除了这些以外，系统还配备了蓄电池，主要用于缓解光伏发电量的巨大波动，同时保证并网效率与大电网的稳定运行。

1.2 光伏逆变系统选择

光伏发电系统是将太阳能转换为电能的装置，但是转换得到的电能为直流电，因此需要经过逆变之后才能并入大电网之中。常见的逆变器主要有单级式无变压器结构、带工频变压器的光伏逆变器和多级逆变结构。单级式无变压器结构不够灵活，难以扩展；带工频变压器的光伏逆变器体积较大，不适合光伏发电系统；多级逆变结构则效率高，损耗低，但是成本相对较高。通过比较分析，本系统决定采用两级式光伏逆变系统[2]。

该系统前级为Boost电路，主要方法是通过控制占空比实现对输出电压的调节，实现最大功率点跟踪(MPPT)。后级则是通过跟踪指令电流实现对直流电压的控制。这样的两级控制结构可以实现灵活的扩展，并且独立地进行MPPT控制，相互之间没有影响。

2 远程孤岛检测技术

2.1 孤岛检测技术的分类

孤岛效应的危害上文已经提及，实现对孤岛效应的有效监测成为光伏并网系统的主要研究内容之一。孤岛检测方法主要可以分为本地监测和远程监测，其中本地监测可以分为被动检测和主动监测。被动检测是针对电压、电流等电力特征的检测来判断是否出现孤岛效应，主动监测则是通过检测电压扰动、功率扰动等实现孤岛效应的检测。但是本地监测存在检测盲区，难以实现有效的检测。虽然远程检测经济成本相对较高，但是不存在检测盲区，效率要高很多。

2.2 基于PMU的孤岛检测

电力系统同步相量检测单元(PMU)是一个被广泛应用于孤岛检测的方法，具有高检测质量和低反应时延的特点。在本系统中，其工作框架如图2所示。通过其中央处理器实现从发电侧和电网侧的继电器中得到各自的电压相量信息，通过对该信息的处理从而判断该光伏发电系统是否处于孤岛状态。

图2 PMU技术的原理图

该方法的一个关键是设置检测阈值，通过对电网侧和发电侧的电压相位角进行比较，当两侧的相位角小于阈值时则认为系统正常运行，并未发生孤岛效应。但是当检测到两侧的相位角大于阈值之后，便认为出现了孤岛效应，应立即断开与电网连接。发生孤岛效应时的等效电路图如图3所示，即通过断路器断开表明孤岛效应出现。

如图3所示，可以得到以下两个式子：

由式(1)和(2)可以得到当发生孤岛效应时系统的电压与电流的相量关系如图4所示。

当系统正常工作时，相位角θ1和θ2为重合，但是当出现孤岛效应时，光伏发电系统的内部功率失衡，导致系统的电压与电流出现不规则的波动，从而使得发电侧和电网侧出现相位差，并且随着发电侧波动幅度的加大，该相位差也会越来越大。

图3 孤岛效应等效电路

图4 相量关系图

3 并网流程简介

随着分布式能源的发展，越来越多的微电网都将加入大电网。为了规范微网并网流程，实现高效、安全稳定的并网，笔者对现有的并网方案展开研究，提出了如图5所示的并网流程图。利用该流程图进行电网并网，可以大大提高系统的安全性与系统并网效率。

图5 并网流程图

如图5所示，首先由光伏电网的发电侧向大电网提出并网请求，大电网审核通过后开始系统的并网自检。而后检测发电侧的发电设备是否正常运行，如果运行故障则进行系统检修，检修结束后再发起发电系统自检；发电系统正常工作时，对逆变系统进行自检。逆变系统只有在正常工作时才闭合断路器，进行并网。当并网后，系统的孤岛检测系统开始运行，一旦出现孤岛效应，系统马上断开连接。在并网运行中还有其他的诸如电能质量等检测系统，本流程图未一一列举。

4 结语

随着分布式发电产业的发展，越来越多的分布式微电网需要并入大电网之中。一个高效的并网检测系统是系统安全、稳定运行的保障。本文以光伏微网为例，对分布式电网的并网系统展开研究，着重分析了并网过程中常见的孤岛效应问题。笔者对基于PMU的孤岛检测技术进行了深入的研究。最后，通过比较现有的并网流程，提出了优化的实时监测的请求反馈型并网流程，提高了并网效率。

[1]郭巍.并网型太阳能光伏发电系统设计与电网影响研究[D].天津：天津大学,2010.

[2]雷珽.分布式电源的并网策略与协调控制[D].上海：上海交通大学,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

窦伟山(1978—)，男，河北省人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为电气自动化。