基于分布式光伏发电接入配电网的低压反孤岛装置设计

基于分布式光伏发电接入配电网的低压反孤岛装置设计

0防孤岛保护电路设计随着大规模分布于电网的分布式光束能源，对电网的能源准备、系统短路电流的系统、电气自动化系统的功能应用、能耗和现场运行安全的影响将变得明显。1-4。由于分布式光伏发电大多属于用户侧并网,出力与负荷就近平衡,存在孤岛效应问题。针对孤岛效应问题,国内外先后制定的并网技术标准,如CGC004—2011,GB19939—2005,UL1741和IEEEStd.1547等,均规定并网发电装置必须具备防孤岛保护功能,并设计出具体的防孤岛保护测试电路和测试方法。对各类防孤岛保护策略进行比较和分析,逆变器的防孤岛保护策略有主动式和被动式两类［5-8］,可统称为内部检测法。通过电力载波通信、断路器跳闸信号等方法实现的防孤岛保护称为外部检测法［9］。在应用电力载波通信技术的防孤岛保护策略中,通过判断电网与逆变器之间的载波信号异常,实现防孤岛保护,但此种方法实现起来较复杂,还没有工程应用［10-11］。在使用传输断路器跳闸信号的孤岛检测方法中,通过检测所有能够使光伏系统并网点断路器跳闸的其他断路器状态,判定电网故障,实现防孤岛保护功能,此种方法需要检测多点信息,要求配电网的自动化水平极高,目前也无工程应用［12］。综上分析,应用较多、技术较成熟的分布式光伏发电系统的防孤岛保护策略是内部检测法,通过与配电网调度相互配合实现防孤岛保护的外部检测法在实际中较少应用。当电力检修人员在维护接有分布式光伏发电系统网侧线路或设备时,一旦分布式光伏发电的防孤岛保护功能失效,将给电力检修人员的现场安全作业等工作带来隐患,亟待开发适用于电力检修人员操作的低压反孤岛装置。1设计低反孤岛装置的原理1.1低压反孤岛装置低压反孤岛装置是专门为电力检修或相关电力操作人员设计的一种用于破坏分布式光伏发电系统的非计划孤岛运行的设备,由操作开关和扰动负载组成,其结构如图1所示。低压反孤岛装置主要在220V/380V电网中使用,一般安装在分布式光伏发电系统送出线路电网侧,如配电变压器低压侧母线、箱式变压器低压母线、低压环网柜、380V配电分支箱等处,在电力人员检修与分布式光伏发电相关的线路或设备时使用。当电网失电且发生孤岛现象时,光伏系统电网侧将会带电。电力检修人员通过检测该点是否带电,来判断是否发生孤岛现象。如果发生孤岛现象,即由现场检修人员手动投入低压反孤岛装置。1.2防孤岛效应保护方案Q/GDW480—2010《分布式电源接入电网技术规定》对孤岛效应的定义为:电网失压时,分布式电源系统仍保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态。当电网因事故或停电检修而失电时,如果分布式光伏发电系统的出力与本地负载相匹配,就可能发生孤岛效应,给系统设备和相关人员带来安全隐患。标准CGC004—2011《并网光伏发电专用逆变器技术条件》要求,逆变器应具有防孤岛效应保护功能。若逆变器并入的电网供电中断,逆变器应在2s内停止向电网供电,其具体要求如表1和表2所示。表中:Vnom为系统标称电压。基于逆变器的防孤岛效应保护方案分为被动式和主动式两种。其中,被动式孤岛检测方法主要有过欠压和过欠频保护、电压相位突变检测、电压谐波检测等方法,这些方法均是通过检测逆变器交流输出端电压或频率的异常来检测孤岛效应。一般情况下,被动的孤岛检测方法在光伏输出和负荷匹配较好时会失效(谐波检测是一个特例),因而,考虑对逆变器某些输出(如频率、相位、电压等)施加偏移,提出主动式的孤岛效应检测方法。主动式防孤岛效应保护方案主要有电流干扰法、输出电能变动法、主动频率偏移法、自动相位偏移法等类型［13-15］,虽然此类方法会影响输出功率因数,给电网注入谐波,影响供电的质量,但是其检测快速性、准确性会相对提高,甚至有些方法在多台逆变器并联运行的系统中也能准确检测,适用于输出电压波形质量要求不高且检测速度要求较快的场合。综合分布式光伏发电的孤岛运行机理与防孤岛保护策略分析,可得如下结论:1分布式光伏发电孤岛运行的条件是输出功率与负载相匹配;2处于孤岛运行中的分布式光伏发电系统,电压与有功负载有关,频率与无功负载和品质因数有关;3分布式光伏发电防孤岛保护本质是通过检测逆变器输出端电压、频率异常实现;4接入220V/380V配电网的分布式光伏发电发生孤岛效应可能性较大,给电力检修人员带来安全隐患。值得注意的是,品质因数一般用Qf表示,表征一个储能器件(如电感线圈、电容等)在谐振电路中所储能量与每周期损耗能量p的比值,在并联谐振电路中(其中QC和QL分别为孤岛模拟负载容性和感性无功功率)。1.3低压反孤岛装置根据1.2节分析的结论,通过改变分布式光伏发电出力与负载之间的功率平衡,扰动其输出的电压与频率,引起过欠压或过欠频保护动作,能够破坏其孤岛运行。结合分布式光伏发电孤岛系统具有电压与负载有功功率有关、频率与无功功率有关的运行特性,低压反孤岛装置可由操作开关和电阻、电感或电容等扰动负载构成。以下是3类低压反孤岛装置的开断机理。1阻性低压反孤岛装置:投入后引起分布式光伏发电系统过欠压保护动作,破坏其孤岛运行;2感性低压反孤岛装置:投入后引起分布式光伏发电系统过欠频保护动作,破坏其孤岛运行;3容性低压反孤岛装置:投入后引起分布式光伏发电系统过欠频保护动作,破坏其孤岛运行。2干扰负荷计算2.1分布式光伏发电担保投入阻性低压反孤岛装置后的分布式光伏发电孤岛系统等效模型如图2所示。图中:PCC为公共耦合点;R为电阻;L为电感;C为电容;Rs为扰动负载;Iinv为光伏逆变器的输出电流;Iload为负载电流;Ploads和Qloads分别为电网正常时负载有功和无功功率;Pgrid和Qgrid分别为电网消纳的光伏发电有功和无功功率。根据图2,当分布式光伏处于孤岛运行时,光伏逆变器的输出功率与负载匹配,RLC负载总阻抗以Z表示,假设此时的电压为U0,则有投入阻性低压反孤岛装置Rs后,假设逆变器输出的电压为U,因Iinv在投入Rs前后瞬间不变,则有联立式(1)至式(3)可得:根据式(4),阻性低压反孤岛装置的电阻值可以通过分布式光伏接入电压、接入容量、跌落后的电压计算得出,此外,投入阻性低压反孤岛装置后,将引起系统电压降落,即可使分布式光伏发电欠压保护。根据表1对逆变器电压保护动作的要求,投入阻性低压反孤岛装置后的跌落电压U至少应满足U<85%Un,其中Un为接入配电网系统的标称电压。阻性低压反孤岛装置的计算模型为:从式(5)可知,当分布式光伏发电出力Pinv与跌落后电压U确定后,即可得到阻性低压反孤岛装置扰动电阻值,此外,U的跌落越深,需要配置的负载越大,电阻值越小。2.2投入感性低压反孤岛装置投入感性低压反孤岛装置后的分布式光伏发电孤岛系统等效模型如图3所示。根据图3,当分布式光伏处于孤岛运行时,光伏逆变器的输出功率与负载匹配,则有式中:Qinv为光伏发电系统输出的无功功率;f0为孤岛运行时光伏发电系统输出的频率。一般逆变器输出功率因数接近1,即Qinv近似为0,则有投入感性低压反孤岛装置Ls后,假设逆变器输出的电压为U,电感的功率为Qloads,因感性扰动负载投入后,对电压影响较小,为简化计算,则有联立式(6)至式(8)可得:根据式(9),感性低压反孤岛装置的电阻值可以通过分布式光伏接入电压、孤岛负载无功容量、投入后的频率计算得出,此外,投入感性低压反孤岛装置后,将引起系统频率增加,即可使分布式光伏发电过频保护。根据表2对逆变器过频保护动作的要求,投入感性低压反孤岛装置后的频率f至少应满足f≥50.5Hz,则感性低压反孤岛装置的计算模型为:从式(10)可知,当分布式光伏发电用电负荷无功功率与投入后频率确定后,即可得到感性低压反孤岛装置扰动电感值,此外,f变得越大,需要配置的电感负载越大,电感值越小。2.3容性低压反孤岛装置投入容性低压反孤岛装置后的分布式光伏发电孤岛系统等效模型如图4所示。根据图4,当分布式光伏处于孤岛运行时,光伏逆变器的输出功率与负载匹配,则有一般逆变器输出功率因数接近1,即Qinv近似为0,则有投入容性低压反孤岛装置Cs后,假设逆变器输出的电压为U,电容的功率为Qloads,因容性扰动负载投入后,对电压影响较小,为简化计算,则有联立式(11)至式(13)可得:根据式(14),容性低压反孤岛装置的电阻值可以通过分布式光伏接入电压、孤岛负载无功容量、投入后的频率计算得出,此外,投入容性低压反孤岛装置后,将引起系统频率降低,即可使分布式光伏发电欠频保护。根据表2对逆变器欠频保护动作的要求,投入容性低压反孤岛装置后的频率f至少应满足f<48Hz,则容性低压反孤岛装置的计算模型为:从式(15)可知,当分布式光伏发电用电负荷无功功率与投入后频率确定后,即可得到容性低压反孤岛装置扰动电容值,此外,f变得越小,需要配置的电容负载越大,电容值越大。2.4扰动负载及操作开关参数根据扰动负载的计算结果及低压反孤岛装置的接入电压等级(220V/380V),得出系列化低压反孤岛装置的技术参数如表3至表5所示。根据表3至表5的计算结果,可以初步得出如下结论。1)随着低压断路器容量和分布式光伏发电容量的增大,需配置的低压反孤岛装置扰动负载容量越大,即电阻越小,电感越小,电容越大。2)按照低压断路器的容量确定低压反孤岛装置的扰动负载及操作开关技术参数,系列过多,不便于工程应用。3)与大容量低压断路器或分布式光伏发电相匹配的低压反孤岛装置,能够覆盖该容量以下的低压反孤岛装置,可根据覆盖特性,结合工程实际,考虑将系列减少。表3至表5中参数的计算依据如下。1)在分布式光伏发电系统处于孤岛运行时,如果系统中还有其他电源运行,可能使得低压反孤岛装置无法破坏孤岛,故扰动负载承受电流按照设备投入前配电网系统的标称电压Vnom、频率f0计算。2)对允许接入分布式光伏的额定容量按照配电变压器或配电分支箱容量满配选取,考虑到选型方便,配电分支箱容量按配电变压器或配电分支箱用低压断路器容量进行计算(为确保分布式光伏的接入不影响配电网稳定性和安全性,若考虑允许接入分布式光伏的额定容量按照配电变压器或配电分支箱容量20%选取,亦可根据表3至表5参考选取)。3)根据标准CGC004—2011《并网光伏发电专用逆变器技术条件》要求,同时考虑到分布式光伏大部分时间工作在非额定容量下,投入阻性低压反孤岛装置后的跌落电压按U=0.8Vnom计算,投入感性低压反孤岛装置后的频率按f=51.5Hz计算,投入容性低压反孤岛装置后的频率按f=48Hz计算。3试验证实3.1试验设备及条件低压反孤岛装置用于破坏分布式光伏发电的孤岛运行,用光伏并网逆变器模拟分布式光伏发电时的孤岛效应,并用对应负载模拟低压反孤岛装置,测试原理如图5所示,试验设备参数见附录A表A1。本验证试验计算条件取:逆变器输出功率Pinv=Pn(Pn为逆变器额定功率),品质因数Qf=1,孤岛模拟负载容性无功功率QC=QL。依据试验计算条件和设备,可以得到逆变器孤岛模拟系统内的电气参数为:Pinv=15kW,QC=QL=PinvQf=15kvar。3.2投入控制板反孤岛装置的运行效果根据标准CGC004—2011要求的低压反孤岛装置的开断机理进行电压跌落及过欠频试验。投入阻性扰动负载的理论值与试验值对比如图6所示。测试数据见附录A表A2。投入感性扰动负载的理论值与试验值对比如图7所示。测试数据见附录A表A3。投入容性扰动负载的理论值与试验值对比如图8所示。试验数据见附录A表A4。由图6至图8可以得出如下结论。1)投入阻性低压反孤岛装置能够改变逆变器孤岛系统的电压,破坏其孤岛运行的条件,并通过使其欠压实现反孤岛的功能,其动作时间在200~300ms之间,满足逆变器电压异常响应要求。投入感性、容性低压反孤岛装置能够改变逆变器孤岛系统的频率,破坏其孤岛运行的条件,并通过使其过、欠频实现反孤岛的功能,动作时间满足逆变器频率异常响应要求。2)投入阻性低压反孤岛装置后,跌落后的电压与理论设定的跌落电压误差在1.6%左右,投入感性、容性低压反孤岛装置后过、欠频值误差在0.2%~0.42%之间,证明了计算模型的正确性和可靠性。3)投入阻性低压反孤岛装置的扰动负载电阻越小,即投入扰动负载的功率越大,其引起的孤岛系统电压跌落越深。投入感性低压反孤岛装置的扰动负载电感越小,即投入扰动负载的功率越大,其引起的孤岛系统频率上升越大。投入容性低压反孤岛装置的扰动负载电容越大,即投入扰动负载的功率越大,其引起的孤岛系统频率下降越大。4)在逆变器因欠压保护停止输出电流后,负载上存储的能量在电阻上瞬间消耗,无操作过电压问题。在逆变器因过、欠频保护停止输出电流后,出现感应电压,大容量的容性、感性反孤岛装置投入时,存在操作过电压的隐患。4低压反孤岛装置本文分析了分布式光伏孤岛运行条件及光伏并网逆变器防