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光伏孤岛简介

太阳能作为一种绿色清洁的能源得到了越来越多的应用,随着越来越多的光伏逆变器部署在电网中,不仅是逆变器的性能和效率,逆变器的安全性也是需要重视的。而对于光伏逆变器来说,其中一个需要考虑的重要的安全问题就是防孤岛。所谓的孤岛是指是在分布式光伏发电系统与大电网断开时,一般情况下光伏逆变器将会进入欠电压保护而不再输出;但如果光伏逆变器没有检测到异常继续发电,与本地负载形成一个不受公共电网系统控制的独立供电系统。这样的情况会对电力检修人员造成危险,带来很大的安全隐患; 也会给电网重合闸操作带来挑战。为此很多国际和国内标准,如IEEE 1547-2003,UL1741,IEC 62116,Q/GDW617-2015,都对逆变器的防孤岛的性能和相应的检测方法和步骤做了规定。


光伏防孤岛试验与挑战

上图是光伏防孤岛测试的试验电路,S为逆变器系统的并网开关,RLC负载为本地负载,逆变器发出的功率Pinv+jQinv减去本地RLC负载功率Pload+jQload后为向电网输送的功率ΔP+jΔQ。当并网的断路器S断开后, 出现了光伏系统单独给负载供电的孤岛现象。如果在孤岛前,光伏发出的功率基本供本地负载消耗,并网电流很小,则断开并网开关对光伏和本地负载冲击很小,光伏逆变器会较难检测出孤岛。

对于光伏孤岛测试,希望测试使用的RLC负载在被测光伏逆变器的额定频率(50/60Hz)谐振,并与被测设备输出功率匹配,ωL=1/ωC,R=V2grid/Pinv


规定品质因素Qf=R√(C/L),Qf=1为国际国标规定的测试工况,这时电感消耗的无功、电容发出的无功、电阻消耗的有功和光伏逆变器的额定功率的数值都相同,这个工况一般定义为负载消耗的有功、无功与额定值的偏差为0的情况。下表还定义了一系列不同的测试工况,对应的是试验中负载消耗的有功功率、无功功率与额定值的偏差百分比。除了偏差为0的情况,灰色区域的工况一般是需要测试的。如果任何一个灰色区域工况孤岛检测时间大于无偏差时的孤岛检测时间,则表中所有的工况都需要测试,测试此时光伏逆变器的符合孤岛检测时间是否符合小于2秒的标准。



可以看到,光伏防孤岛测试属于较为繁杂的测试项目,测试过程中需将电阻、电感、电容三者都调整到精准的数值,以测试标准中指定的各种工况,这样的实物实验搭建和测试都是比较费时费力的,对于大功率的逆变器这样的实物测试就更不容易了。


基于StarSim实时仿真器的防孤岛测试

为了节省实物实验的时间和精力,争取一次通过实物的防孤岛测试;利用实时仿真器来对光伏逆变器进行防孤岛测试就很有意义了;同时实时仿真器还具有容易精确的调整不同的RLC参数快速测试不同工况的优点。

同时对于光伏逆变器这样一个含高速开关的电力电子系统,准确的仿真它需要很小的仿真步长,通常是1-2个微秒。远宽能源提供的基于FPGA的StarSim电力电子实时仿真器能够很好的满足这个要求,以1个微秒的步长来实时仿真电力电子系统;小步长对于在PWM脉冲的控制下快速切换拓扑的电力电子系统的准确仿真是非常重要的。


 


上图为进行实时仿真时的光伏逆变器系统模型,此模型仿真的是一个三相100kW的逆变器,电网电压为380V;RLC负载参数选取了R=1.444 ohm,L=0.0046H,C=0.002205F这组测试参数,这个工况对应的是Qf=1的测试工况(国标规定的测试工况)。在这样的参数选择下,电容发出的无功等于电感消耗的无功,当光伏逆变器发额定有功功率且逆变器工作在接近单位功率因素时(>0.95),并网电流是非常小的,接近于0。


如下是整个实时仿真测试系统框图,实时仿真器与光伏逆变器通过IO连线构成一个闭环的测试系统。


试验中的光伏逆变器采用了如下的有功功率摄动的孤岛检测算法,其原理是在孤岛的时候摄动有功功率的命令会引起逆变器并网点(即公共耦合点PCC)的电压幅度变化,从而形成正反馈,使得并网点电压幅度最终超出阈值,触发逆变器停止工作;但在并网的时候,由于逆变器并网点的电压被电网拉着,摄动有功功率的命令无法影响并网点的电压,无法形成正反馈。


上图是光伏防孤岛实时仿真试验的结果,绿色曲线表示的是并网开关的状态,当并网开关从导通到断开(高电平到低电平)后,光伏系统进入孤岛;可以看到逆变器控制器大概在1.25个周波,也就是25ms后就检测到了孤岛的工况,停止了逆变器工作;验证了防孤岛检测的算法的有效性。

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