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分布式并网发电系统在孤岛时的运行控制 陈卫民,陈国呈,崔开涌,曹大鹏,张 翼,吴春华 上海大学上海市电站自动化技术重点实验室,上海市200072 摘要以光伏并网发电系统为对象,提出了分布式并网发电系统在孤岛下继续供电运行的控制策 略,将含有分布式并网发电系统的电网进行孤岛分层,通过控制不同层次的孤岛控制单元和并网发电逆变器以实现孤岛运行,同时分析了孤岛控制单元的主要功能和并网逆变器在孤岛运行中输出功率自调整以及电网恢复正常后再并网的方法。仿真和实验结果表明,该控制方法可使分布式并网发电系统在并网和孤岛下灵活运行,从而提高了分布式并网发电系统的使用率。关键词并网发电;孤岛运行;孤岛分层;功率调整;再并网中图分类号TM615;TM76 收稿日期2007211227;修回日期2008202217。 高等学校博士学科点专项科研基金20060280018;台达电力电子科教发展基金DREO2006017;上海市教委重点项目基金06ZZ03;上海市科委登山计划项目06DZ12211。 0 引言 各种分布式发电系统D GS 如太阳能发电、风力发电等已从独立发电方式向并网发电的方式转变。根据有关标准[1],分布式并网发电系统在孤岛出现时必须在2s 内停止输出功率,从而影响了发电系统的利用率。为最大限度地利用分布式并网发电,新标准IEEE 15472003[2]鼓励供电方和用户尽可能实现在孤岛条件下继续供电运行。本文的孤岛运行方式即顺应了上述新思路,定义为当并网的D GS 出现孤岛状态时,通过功率调整等方法将原来的并网发电转变为独立发电模式继续供电,而当电网恢复正常时又自动再并网的运行方式。 文献[329]从系统端研究了含D GS 的电网在电网故障出现电力孤岛时进行快速恢复的算法及分布式电源D G 在孤岛状态下的供电策略,其前提是D GS 逆变器设计必须满足电力系统的控制需求。实际上,要实现D GS 在孤岛下继续运行,其内部的并网逆变器必须相应改进才能满足孤岛运行的要求,而从逆变器端进行的孤岛运行研究还未见文献提及。 本文提出将含有D GS 的电网进行孤岛分层,通过不同分层的控制单元和并网逆变器实现孤岛运行,同时讨论了各控制单元的主要功能和并网逆变器在孤岛运行中的控制方法。 1 孤岛分层及其运行控制 1.1 含D G S 的孤岛运行分析 当含有D GS 的电网内出现电力孤岛时,若岛内的D GS 提供的电功率大于岛内的负载需求,则系统通过技术手段继续供电运行;若小于岛内负载最小 的功率需求则停止运行。对于不含储能环节的D GS ,系统输出电功率减去岛内负载需求的功率要有一定的正余量,余量的大小设定为超出负载功率需求的20为佳,通过功率调整也可进行孤岛运行。 由于孤岛运行时岛内负载的功率需求是变化的,所以需要实时采集电网拓扑结构和潮流数据,监测联络线的稳态功率变化并计算孤岛内的功率平衡程度,然后采取减载、D GS 输出功率调整等控制措施使供电稳定。另外,孤岛运行时,系统应实时监测电网,当电网故障恢复时,D GS 能够重新并网。1.2 孤岛分层及控制 图1为D GS 并网示意图,D GS 通过不同的配电站与大电网相连接。考虑到功率平衡原则、D GS 的产权关系、电气分布、地理位置及调度管辖范围等因素,文献[10]将孤岛分成电厂级和变电站级。电厂级孤岛包含1个或1组D GS 及其周边负荷的功率基本平衡区域;变电站级孤岛包含配电站部分或全部负荷及其下级所有D GS 的功率基本平衡区域,其解列点一般设置在配电站系统进线或开关上。图1中Zone1和Zone2为电厂级孤岛,Sp1和Sp2为电厂级孤岛的解列点,Zone0为变电站级孤岛,Sp0为变电站级孤岛的解列点,电厂级孤岛Zone1和Zone2包含在变电站级孤岛Zone0中。 显然,孤岛出现时,快速计算潮流、功率平衡性 第32卷 第9期2008年5月10 日Vol.32 No.9May 10,2008 的判断等依靠D GS 内的微处理器计算是不可行的, 需要借助具有高速通信、计算能力强的分布式控制系统来完成,然后由控制系统将计算结果传送给D GS 。将控制系统分为2层第1层由安装在D G 侧的控制单元D GU 构成,每个D GU 管理1个电厂级孤岛;第2层由安装在配电变电站的变电站控制单元DSU 构成,每个配电变电站安装1个DSU 。D GS ,D GU ,DSU 三者之间通过高速通信进行联系。各部分的主要功能规定如下 。 图1 DG S 并网示意图 Fig.1 Structure of grid 2connected DG S 1.2.1 D GS 的主要功能 1并网时,D GS 将最大功率输出到电网上。2当孤岛出现时,D GS 检测出孤岛,将孤岛信 息发送到D GU ,D GU 再将孤岛信息发送到DSU 。 3孤岛运行期间,输出功率可实现自调整,实现输出功率与负载需求功率匹配,保持孤岛稳定运行。 4电网恢复正常时,D GS 根据电网的参数,调整孤岛电压与电网电压同步,实现再并网,同时又以最大功率输出。 5孤岛运行期间,D GS 不再进行主动式孤岛检测,撤消主动式扰动量,以提高输出电能质量。1.2.2 DSU 的主要功能 1孤岛后,快速计算孤岛内电网输出功率与负载需求功率的缺额,甩掉多余的负荷,实现实时减载,使孤岛内功率平衡,保证孤岛稳定运行。 2当功率缺额大于总的可减负荷量时,发送“进入电厂级孤岛运行”指令给D GU 。 3当检测到电网恢复正常时,由于此时电网电压与D GS 的电压一般并不同步,若当前是变电站级孤岛运行,则将电网的频率、相位、幅值通过D GU 传送到D GS ,要其调整孤岛端电压与电网电压同 步,准备再并网;若是电厂级孤岛运行,则变电站级部分直接并网,并发信息给D GU 。 4当检测到孤岛端电压与电网电压同步后,闭合解列点处的控制开关,重新并网。1.2.3 D GU 的主要功能 1当接收到“进入电厂级孤岛运行”指令,断开解列点处的控制开关,进入电厂级孤岛运行,同时快速计算岛内功率缺额,通过合适甩载,保证孤岛稳定运行。 2当电厂级孤岛功率缺额大于可减负荷总量时,通知D GS 停止输出电功率。 3检测到电网恢复,将电网的频率、相位、幅值传送到D GS ,使其输出电压与电网电压保持同步。 4检测到孤岛内的电压与电网电压同步后,闭合解列点处的控制开关,重新并网。 2 D G S 在孤岛运行中的控制 第1节所述的孤岛运行的分层控制中,若DSU ,D GU ,D GS 均能满足各自功能,即可实现孤岛运行。DSU 和D GU 的主要功能可通过电力系统软件及通信技术实现,而D GS 需要进行改进才能满足要求。下面将对D GS 在孤岛运行需要满足的要求进行设计改进其中孤岛检测功能目前已有很多解决方法,此处不再赘述,并针对并网逆变器孤岛运行时的功率调整、再并网时的电压同步调整提出控制方法。2.1 输出功率调整方法 孤岛时,虽然可通过甩载等操作使功率达到大致平衡,但要使孤岛内负载端电压稳定仍需要D GS 的功率调整。 如图1所示,设D G1输出有功功率为P D GS ,加载在其上的负载消耗功率为P load ,则 ΔP P load -P D GS 1 式中ΔP 为D GS 输出功率与负载需求功率的缺额, ΔP 为正表示D GS 不能满足负载需求,ΔP 为负表示D GS 可满足负载需求。 负载消耗的有功功率是端电压的函数 P load V 2 pcc R load 2 式中V pcc 为并网公用连接点PCC 的电压。 因此,孤岛时D GS 应保持负载两端电压恒定。如果此时DSU 经过甩载等措施后ΔP 仍不等于0,PCC 的电压将发生变化,并网逆变器可通过PI 调节器调节逆变器的调制深度,控制输出电流,以使ΔP 等于0,从而使本地负载两端电压恒定。若控制 ・绿色电力自动化・ 陈卫民,等 分布式并网发电系统在孤岛时的运行控制 器通过PI 调节能使PCC 的电压满足 88U 额定≤U pcc ≤110U 额定 3则D GS 继续供电运行,若输出功率不稳定,不能满足电压稳定条件,并网控制器停止输出电功率。2.2 再并网控制方法 孤岛分层控制单元检测到电网恢复正常后要求重新再并网,但此时孤岛内的端电压与电网电压并不一定同步,立即并网会引起大的电流冲击。孤岛控制单元将电网电压参数发送给D GS ,要求D GS 并网逆变器调整输出电压使其与电网电压同步,孤岛控制单元检测到电压同步后才能闭合控制开关实现再并网。下面分析D GS 实现电压同步的方法。 以电流型分布式并网发电系统为例,设逆变器脉宽调制PWM 波形方程为 f t sin ω0t 4式中ω0为工频频率。 并网逆变器输出电流为 i inv t 2I inv sin ω0t 5电网恢复时,设电网电压为 v A 2V A sin ω0t θ1 6孤岛内D GS 输出电压和电流分别为 v pcc t 2V pcc sin ω0t θ2 7i inv t 2I inv sin ω0t 8 电网电压和D GS 输出电压相位差为θ1-θ2,令并网 逆变器在下一个周期开始时将调制波修改为 f t sin ω0t θ1-θ2 9则输出电流为 i inv t 2I inv sin ω0t θ1-θ2 10 若短时间内负载无功功率不变化,则D GS 输出电压应为 v pcc t 2V pcc sin ω0t θ2θ1-θ2 2V pcc sin ω0t θ111 可见,通过调整逆变器的调制波相位可实现电 压相位同步,又由于孤岛时D GS 的频率为工频频率,幅值稳定在规定的电压范围之内,所以可实现孤岛电压与电网电压同步。实际应用中,当θ1-θ2较大时,为减小输出电流相位突变引起的畸变,设定θ1-θ25 时,调制波相位最大为5,其他状态下等下一个周期再进一步调整,孤岛端的电压与电网电压相位差小于设定的最小相位θTH 时,可认为相位基本同步。上述方法同样适用于电压型并网发电系统。 孤岛运行期间,D GS 已不再需要主动式孤岛检测的算法,停止主动式扰动,以提高输出电能质量。 3 仿真及实验 本文对电流型并网发电系统参见图2孤岛运行时的功率调整和再并网控制方法进行了仿真,并在光伏并网发电的实验平台上进行了实验验证。该系统包括DC/DC 变换器、高频逆变器、高频变压器、导抗变换器、高频整流器、工频逆变器以及数字信号处理器DSP 并网控制器等[11]。实验参数为直流母线电压E d 310V 、高频逆变器载波频率20k Hz 、导抗变换器电感L 1L 2210μH 、电容C 11.2μF 、变压器变比1∶4,输出最大电流10A ,本地负载为纯电阻负载。 图3为本地负载电阻设为55Ω时的孤岛运行实验波形。孤岛出现后,如图3a 所示,D GS 调整输出电流使PCC 的电压稳定,此时D GS 工作在孤岛运行状态;当电网恢复正常时,如图3b 所示,D GS 调整PCC 的电压,与电网电压相位相等时闭合开关重新并网,同时以最大功率向外输出功率。实验情况与仿真分析仿真系统图及仿真结果见附录A 和附录B 一致 。 图2 电流型光伏并网发电系统拓扑图 Fig.2 T opology of current 2type grid 2connected photovoltaic pow er 2008,329 图3 孤岛运行实验结果 Fig.3 Experimental w aves of islanding running 附录见本刊网络版http //www.aep s s/ch/index.asp x 。 参考文献 [1]IEEE Std 9292000 Recommended practice for utility interface of photovoltaic PV systems.2000.[2]IEEE Std 15472003 Standard for distributed resources 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This work is supported by Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education SRFDP No.20060280018,Delta S islanding running ;hierarchical islanding ;power adjustment ;grid 2reconnection ・绿色电力自动化・ 陈卫民,等 分布式并网发电系统在孤岛时的运行控制