分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島時的運行控制-

1、分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島時的運行控制陳衛(wèi)民,陳國呈,崔開涌,曹大鵬,張翼,吳春華(上海大學(xué)上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室,上海市200072摘要:以光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為對象,提出了分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島下繼續(xù)供電運行的控制策略,將含有分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)進(jìn)行孤島分層,通過控制不同層次的孤島控制單元和并網(wǎng)發(fā)電逆變器以實現(xiàn)孤島運行,同時分析了孤島控制單元的主要功能和并網(wǎng)逆變器在孤島運行中輸出功率自調(diào)整以及電網(wǎng)恢復(fù)正常后再并網(wǎng)的方法。仿真和實驗結(jié)果表明,該控制方法可使分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)和孤島下靈活運行,從而提高了分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的使用率。關(guān)鍵詞:并網(wǎng)發(fā)電;孤島運行;孤島分層;功率調(diào)整;再

2、并網(wǎng)中圖分類號:TM615;TM76收稿日期:2007211227;修回日期:2008202217。高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20060280018;臺達(dá)電力電子科教發(fā)展基金(DREO2006017;上海市教委重點項目基金(06ZZ03;上海市科委登山計劃項目(06DZ12211。0引言各種分布式發(fā)電系統(tǒng)(D GS 如太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等已從獨立發(fā)電方式向并網(wǎng)發(fā)電的方式轉(zhuǎn)變。根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)1,分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島出現(xiàn)時必須在2s 內(nèi)停止輸出功率,從而影響了發(fā)電系統(tǒng)的利用率。為最大限度地利用分布式并網(wǎng)發(fā)電,新標(biāo)準(zhǔn)IEEE 154720032鼓勵供電方和用戶盡可能實現(xiàn)在孤島條件下繼續(xù)供電

3、運行。本文的孤島運行方式即順應(yīng)了上述新思路,定義為:當(dāng)并網(wǎng)的D GS 出現(xiàn)孤島狀態(tài)時,通過功率調(diào)整等方法將原來的并網(wǎng)發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)楠毩l(fā)電模式繼續(xù)供電,而當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時又自動再并網(wǎng)的運行方式。文獻(xiàn)329從系統(tǒng)端研究了含D GS 的電網(wǎng)在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電力孤島時進(jìn)行快速恢復(fù)的算法及分布式電源(D G 在孤島狀態(tài)下的供電策略,其前提是D GS 逆變器設(shè)計必須滿足電力系統(tǒng)的控制需求。實際上,要實現(xiàn)D GS 在孤島下繼續(xù)運行,其內(nèi)部的并網(wǎng)逆變器必須相應(yīng)改進(jìn)才能滿足孤島運行的要求,而從逆變器端進(jìn)行的孤島運行研究還未見文獻(xiàn)提及。本文提出將含有D GS 的電網(wǎng)進(jìn)行孤島分層,通過不同分層的控制單元和并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)

4、孤島運行,同時討論了各控制單元的主要功能和并網(wǎng)逆變器在孤島運行中的控制方法。1孤島分層及其運行控制1.1含D G S 的孤島運行分析當(dāng)含有D GS 的電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)電力孤島時,若島內(nèi)的D GS 提供的電功率大于島內(nèi)的負(fù)載需求,則系統(tǒng)通過技術(shù)手段繼續(xù)供電運行;若小于島內(nèi)負(fù)載最小的功率需求則停止運行。對于不含儲能環(huán)節(jié)的D GS ,系統(tǒng)輸出電功率減去島內(nèi)負(fù)載需求的功率要有一定的正余量,余量的大小設(shè)定為超出負(fù)載功率需求的20%為佳,通過功率調(diào)整也可進(jìn)行孤島運行。由于孤島運行時島內(nèi)負(fù)載的功率需求是變化的,所以需要實時采集電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和潮流數(shù)據(jù),監(jiān)測聯(lián)絡(luò)線的穩(wěn)態(tài)功率變化并計算孤島內(nèi)的功率平衡程度,然后采取減載

5、、D GS 輸出功率調(diào)整等控制措施使供電穩(wěn)定。另外,孤島運行時,系統(tǒng)應(yīng)實時監(jiān)測電網(wǎng),當(dāng)電網(wǎng)故障恢復(fù)時,D GS 能夠重新并網(wǎng)。1.2孤島分層及控制圖1為D GS 并網(wǎng)示意圖,D GS 通過不同的配電站與大電網(wǎng)相連接?？紤]到功率平衡原則、D GS 的產(chǎn)權(quán)關(guān)系、電氣分布、地理位置及調(diào)度管轄范圍等因素,文獻(xiàn)10將孤島分成電廠級和變電站級。電廠級孤島包含1個或1組D GS 及其周邊負(fù)荷的功率基本平衡區(qū)域;變電站級孤島包含配電站部分或全部負(fù)荷及其下級所有D GS 的功率基本平衡區(qū)域,其解列點一般設(shè)置在配電站系統(tǒng)進(jìn)線或開關(guān)上。圖1中Zone1和Zone2為電廠級孤島,Sp1和Sp2為電廠級孤島的解列點,Z

6、one0為變電站級孤島,Sp0為變電站級孤島的解列點,電廠級孤島Zone1和Zone2包含在變電站級孤島Zone0中。顯然,孤島出現(xiàn)時,快速計算潮流、功率平衡性第32卷第9期2008年5月10 日Vol.32No.9May 10,2008的判斷等依靠D GS 內(nèi)的微處理器計算是不可行的,需要借助具有高速通信、計算能力強(qiáng)的分布式控制系統(tǒng)來完成,然后由控制系統(tǒng)將計算結(jié)果傳送給D GS 。將控制系統(tǒng)分為2層:第1層由安裝在D G 側(cè)的控制單元(D GU 構(gòu)成,每個D GU 管理1個電廠級孤島;第2層由安裝在配電變電站的變電站控制單元(DSU 構(gòu)成,每個配電變電站安裝1個DSU 。D GS ,D GU

7、 ,DSU 三者之間通過高速通信進(jìn)行聯(lián)系。各部分的主要功能規(guī)定如下 。圖1DG S 并網(wǎng)示意圖Fig.1Structure of grid 2connected DG S1.2.1D GS 的主要功能1并網(wǎng)時,D GS 將最大功率輸出到電網(wǎng)上。2當(dāng)孤島出現(xiàn)時,D GS 檢測出孤島,將孤島信息發(fā)送到D GU ,D GU 再將孤島信息發(fā)送到DSU 。3孤島運行期間,輸出功率可實現(xiàn)自調(diào)整,實現(xiàn)輸出功率與負(fù)載需求功率匹配,保持孤島穩(wěn)定運行。4電網(wǎng)恢復(fù)正常時,D GS 根據(jù)電網(wǎng)的參數(shù),調(diào)整孤島電壓與電網(wǎng)電壓同步,實現(xiàn)再并網(wǎng),同時又以最大功率輸出。5孤島運行期間,D GS 不再進(jìn)行主動式孤島檢測,撤消主動

8、式擾動量,以提高輸出電能質(zhì)量。1.2.2DSU 的主要功能1孤島后,快速計算孤島內(nèi)電網(wǎng)輸出功率與負(fù)載需求功率的缺額,甩掉多余的負(fù)荷,實現(xiàn)實時減載,使孤島內(nèi)功率平衡,保證孤島穩(wěn)定運行。2當(dāng)功率缺額大于總的可減負(fù)荷量時,發(fā)送“進(jìn)入電廠級孤島運行”指令給D GU 。3當(dāng)檢測到電網(wǎng)恢復(fù)正常時,由于此時電網(wǎng)電壓與D GS 的電壓一般并不同步,若當(dāng)前是變電站級孤島運行,則將電網(wǎng)的頻率、相位、幅值通過D GU 傳送到D GS ,要其調(diào)整孤島端電壓與電網(wǎng)電壓同步,準(zhǔn)備再并網(wǎng);若是電廠級孤島運行,則變電站級部分直接并網(wǎng),并發(fā)信息給D GU 。4當(dāng)檢測到孤島端電壓與電網(wǎng)電壓同步后,閉合解列點處的控制開關(guān),重新并網(wǎng)

9、。1.2.3D GU 的主要功能1當(dāng)接收到“進(jìn)入電廠級孤島運行”指令,斷開解列點處的控制開關(guān),進(jìn)入電廠級孤島運行,同時快速計算島內(nèi)功率缺額,通過合適甩載,保證孤島穩(wěn)定運行。2當(dāng)電廠級孤島功率缺額大于可減負(fù)荷總量時,通知D GS 停止輸出電功率。3檢測到電網(wǎng)恢復(fù),將電網(wǎng)的頻率、相位、幅值傳送到D GS ,使其輸出電壓與電網(wǎng)電壓保持同步。4檢測到孤島內(nèi)的電壓與電網(wǎng)電壓同步后,閉合解列點處的控制開關(guān),重新并網(wǎng)。2D G S 在孤島運行中的控制第1節(jié)所述的孤島運行的分層控制中,若DSU ,D GU ,D GS 均能滿足各自功能,即可實現(xiàn)孤島運行。DSU 和D GU 的主要功能可通過電力系統(tǒng)軟件及通信技

10、術(shù)實現(xiàn),而D GS 需要進(jìn)行改進(jìn)才能滿足要求。下面將對D GS 在孤島運行需要滿足的要求進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)(其中孤島檢測功能目前已有很多解決方法,此處不再贅述,并針對并網(wǎng)逆變器孤島運行時的功率調(diào)整、再并網(wǎng)時的電壓同步調(diào)整提出控制方法。2.1輸出功率調(diào)整方法孤島時,雖然可通過甩載等操作使功率達(dá)到大致平衡,但要使孤島內(nèi)負(fù)載端電壓穩(wěn)定仍需要D GS 的功率調(diào)整。如圖1所示,設(shè)D G1輸出有功功率為P D GS ,加載在其上的負(fù)載消耗功率為P load ,則P =P load -P D GS (1式中:P 為D GS 輸出功率與負(fù)載需求功率的缺額,P 為正表示D GS 不能滿足負(fù)載需求,P 為負(fù)表示D GS

11、 可滿足負(fù)載需求。負(fù)載消耗的有功功率是端電壓的函數(shù):P load=V 2pcc R load(2式中:V pcc 為并網(wǎng)公用連接點(PCC 的電壓。因此,孤島時D GS 應(yīng)保持負(fù)載兩端電壓恒定。如果此時DSU 經(jīng)過甩載等措施后P 仍不等于0,PCC 的電壓將發(fā)生變化,并網(wǎng)逆變器可通過PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)逆變器的調(diào)制深度,控制輸出電流,以使P 等于0,從而使本地負(fù)載兩端電壓恒定。若控制綠色電力自動化陳衛(wèi)民,等分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島時的運行控制器通過PI 調(diào)節(jié)能使PCC 的電壓滿足:88%U 額定U pcc 110%U 額定(3則D GS 繼續(xù)供電運行,若輸出功率不穩(wěn)定,不能滿足電壓穩(wěn)定條件,并網(wǎng)控

12、制器停止輸出電功率。2.2再并網(wǎng)控制方法孤島分層控制單元檢測到電網(wǎng)恢復(fù)正常后要求重新再并網(wǎng),但此時孤島內(nèi)的端電壓與電網(wǎng)電壓并不一定同步,立即并網(wǎng)會引起大的電流沖擊。孤島控制單元將電網(wǎng)電壓參數(shù)發(fā)送給D GS ,要求D GS 并網(wǎng)逆變器調(diào)整輸出電壓使其與電網(wǎng)電壓同步,孤島控制單元檢測到電壓同步后才能閉合控制開關(guān)實現(xiàn)再并網(wǎng)。下面分析D GS 實現(xiàn)電壓同步的方法。以電流型分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為例,設(shè)逆變器脈寬調(diào)制(PWM 波形方程為:f (t =sin 0t(4式中:0為工頻頻率。并網(wǎng)逆變器輸出電流為:i inv (t =2I inv sin 0t(5電網(wǎng)恢復(fù)時,設(shè)電網(wǎng)電壓為:v A =2V A sin

13、 (0t +1(6孤島內(nèi)D GS 輸出電壓和電流分別為:v pcc (t =2V pcc sin (0t +2(7i inv (t =2I inv sin 0t(8電網(wǎng)電壓和D GS 輸出電壓相位差為1-2,令并網(wǎng)逆變器在下一個周期開始時將調(diào)制波修改為:f (t =sin (0t +1-2(9則輸出電流為:i inv (t =2I inv sin (0t +1-2(10若短時間內(nèi)負(fù)載無功功率不變化,則D GS 輸出電壓應(yīng)為:v pcc (t =2V pcc sin (0t +2+1-2=2V pcc sin (0t +1(11可見,通過調(diào)整逆變器的調(diào)制波相位可實現(xiàn)電壓相位同步,又由于孤島時D

14、GS 的頻率為工頻頻率,幅值穩(wěn)定在規(guī)定的電壓范圍之內(nèi),所以可實現(xiàn)孤島電壓與電網(wǎng)電壓同步。實際應(yīng)用中,當(dāng)1-2較大時,為減小輸出電流相位突變引起的畸變,設(shè)定1-2>5°時,調(diào)制波相位最大為5°,其他狀態(tài)下等下一個周期再進(jìn)一步調(diào)整,孤島端的電壓與電網(wǎng)電壓相位差小于設(shè)定的最小相位TH 時,可認(rèn)為相位基本同步。上述方法同樣適用于電壓型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。孤島運行期間,D GS 已不再需要主動式孤島檢測的算法,停止主動式擾動,以提高輸出電能質(zhì)量。3仿真及實驗本文對電流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(參見圖2孤島運行時的功率調(diào)整和再并網(wǎng)控制方法進(jìn)行了仿真,并在光伏并網(wǎng)發(fā)電的實驗平臺上進(jìn)行了實驗驗證。該

15、系統(tǒng)包括DC/DC 變換器、高頻逆變器、高頻變壓器、導(dǎo)抗變換器、高頻整流器、工頻逆變器以及數(shù)字信號處理器(DSP 并網(wǎng)控制器等11。實驗參數(shù)為:直流母線電壓E d =310V 、高頻逆變器載波頻率20k Hz 、導(dǎo)抗變換器電感L 1=L 2=210H 、電容C 1=1.2F 、變壓器變比14,輸出最大電流10A ,本地負(fù)載為純電阻負(fù)載。圖3為本地負(fù)載電阻設(shè)為55時的孤島運行實驗波形。孤島出現(xiàn)后,如圖3(a 所示,D GS 調(diào)整輸出電流使PCC 的電壓穩(wěn)定,此時D GS 工作在孤島運行狀態(tài);當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時,如圖3(b 所示,D GS 調(diào)整PCC 的電壓,與電網(wǎng)電壓相位相等時閉合開關(guān)重新并網(wǎng),同

16、時以最大功率向外輸出功率。實驗情況與仿真分析(仿真系統(tǒng)圖及仿真結(jié)果見附錄A 和附錄B 一致 。圖2電流型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2T opology of current 2type grid 2connected photovoltaic pow er2008,32(9 圖3孤島運行實驗結(jié)果Fig.3Experimental w aveforms of islanding running附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http :/www.aep s s/ch/index.asp x 。參考文獻(xiàn)1IEEE Std 9292000Recommended practice for utilityinte

17、rface of photovoltaic (PV systems.2000.2IEEE Std 15472003Standard for distributed resourcesinterconnected wit h electric power systems.2003.3顏萍,顧錦汶,張廣.一種快速高效的配電網(wǎng)供電恢復(fù)算法.電力系統(tǒng)自動化,2000,24(4:52256.YAN Ping ,GU Jinwen ,ZHAN G Guang.A fast efficient service restoration met hod for dist ribution network.Aut

18、omation of Electric Power Systems ,2000,24(4:52256.4李海峰,張堯,錢國基,等.配電網(wǎng)故障恢復(fù)重構(gòu)算法研究.電力系統(tǒng)自動化,2001,25(8:34237.L I Haifeng ,ZHAN G Yao ,QIAN Guoji ,et al.Study on t he algorit hm for service restoration reconfiguration in distribution networks.Automation of Electric Power Systems ,2001,25(8:34237.5KUMPUL AI

19、N EN L K ,KAU HANIEMI K T.Analysis of t heimpact of distributed generation on automatic reclosing/Proceedings of Power Systems Conference and Exposition ,October 10213,2004,New Y ork ,N Y ,USA :6032608.6BOLL EN M H J ,SUN Y ,AUL T G W.Reliability of distributionnetworkswit hDERincludingintentionalis

20、landing/Proceedings of International Conference on Future Power Systems ,November 16218,2005,Amsterdam ,The Net herlands.Piscataway ,NJ ,USA :IEEE ,2005:126.7盧志剛,董玉香.含分布式電源的配電網(wǎng)故障恢復(fù)策略.電力系統(tǒng)自動化,2007,31(1:89292.L U Zhigang ,DON G Yuxiang.Service restoration strategy for t he distribution system wit h D

21、Gs.Automation of Electric Power Systems ,2007,31(1:89292.8丁磊,潘貞存,王賓.分散電源并網(wǎng)對供電可靠性的影響分析.電力系統(tǒng)自動化,2007,31(20:89293.DIN G Lei ,PAN Zhencun ,WAN G Bin.Impact on reliability of distribution networks wit h dispersed generators.Automation of Electric Power Systems ,2007,31(20:89293.9劉傳銓,張焰.計及分布式電源的配電網(wǎng)供電可靠性.電

22、力系統(tǒng)自動化,2007,31(22:46249.L IU Chuanquan ,ZHAN G Yan.Distribution network reliability considering distribution generation.Automation of Electric Power Systems ,2007,31(22:46249.10丁磊,潘貞存,蘇永智,等.并網(wǎng)分散電源的解列與孤島運行.電力自動化設(shè)備,2007,27(7:25228.DIN G Lei ,PAN Zhencun ,SU Y ongzhi ,et al.Splitting and islanding of n

23、etworked dispersed generators.Electric Power Automation Equipment ,2007,27(7:25228.11吳春華,崔開涌,陳國呈,等.一種電流型并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浜涂刂品椒?電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(8:7212.WU Chunhua ,CU I Kaiyong ,CH EN Guocheng ,et al.A current source grid 2connected inverter topology and it s control met hod.Transactions of China Electrotechnic

24、al Society ,2007,22(8:7212.陳衛(wèi)民(1972,男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:電力電子變換、新能源。E 2mail :cwm 陳國呈(1944,男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:新型電力電子變換、電機(jī)驅(qū)動、新能源。崔開涌(1983,男,碩士研究生,主要研究方向:電力電子變換、新能源。Running Control of G rid 2connected Dispersed G eneration Systems in Islanding Situ ationC H EN Weimin ,C H EN Guocheng ,CU I Kai yong ,C

25、A O Dapeng ,Z HA N G Yi ,W U Chunhua(Shanghai Key Lab of Power Station Automation Technology ,Shanghai University ,Shanghai 200072,China Abstract :Currently the usage of grid 2connected dispersed generation systems is decreased in the islanding situation sincedispersed generation systems (D GS stop power supply when islanding occurs.This paper proposes hierarchical islanding control strategies by hierarchical islanding control units and PV grid 2connected inverter for continuous running of grid 2connected D GS in islanding situation