適用于直流配電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電防孤島方法

郭 捷，胡文平，劉 曼

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050000）

適用于直流配電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電防孤島方法

郭 捷，胡文平，劉 曼

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050000）

直流配電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)分布式光伏發(fā)電的大規(guī)模高效接入，提高可靠性并降低接入成本。但是，直流配電網(wǎng)因僅有直流電壓作為判斷依據(jù)，且無法實(shí)施主動(dòng)移頻等方法避免檢測(cè)盲區(qū)等原因，造成孤島檢測(cè)困難。文中給出適用于直流配電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電防孤島方法，通過低頻電壓分量主動(dòng)注入，并對(duì)該分量進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)直流配電網(wǎng)孤島的無盲區(qū)檢測(cè)。并能實(shí)現(xiàn)AC／DC接口換流器間的工作模式切換。仿真結(jié)果證明該方法可以正確、迅速地檢測(cè)出直流配電網(wǎng)中出現(xiàn)的孤島，并保證模式切換時(shí)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，同時(shí)證明了低頻電壓波動(dòng)不會(huì)傳遞到DC／DC換流器的另一側(cè)，不會(huì)影響光伏矩陣和其它直流設(shè)備的正常工作。

防孤島；直流配電網(wǎng)；分布式發(fā)電；光伏發(fā)電；AC／DC換流器；DC／DC換流器

能源問題是現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展所面臨的重要問題之一。當(dāng)前我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以煤炭等化石能源為基礎(chǔ)，大量能源消費(fèi)造成化石能源日漸枯竭，引發(fā)全球氣候變化以及環(huán)境污染等嚴(yán)峻問題。太陽(yáng)能是公認(rèn)的可持續(xù)能源，具有安全、環(huán)境友好、儲(chǔ)量巨大的特點(diǎn)。分布式光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的重要形式之一，其轉(zhuǎn)化效率高，有利于資源充分利用，并提高能源供應(yīng)可靠性［1－3］。

當(dāng)分布式光伏發(fā)電接入交流電網(wǎng)后，可能會(huì)在電網(wǎng)停運(yùn)時(shí)，不能自動(dòng)退出運(yùn)行，而是向部分電網(wǎng)繼續(xù)供電，在停運(yùn)電網(wǎng)中形成非計(jì)劃性的供電孤島。特別是當(dāng)分布式電源發(fā)出功率與本地負(fù)荷基本相等時(shí)，會(huì)形成相對(duì)穩(wěn)定供電的孤島，孤島內(nèi)電壓、頻率較孤島前變化很小，形成檢測(cè)盲區(qū)。孤島效應(yīng)帶來的危害包括：孤島內(nèi)供電穩(wěn)定性和電能質(zhì)量無法保證，孤島帶電影響低壓重合閘，檢修時(shí)孤島帶電威脅人身、設(shè)備安全，供電權(quán)責(zé)不清等［4－5］。

直流配電網(wǎng)是未來配電網(wǎng)發(fā)展新方向之一，近年來受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注［6］，并有示范工程投入應(yīng)用［7］。直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)之一就是靈活開放，取消了光伏發(fā)電等直流電源接入的逆變環(huán)節(jié)，大幅降低分布式發(fā)電入網(wǎng)成本，能夠適應(yīng)分布式電源大量接入。與直流微網(wǎng)不同，直流配電網(wǎng)是一個(gè)更為開放的面向公用的配電系統(tǒng)，能夠更為廣泛地納入分布式發(fā)電和直流負(fù)荷。而微網(wǎng)強(qiáng)調(diào)在局部形成自治的微型電力系統(tǒng)，內(nèi)部設(shè)備產(chǎn)權(quán)、調(diào)度權(quán)單一，容易實(shí)現(xiàn)分布式電源的協(xié)調(diào)控制。此外，微網(wǎng)多具備孤網(wǎng)運(yùn)行的能力，形成孤島后結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單且容易檢測(cè)。

綜上所述，直流配電網(wǎng)防孤島應(yīng)作為一個(gè)技術(shù)問題進(jìn)行深入分析，并尋找解決方案。

1 直流配電網(wǎng)防孤島問題

交流配電網(wǎng)防孤島目前已經(jīng)發(fā)展較為成熟，其防孤島思路對(duì)于直流配電網(wǎng)防孤島具有借鑒意義。交流配電網(wǎng)防孤島主要有以下方法。

a.在換流器內(nèi)部或外部均不附加電源，通過檢測(cè)電壓、頻率、相位突變、諧波等參數(shù)，被動(dòng)判斷孤島形成。此類方法簡(jiǎn)便、成本低，但會(huì)受盲區(qū)的影響而無法檢測(cè)出全部可能出現(xiàn)的孤島。

b.通過換流器主動(dòng)擾動(dòng)交流側(cè)頻率或電壓，并形成正反饋。當(dāng)孤島形成時(shí)，孤島失去外部電源的箝位作用，會(huì)在擾動(dòng)的作用下使頻率或電壓偏離正常范圍，從而消除盲區(qū)對(duì)孤島檢測(cè)的影響。

c.通過在配電變壓器低壓側(cè)或其它合理的分界點(diǎn)主動(dòng)插入負(fù)荷，從而打破孤島功率平衡。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、分布式發(fā)電滲透率相對(duì)較低的前提下，該方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

d.利用通信的方式傳遞開關(guān)狀態(tài)，對(duì)配電網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行分析，可以無盲區(qū)檢測(cè)出復(fù)雜孤島。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)成本較高、算法較為復(fù)雜且依賴于通信網(wǎng)絡(luò)的可用性。

直流配電網(wǎng)中孤島檢測(cè)較交流系統(tǒng)困難，原因主要包括以下幾方面。

a.直流配電網(wǎng)孤島檢測(cè)時(shí)僅有電壓作為判據(jù)，無法通過頻率、相位變化檢測(cè)出孤島，也不能使用主動(dòng)移頻的方法避免檢測(cè)盲區(qū)。分布式光伏發(fā)電通過DC／DC換流器并入直流配電網(wǎng)，由于無需交流同步而不具有鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL），所以也無法根據(jù)PLL的失鎖判據(jù)來快速判定孤島。

b.分布式光伏發(fā)電裝置一般具有最大功率點(diǎn)追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）功能［8］。MPPT是一個(gè)動(dòng)態(tài)自尋優(yōu)的控制策略，在外部環(huán)境不斷變化的情況下，用以保證光伏電池方陣工作在輸出功率特性的最大功率點(diǎn)附近。常見的MPPT方法有擾動(dòng)觀測(cè)法、固定參數(shù)法和電導(dǎo)增量法等，其中，擾動(dòng)觀測(cè)法算法簡(jiǎn)單且追蹤精度較高，應(yīng)用較為普遍。擾動(dòng)觀測(cè)法在進(jìn)行MPPT時(shí)，對(duì)光伏電池方陣的工作點(diǎn)進(jìn)行小幅擾動(dòng)，根據(jù)功率變化方向判斷最大工作點(diǎn)位置。其輸出功率會(huì)在最大功率附近發(fā)生波動(dòng)。理論上來講，當(dāng)形成孤島盲區(qū)時(shí)，如果光伏電池輸出功率波動(dòng)，孤島內(nèi)直流電壓也會(huì)發(fā)生變化。然而，MPPT所形成的功率擾動(dòng)不足以打破孤島盲區(qū)功率平衡，孤島仍然難以檢測(cè)，主要原因是：首先，MPPT產(chǎn)生的功率擾動(dòng)本身較小，不足以造成較大的電壓波動(dòng)（例如，± 200 V的低壓直流配網(wǎng)孤島功率波動(dòng)5%時(shí)，反映到直流電壓波動(dòng)為2.5%）；此外，雙極直流系統(tǒng)通過分裂電容器接地，換流器直流側(cè)通常也有較大的直流電容，造成直流配電網(wǎng)極間等效電容較大，電壓波動(dòng)更加不明顯。

c.直流配電網(wǎng)中存在大量包括光伏并網(wǎng)DC／DC變換器在內(nèi)的電力電子裝置，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻諧波。高頻諧波分量根據(jù)不同類型、不同型號(hào)的電力電子裝置而不同。而且大部分在直流出口處通過直流電容吸收，注入配電網(wǎng)的高頻諧波幅值很小。所以在直流配電網(wǎng)中，高頻諧波信號(hào)較弱且成分復(fù)雜，通過高頻諧波檢測(cè)孤島較困難。

d.當(dāng)孤島結(jié)構(gòu)形態(tài)較為復(fù)雜時(shí)（如圖1中的孤島Ⅱ），孤島內(nèi)有多個(gè)分布式發(fā)電接入。如果采用分布式發(fā)電并網(wǎng)換流器有源檢測(cè)的方法，可能發(fā)生由于各換流器采用的檢測(cè)方法、擾動(dòng)參數(shù)、判斷標(biāo)準(zhǔn)不協(xié)調(diào)造成的孤島檢測(cè)互相干擾問題，發(fā)生防孤島拒動(dòng)或誤動(dòng)。此外，復(fù)雜形態(tài)孤島可能并非放射狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與外部網(wǎng)絡(luò)的分界點(diǎn)不止1個(gè)，此時(shí)難以準(zhǔn)確選擇1個(gè)分界點(diǎn)在孤島側(cè)插入一定功率負(fù)載進(jìn)行負(fù)荷擾動(dòng)。

圖1 直流配電網(wǎng)中的孤島效應(yīng)

2 低頻電壓分量注入的孤島檢測(cè)方法

2.1 低頻電壓分量注入方法

低頻電壓分量注入的檢測(cè)方法基本原理是在直流配電網(wǎng)接口的AC／DC換流器直流側(cè)注入頻率小于50 Hz的低頻交流電壓分量，若光伏并網(wǎng)DC／DC換流器可以檢測(cè)到該分量，表示與AC／DC接口換流器存在電氣聯(lián)系，若光伏并網(wǎng)DC／DC換流器無法檢測(cè)到該分量，表示與AC／DC接口換流器失去電氣聯(lián)系，該并網(wǎng)DC／DC換流器處于孤島。

AC／DC接口換流器直流側(cè)注入的低頻分量可以表示為

式中：k為注入低頻分量占直流額定電壓Udc的百分比；fac為注入低頻分量的頻率；t為時(shí)間。上述參數(shù)設(shè)計(jì)可以遵從下列原則。

a.低頻分量占比k，應(yīng)在保證全直流配電網(wǎng)各并網(wǎng)點(diǎn)能可靠檢測(cè)到低頻分量的前提下盡量取小值，以便把低頻電壓注入帶來的影響降到最低，可取2%～5%。

b.注入低頻分量的頻率fac采用50 Hz以下低頻分量，原因在于直流配電網(wǎng)可能與交流電網(wǎng)耦合產(chǎn)生工頻或高次諧波分量，但次諧波不易產(chǎn)生，可以用來作為體現(xiàn)AC／DC接口換流器電氣連通性的特征分量；低頻分量電抗小容抗大，在直流配電網(wǎng)內(nèi)傳播的距離較遠(yuǎn)；便于光伏發(fā)電DC／DC并網(wǎng)換流器光伏電池側(cè)的穩(wěn)壓控制，且對(duì)外干擾較小。但頻率過低時(shí)，計(jì)算其有效值時(shí)延遲較長(zhǎng)，可取5～30 Hz。

c.低頻分量注入AC／DC接口換流器可以通過向換流器直流電壓Udc上疊加u?ac實(shí)現(xiàn)。典型的AC／DC換流器直流側(cè)定電壓控制采用雙環(huán)控制，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為前饋解耦的有功電流環(huán)。低頻電壓分量注入直流側(cè)的方法如圖2所示，在dq坐標(biāo)系下，設(shè)電流的d軸分量id為有功電流，q軸分量iq為無功電流，Lac為交流電抗，ed為交流系統(tǒng)電勢(shì)d軸分量，udc為直流電壓，i?d為有功電流指令值，u?d為換流器交流電壓d軸分量參考值，與q軸分量參考值經(jīng)派克逆變換可得abc坐標(biāo)下的電壓參考值。

圖2 低頻電壓分量注入方法

低頻電壓分量注入直流配電網(wǎng)后，將對(duì)直流配電網(wǎng)電氣特性造成一定改變。功率方面，會(huì)在AC／DC接口換流器處引起交流側(cè)功率波動(dòng)，并會(huì)在直流側(cè)形成交流回路引起功率損耗。但是，由于該電壓分量占比k很小，加之交流回路經(jīng)過直流電容阻抗較大，故引起的功率波動(dòng)和損耗均可接受。電壓方面，由于分布式光伏發(fā)電經(jīng)并網(wǎng)DC／DC換流器接入，通過調(diào)制開關(guān)占空比在光伏電池側(cè)實(shí)施具有MPPT的電壓控制，故電網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)不會(huì)傳遞到光伏電池側(cè)，亦不會(huì)引起光伏功率輸出波動(dòng)。綜上所述，低頻電壓分量注入直流配電網(wǎng)后不會(huì)影響配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.2 低頻電壓分量監(jiān)測(cè)

在直流配電網(wǎng)內(nèi)監(jiān)測(cè)2.1節(jié)所述注入的電壓分量，可以判斷測(cè)量點(diǎn)與AC／DC接口換流器的電氣連通性，具體算法如圖3所示。首先將計(jì)數(shù)器N清零，然后對(duì)電網(wǎng)側(cè)電壓采樣、濾波、提取有效值，與整定值Uset（動(dòng)作門檻值）進(jìn)行比較。若有效值大于Uset則程序一直處于監(jiān)視循環(huán)中，一旦有效值小于動(dòng)作延時(shí)Tset，則判斷測(cè)量點(diǎn)與AC／DC接口換流器已斷開形成孤島。

圖3 低頻電壓分量監(jiān)測(cè)算法流程圖

2.3 AC／DC接口換流器工作模式切換

直流配電網(wǎng)通常采用雙AC／DC接口換流器提高供電可靠性。但在前文所述的低頻電壓分量注入時(shí)，為了避免產(chǎn)生環(huán)流而應(yīng)在配電網(wǎng)內(nèi)僅保留1個(gè)注入點(diǎn)。所以當(dāng)采用雙AC／DC接口換流器供電時(shí)，應(yīng)將其中1臺(tái)換流器設(shè)置為主模式，正常運(yùn)行時(shí)向直流配電網(wǎng)注入交流分量；另1臺(tái)設(shè)置為從模式，正常運(yùn)行時(shí)不注入交流分量，一旦主模式換流器停機(jī)，自動(dòng)開始注入。

AC／DC接口換流器工作模式切換的具體方法是從模式換流器按照?qǐng)D3所示的算法進(jìn)行低頻電壓分量監(jiān)測(cè)，當(dāng)判斷為主模式換流器已經(jīng)斷開后，立即按照式（1）在圖2所示控制環(huán)節(jié)注入低頻電壓分量。為了防止切換過程中，從模式換流器開始注入前光伏并網(wǎng)DC／DC換流器已判斷孤島形成而發(fā)生誤動(dòng)作，應(yīng)保證：

式中：Tset1為DC／DC換流器動(dòng)作延時(shí)；Tset2為AC／DC換流器動(dòng)作延時(shí)；Uset1為DC／DC換流器動(dòng)作門檻；Uset2為AC／DC換流器動(dòng)作門檻。

3 仿真驗(yàn)證

在PSCAD／EMTDC平臺(tái)上建立仿真模型，模型將直流配電網(wǎng)的光伏孤島簡(jiǎn)化為如圖4所示的結(jié)構(gòu)，直流配電網(wǎng)兩端通過AC／DC接口換流器Ⅰ、Ⅱ與交流系統(tǒng)相連，光伏發(fā)電通過并網(wǎng)直流斷路器并網(wǎng)并帶本地負(fù)荷。

圖4 直流配電網(wǎng)光伏孤島模型

直流配電網(wǎng)額定電壓±200 V，光伏電池矩陣由6×6額定功率260 W的光伏電池板構(gòu)成，環(huán)境溫度25℃，光照強(qiáng)度1 kW／m2，并網(wǎng)DC／DC換流器采用定電壓控制，MPPT采用擾動(dòng)觀測(cè)法在光伏矩陣側(cè)施加擾動(dòng)。設(shè)定AC／DC接口換流器Ⅰ工作在主模式，AC／DC接口換流器Ⅱ工作在從模式，k為2%，fac為10 Hz，Uset1為0.5 V，Uset2為0.3 V，Tset1為0.2 s，Tset1為0.5 s。

圖5所示為未加入防孤島策略時(shí)的仿真結(jié)果，udc為光伏發(fā)電并網(wǎng)點(diǎn)正極電壓，upv為光伏矩陣出口電壓。并網(wǎng)直流斷路器在5 s時(shí)斷開（箭頭所指），光伏發(fā)電與本地負(fù)荷形成孤島，此時(shí)設(shè)置本地負(fù)荷與發(fā)電功率相等，孤島檢測(cè)處于盲區(qū)中。孤島形成后，udc和upv均無明顯變化，upv的波動(dòng)是由于MPPT擾動(dòng)觀測(cè)造成的，幅值很小無法打破孤島的檢測(cè)盲區(qū)。

圖5 直流配電網(wǎng)孤島檢測(cè)盲區(qū)

圖6所示為加入低頻電壓分量注入的孤島檢測(cè)后仿真結(jié)果。AC／DC接口換流器I首先注入10 Hz低頻電壓分量，第2 s時(shí)（I）停機(jī)跳閘；AC／DC接口換流器Ⅱ在0.3 s后（Ⅱ）切換為注入低頻電壓分量，由于配電網(wǎng)內(nèi)該分量在0.5 s內(nèi)恢復(fù)，切換過程中防孤島沒有發(fā)生誤動(dòng)作；第5 s時(shí)（Ⅲ），并網(wǎng)直流斷路器跳閘形成孤島，此時(shí)并網(wǎng)DC／DC換流器與直流配電網(wǎng)失去聯(lián)絡(luò)，由于本地負(fù)荷和光伏發(fā)電功率相等，直流分量保持不變?cè)斐蓹z測(cè)盲區(qū)；但由于孤島內(nèi)低頻電壓分量消失，跳閘0.7 s后（Ⅳ）光伏發(fā)電裝置停機(jī)。仿真結(jié)果表明，給出的方法可以快速、有效地防止直流配電網(wǎng)產(chǎn)生光伏孤島，孤島切除時(shí)間小于2 s；能夠克服檢測(cè)盲區(qū)，并在AC／DC接口換流器工作模式切換時(shí)保證不發(fā)生誤動(dòng)作。

圖6 直流配電網(wǎng)孤島檢測(cè)和注入模式切換

圖7所示為低頻電壓分量對(duì)光伏電池工作電壓影響的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果截取了第5 s（箭頭所指）前后共1 s波形，首先注入10 Hz低頻電壓0.5 s，之后停止注入0.5 s。由仿真結(jié)果可以看出，DC／DC換流器電網(wǎng)側(cè)（并網(wǎng)點(diǎn)正極）電壓udc有明顯的低頻分量變化，而換流器光伏矩陣側(cè)電壓upv則無明顯變化，說明DC／DC換流器的定電壓控制可以消除電壓低頻波動(dòng)對(duì)光伏矩陣工作帶來的影響。同理，對(duì)于其他經(jīng)穩(wěn)壓控制換流器的分布式電源和負(fù)荷，也不會(huì)受到直流電壓低頻波動(dòng)的影響。

圖7 低頻電壓分量對(duì)光伏電池工作電壓的影響

4 結(jié)論

針對(duì)直流配電網(wǎng)中分布式光伏發(fā)電的防孤島問題，給出了低頻電壓分量注入的孤島檢測(cè)方法，通過1臺(tái)AC／DC接口換流器向直流系統(tǒng)疊加低頻電壓分量，在并網(wǎng)DC／DC換流器處檢測(cè)實(shí)現(xiàn)防孤島。給出方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)便可靠，實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)防孤島，實(shí)施成本低且無需增加一次設(shè)備；缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)直流配電網(wǎng)電壓造成輕微低頻波動(dòng)，但幅值很低不會(huì)影響DC／DC換流器另一側(cè)電壓，頻率很低亦不會(huì)對(duì)外形成干擾源。

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Anti?islanding Method for Photovoltaic Power Generation Concerned with DC Distribution Network

GUO Jie，HU Wen?ping，LIU Man
（State Grid Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

DC distribution network is considered as a high reliability and low cost solution for large scale connection of distributed pho?tovoltaic power generation.However，in a DC distribution network，anti?islanding check is difficult due to the reasons that only DC voltage can be used for anti?islanding，and active frequency drift method is not applicable.For photovoltaic power generation concerned with DC distribution network，the proposed anti?islanding method detects electrical islands by injecting low frequency voltage to the network and detecting it as a criterion for no?blind area anti?islanding.Injection mode switch between AC／DC converters is also a?chieved.Simulation results verified the proposed method is feasible for fast anti?islanding in DC distribution network and no false?action during the mode switch.The PV matrix and other DC devices in the network can be normally operated，because the injected component does not transmit to the PV side of DC／DC converter.

Anti?islanding；DC distribution network；Distributed generation；Photovoltaic power；AC／DC converter；DC／DC con?verter

TM615

A

1004－7913（2015）12－0023－05

郭 捷（1985—），男，博士，工程師，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)技術(shù)、高壓直流及柔性交流輸電技術(shù)。

2015－09－21）