大规模光伏电站孤岛运行方式分析①

战 杰， 马梦朝， 张 彦， 赵义术

(国网技术学院电网检修培训部， 济南 250002)

大规模光伏电站孤岛运行方式分析①

战 杰， 马梦朝， 张 彦， 赵义术

(国网技术学院电网检修培训部， 济南 250002)

为提高光伏电站并网运行情况下供电的可靠性，文中提出了在传统光伏电站主控与监测系统中扩展孤岛检测与能量管理功能的方法。当检测到光伏电站处于孤岛运行状态时，根据上一时刻采集到的并网电压推算逆变器参考电压相位，并调整逆变器控制策略，使光伏电站根据负荷情况调整电流输出。通过对大规模光伏电站接入的实际配电网络的仿真分析表明，该方法能够实现光伏电站由并网运行方式到孤岛运行方式的无缝切换，从而提高光伏电站并网运行情况下供电的可靠性。

光伏电站； 并网运行； 孤岛运行； 孤岛检测； 能量管理

太阳能作为一种清洁无污染、可再生的能源，目前越来越多地受到人们的关注。光伏发电技术是利用太阳能替代石油、天然气、煤炭等化石能源产生电能的一种新技术。在环境污染、生态破坏等一系列环境问题凸现的今天，光伏发电技术显现出更大的优势。目前的并网光伏电站规模相对较小，一般在kW级，因此电网更多地将其作为一个辅助电源甚至负荷来考虑。一旦电网出现故障，要求立即中止光伏并网发电系统对电网的供电[1～4]。然而随着光伏发电技术的不断发展，光伏电站规模已经能够达到MW级甚至10MW级，而此类大规模光伏电站并入电网之后对当地配电网的影响至今未见文献研究，在这种情况下仍然将其作为电网中的辅助电源甚至是负荷，是不太合理的，也体现不出紧急状态下大规模光伏电站对电网的支撑作用。因此，分析此类光伏电站孤岛运行状态下的特性，对于今后大规模光伏电站的发展与运行是非常有帮助的。

1 光伏电站并网运行方式

光伏电站可根据结构不同分为单级变换系统和两级变换系统[2～5]，如图1所示。两种系统都需要经过并网逆变器出口，在外接电网运行时，逆变器监测电网侧的电压相位并对输入的直流电压进行正弦脉冲宽度调制SPWM(sinusodial pulse width modulation)，输出正弦波到电网侧。

图1 光伏电站结构分类Fig.1 Structural classification of PV power station

目前光伏电站并网发电采用的电气系统连接图如图2所示(参见GB/T 19939-2005)。该接线方式中，当光伏电站并网接口失压时，防孤岛保护应在2 s内动作，将光伏系统与电网断开。

图2 传统型光伏并网电气系统连接图Fig.2 Traditional connection diagram ofgrid-connected PV power system

采取以上措施意在避免损害故障电网电力线路、造成设备检修的工作人员伤亡事故以及防止电网恢复供电时由于电网和光伏电站出口的输出电压相位存在较大差异，在一瞬间产生很大的冲击电流而损坏设备。光伏电站出口的防孤岛运行检测通常采用，如电压监视、相位监视、频率偏移监视等被动检测方法，以及有功无功扰动法、主动频率偏移法等主动检测方法[6～8]。

在电网电压和频率恢复到正常范围后的20 s到5 min内，光伏系统不应向电网送电。此种方案虽有光伏系统接入，但并未提高当地负荷的供电可靠性。

图3给出了图2中逆变器并网运行控制的一种典型方式。它使用并网侧三相电压通过锁相环获得电压A相相位，并根据此相位产生于电网电压同频同相的正弦波信号与一高频三角波相比，输出控制逆变器三极管导通/关断的信号。

图3 逆变器并网运行控制方式Fig.3 Grid-connected inverter control mode

在此控制方式下，光伏电站只输出有功，有功功率输出由光照及温度决定，在网络潮流仿真中作为P=Pmax，Q=0的PQ发电节点，即负的PQ负荷节点。

2 光伏电站孤岛运行方式

为提高光伏电站接入后系统供电可靠性，并在紧急或灾变情况下为系统重要负荷或系统恢复提供电源支撑，本文提出一种光伏电站孤岛运行模式。为实现所提光伏电站孤岛运行，需在图2主控与监测系统中扩展孤岛检测与能量管理子系统。

孤岛检测与能量管理子系统的主要作用包括：

1)孤岛检测与控制，通过监测电网侧和光伏电站侧的电压、电流、频率、开关状态等有关量，对电网是否故障、是否掉电、光伏电站内是否故障等及时作出判断，在故障或电网掉电情况下，及时跳开并网控制断路器，并启动后续有关功能；

2)信息中继，完成光伏电站与上、下级调度或有关控制系统的信息通讯；

3)光伏电站发电负荷预测；

4)能量管理与控制，在光伏电站并网运行方式下，接收和执行调度或有关控制系统指令，确定光伏电站有功控制策略，比如执行最大功率跟踪、按定值有功控制等；在孤岛运行方式下，实现有功发电与负荷的匹配、有功备用设置、低压减载、频率控制等；

5)无功电压管理，在光伏电站并网运行方式下，接收和执行调度或有关控制系统指令，确定光伏电站无功控制策略，比如定值无功控制等；在孤岛运行方式下，实现无功发电与负荷的匹配、无功备用设置与自动投切等。

孤岛检测与能量管理子系统一旦检测到光伏电站处于孤岛运行状态，保护装置动作，只跳图2中的开关1，同时光伏电站进入孤岛运行模式。此时不是将光伏电站退出运行，而是根据上一时刻采集到的并网电压推算逆变器参考电压，保持继续运行，并不再控制电流与电压同相位，使光伏电站根据负荷情况调整电流输出。对于只有一个并网节点(对应一台或一组逆变器)的光伏电站(一般容量较小)，在仿真分析和控制中该节点作Vθ节点处理，此节点注入并网点的有功功率和无功功率由能量管理系统根据潮流计算或有关控制装置的输出确定；对于大型光伏电站，一般由多组光伏方阵、分别通过各自逆变器并网运行，在孤岛运行方式下，由能量管理系统确定一个较大型光伏阵列作Vθ节点，选择尽量少的部分节点(对电网电压有支撑作用)作PV节点，其余部分做PQ(Q=0)节点，以实现对太阳能的最大利用。在配置储能设备的光伏电站供电系统中，可首选储能设备并网点为Vθ节点。

孤岛运行方式下，光伏电站同时发出有功功率和无功功率，能量管理系统实现有功和无功的匹配控制，按照负荷不高于可用发电能力的一定比例(比如有功负荷不高于可用发电能力的90%)控制。留有一定比例的发电能力做备用，满足负荷随机波动变化的需求。在此方式下，可实现对重要负荷的不间断供电，也可为电网停电后的黑启动等提供所需部分功率，储能设备不是必须条件。

在孤岛运行方式下，监控设备不断监测电网的状态，在电网状态恢复到正常状态后的20 s到5 min后，能量管理子系统调整光伏电站控制策略，控制逆变器的输出电压的幅值和相位，实现与电网电压的同期后，闭合开关1，恢复光伏电站并网运行。

本文对所提出的孤岛运行控制方式下的逆变器工作情况进行了仿真，其原理如图4所示。仿真中使用了较为快速的电压/频率监视法，即采集光伏电站出口的电压有效值和频率值，并和设定值比较，如果发现电压/频率超出范围，即认为光伏电站处于孤岛运行状态，但此时可以不将光伏组件退出运行，而是根据上一时刻采集到的并网电压推算逆变器参考电压相位，保持继续运行，并不再控制电流与电压同相位，使光伏电站根据负荷情况调整电流输出。

图4 逆变器孤岛运行控制方式Fig.4 Island-operating inverter control mode

从运行仿真结果图5、图6中可以看出，由并网运行方式转入孤岛运行方式后，逆变器输出电压略微有所降低，相位基本连续，而输出电流相位发生了突变，说明逆变器根据负载的情况调整了输出电流。

图5 逆变器输出电压波形Fig.5 Voltage waveform output by inverter

图6 逆变器输出电流波形Fig.6 Current waveform output by inverter

3 仿真分析

本文针对光伏电站并网运行方式及所提出的孤岛运行方式，结合一个实际的110 kV网络进行仿真分析。仿真工具使用了MATLAB的电力系统分析工具箱PSAT(power system analysis toolbox)[9，10]。

仿真用的配电网络结构如图7所示，共35个节点，有110 kV、35 kV、10 kV及0.4 kV四个电压等级，共有负荷有功30 MW、无功10 MVar，总容量10 MW的光伏阵列分散接入0.4 kV母线，如表1所示。并网运行时，光伏电站只输出有功功率，总输出曲线及网络中几个节点电压如图8、9所示。

图7 10 MW光伏电站接入电网系统图Fig.7 10 MW PV station connected to the distribution grid

假设在光照强度700 W/m2，太阳能电池板温度324 K(51℃)下，110 kV母线突然失电，由于光伏阵列最多供给10 MW功率，所以必须考虑切除负荷，切除某一35 kV母线上的20 MW负荷之后，光伏阵列转入孤岛运行状态(表2)，110 kV母线上的功率为负值表明此时网络可以向外输出功率。

图8 光伏阵列输出变化曲线Fig.8 PV array output curve

图9 节点电压变化曲线Fig.9 Node-voltage curves表2 孤岛运行下母线状态Tab.2 Bus state in island operation mode

母线V(p.u.)Phase/radPgen(p.u.)Qgen(p.u.)Pload(p.u.)Qload(p.u.)1-0.410.089430.001360.000330.00210.000811-101.04080.1440300002-0.410.32950.0120.00132002-101.010.0252100003-0.41.04360.1502200003-101.04360.1502200004-0.410.374770.0050.000490.0020.000775-1-0.411.05050.0120.004810.00140.000545-2-0.410.982670.0120.004360.0020.000775-101.040.1417400006-0.410.756620.009640.002350.0020.000776-101.04450.151790000T1_11010.00013-0.04063-0.0003100

如果在孤岛运行状态下配电网内部再次发生故障，则配电网还可以进一步解列为每个光伏阵列对自己10 kV或0.4 kV母线上的负荷进行供电的模式，此时相当于光伏电池独立运行，各子网络之间不再有电气联系，潮流仿真结果如表3。

表3 解列运行下母线状态Tab.3 Bus state in system splitting mode

潮流仿真显示，在孤岛运行情况下光伏电站可以为外部提供有功及无功输出，维持重要负荷的供电。

从稳态运行仿真的结果可以看出，利用大规模光伏电站的孤岛运行，可实现对电网的支撑作用。但在由并网运行向孤岛运行状态转移的过程中，需要配置较大容量的储能装置，实现由并网运行向孤岛运行的无缝切换。或者在经历极短时间的停电后，通过与储能或其它分布式发电形式，如冷热电联供微型燃气轮机或内燃机的相互配合，来实现孤岛运行。

4 结语

本文分析了光伏电站并网运行方式，提出了一种光伏电站的孤岛运行控制方式，认为大规模光伏电站在接入地配电网失电的情况下可以不必停止运行，而是按照孤岛运行方式为当地重要负荷提供功率支撑。同时对一个实际的110 kV配电网络接入总容量10 MW光伏阵列的情况做了正常运行状态下和故障状态下孤岛运行的潮流仿真，证明了该方法能够实现光伏电站由并网运行方式到孤岛运

行方式的无缝切换，从而提高供电可靠性。

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AnalysisforIslandingofLarge-scalePhotovoltaicPowerStationOperation

ZHAN Jie， MA Meng-chao， ZHANG Yan， ZHAO Yi-shu

(Department of Grid Maintenance Training， States Grid of China Technology College,Jinan 250002, China)

For improving the supply reliability of whole PV station, an updated islanding detection and energy management method, which applied in traditional master control and monitoring system of photovoltaic (PV) power station, was proposed in the paper.When the islanding operation of PV station is detected, the proposed method will predict phase angle of inverter references with collected data, and change the inverter control strategy,so that the PV station can adjust its output current according to the load requirement. Simulations of large-scale PV station in distribution network show that the proposed method can achieve transformation from grid-tied operation to islanding operation seamlessly, and improve the PV station operational reliability.

photovoltaic power station； grid-connected operation； islanding operation； islanding detection； energy management

2010-11-09

2010-12-09

山东电力集团公司重大科技项目(2010A-102)

TM615

A

1003-8930(2011)02-0076-05

战 杰(1981-)，男，讲师，研究方向为新能源发电并网技术、电力系统继电保护。Email:zhj94793@163.com

马梦朝(1983-)，男，工程师，研究方向为新能源发电并网技术。Email:mmc6324@163.com

张 彦(1985-)，女，工程师，研究方向为新能源发电并网技术、电力电子。Email:zhangyanchina@126.com