并网光伏阵列发电最大功率点孤岛检测方法

侯宝华，李建军，罗继东

(塔里木大学，新疆 阿拉尔 843300)

1 引言

并网光伏阵列发电系统在运行时可能出现故障状态，其中孤岛效应是指一种特殊的光伏并网阵列发电故障状态，主要指的是电路中某一区域内有电流通路但实际上没有电流通过的现象[1]。孤立效应的出现会使电压及其频率失去控制，并有可能产生较大波动，对电网和用户设备造成损害[2-4]。由于光伏并网发电系统在电网供电因故障或停电检修而跳闸时，必须具有检测孤岛效应发生的功能，因此，研究人员提出了一些孤岛检测方法。

赵方平[5]等提出一种新型光伏并网发电系统的孤岛检测方法，当光伏并网发电系统发生输出功率与负荷功率检测失效时，借助双边无功功率扰动进行控制，并采用过/欠频检测实现对孤岛的实时检测。实验结果表明。该方法能够有效解决发电系统电能质量不佳的问题。周林[6]等提出一种基于MPPT的新型孤岛检测算法，该算法除了能够实现过/欠频检测之外，还通过参数优化实现了对检测盲区的消除，同时，通过分布扰动算法，降低了功率波动对用电设备的影响。实验结果表明，该算法具有抗干扰性效果。彭访[7]等设计一种适用于光伏发电系统的神经网络最大功率点跟踪控制器，分析发电系统的工作原理，运用BP神经网络与模糊控制方法实现对光伏最大功率点的控制与跟踪。实验结果表明，该方法具有较快的反应速度，并且具有一定的稳定性。

虽然上述传统方法均可以实现对发电系统最大功率点的检测，但上述传统孤岛检测方法存在着检测精度低的问题，为解决这些问题，在传统孤岛检测方法的基础上进行优化设计，及时检测孤岛运行状态，使并网发电系统中的逆变器从公用点上断开，最大限度地保证并网光伏阵列发电工作的安全。

2 并网光伏阵列发电最大功率点孤岛检测方法

2.1 建立并网光伏阵列发电模型

光伏发电原理是将吸收的太阳能转化为电能，实际上就是将能量转化为电能的过程。由于光的反射原理，反射的方向会改变，一部分光被反射，另一部分被电池直接吸收。太阳能电池是并网光伏阵列的重要组成部分，其工作原理是利用半导体单结光伏效应将太阳辐射能直接转化为电能。光致伏特效应是一种物质受光照射时，其内部电荷分布发生变化，从而产生电动势和电流的效应。光伏电池在阳光照射下实现光电转换的过程如图1所示。

图1 光伏电池光电转换示意图

为了对并网光伏阵列的发电原理进行具体分析，以光伏电池及其运行原理为基础构建等效电路，如图2所示。

图2 光伏阵列发电等效电路图Ish

图2中，IVD表示在无太阳光照射时光伏电池的电流；IL表示流向负载的电流；Uoc表示光伏电池开路电压；Rs和Rsh分别表示串联电阻和欧姆电阻。等效电路中各个相关变量的表达式如下

(1)

式中，I0和Isc分别表示等效二极管的反向饱和电流和短路电流；UVD表示二极管的端电压；q表示电子电荷；A、K和T分别表示曲线常数、波兹曼常数和绝对温度。根据光伏阵列的布置，发电模式可分为单指数模式和双指数模式，在局部遮挡的条件下，光伏阵列的功率原理也会发生变化，因此，在实际的孤岛检测过程中，需要结合电网光伏阵列的环境因素，针对具体功率模型进行具体分析。

2.2 设置最大功率点孤岛检测标准

孤岛检测技术能够有效地解决分布式发电系统中的孤岛问题。断网后，能在最短的时间内检测到孤岛发生的位置，效果更佳。当前，国际上通用的分布式发电系统主要接入标准有 IEEE 1547-2000标准和 IEEE 1547-2003标准等。在此次研究中选择IEEE 1547-2000作为孤岛检测标准，具体的标准如表1所示。

表1 并网光伏阵列发电的孤岛检测标准

表1中，fnom和Unom分别表示电网电压频率和幅值的额定值。

2.3 并网光伏阵列发电最大功率点跟踪

并网光伏阵列发电装置将接收到的光能通过相关装置处理，将其转换为便于储存和使用的电能，输出I-V曲线如图3所示。

图3 并网光伏阵列发电装置的电流-电压特性

图3中，Pm表示最大功率的输出；Voc表示两极间的开路电压；Vpm表示在最大功率输出时的工作电压；Ipm表示输出最大功率时的工作电流。

光伏并网发电装置的输出特性曲线具有明显的非线性，当外界环境中光照强度和温度发生变化时，输出功率变化明显。在不同的外部环境中，存在着对应特定工作电压的最大功率输出，称为最大功率点。在目前的光伏系统中，由于光电转换效率仍处于较低水平，对光伏电池的最大功率点跟踪可以显著提高整个光伏系统的转换效率。将光伏电池连接到升压电路，使升压电路的等效输出负载为纯电阻负载，将转换电路视为理想电路，忽略升压电路电感本身的电阻。如果升压电路的输入和输出功率相等，则升压电路可以等效为输入阻抗。可表示为：

R′=RL×(1-D)2

(2)

式中，R′表示Boost电路等效输入阻抗值；D表示Boost电路开关占空比；RL表示负载阻抗。光伏阵列的输出功率为：

(3)

式中，ΔR表示日照强度的变化量；C1和C2均表示电容值。

2.4 孤岛效应的发生机理分析

产生孤岛效应的情况包括：大电网由于系统故障而导致区域电网停电，但光伏并网系统仍通过公共连接点连接到大电网，其输出功率可持续向电网供电；电网中某段线路断开或断跳，使光伏并网系统与所连接点上的负荷形成独立的供电系统；光伏并网开关自主或意外地跳开，但光伏电池继续运行，而不是与当地负荷断开。图4显示了孤岛效应的等效原理图。

图4 孤岛效应等效电路图

图4中，G表示光伏并网发电系统；A表示光伏发电系统与电网连接的公用点；S表示配电开关；T表示升压变压器；L、R、C表示当地负荷，通常包括居民负荷和工业负荷[8]。当光伏阵列发电设备并网时式(4)成立。

(4)

当分布式电源断网时存在

(5)

式中，U2表示断网前公共点电压；U表示断网后公共点电压；ωg和ω0分别表示电网额定角频率和负载谐振角频率。从以上分析可以看出，当分布式电源输出功率与负载消耗功率相差较大时，即功率失配较大时，由于电压和频率变化较大，容易出现孤岛现象[9]。当分布式电源输出与负载消耗功率相差较小时，孤岛检测存在检测盲点。

2.5 并网光伏阵列发电最大功率点孤岛检测实现

通过安装逆变设备，对逆变器的输出电流施加一个恒定的偏置值作为电流参考值，电流输出会影响公共点的电压频率，因此，需要进行孤岛检测[10]。主动频率偏移孤岛检测的工作原理如图5所示。

图5 主动频率偏移孤岛检测工作原理图

图5中，TV表示电网电压的周期；TiDG表示逆变器输出电流的周期；tZ表示死区时间。逆变器的输出电流在正常的并网光伏阵列发电工作中保持同相电压，输出电流的频率取决于锁相环检测公共点电压的频率，每一个电压过零点是电流新半波的起点。在控制系统中加入主动频率偏移检测程序后，在上一个周期的共同点电压频率的基础上，增加控制系统中PV逆变器输出电流的给定信号偏移作为周期电流的给定频率。当输出电流变为零而电压未到零时，电流置零保持tZ时间，直到电压也过零。逆变器的输出电流在下半周期为该周期的负半周波，当逆变器输出电流再次提前到零点时，电流再次置零，直至电网电压下一个过零点为止。

在分布式电源并网运行过程中，电压的过零点保持不变，且算法不影响电压频率。在分布式电源孤岛运行时，由于电压受算法和负载的影响，过零点会发生偏移，从而引起电压频率的变化，由此可得到改变后的并网光伏阵列发电系统的电压频率，并得出断网后电压幅值的具体取值结果。把得到的电压频率和电压幅值结果与表1的孤岛检测标准相比较，就可以得到当前并网光伏阵列发电的最大功率孤岛状态。

3 性能检测实验分析

为了测试设计的并网光伏阵列发电最大功率点孤岛检测方法的检测性能，设计性能测试实验。实验中选择并网光伏阵列发电网络作为实验的主要研究环境，各个光伏阵列元件的基本参数设置情况如表2所示。

表2 发电网光伏阵列元件参数

在该实验环境下，设置传统的新型光伏并网发电系统的孤岛检测方法(文献[5]方法)和基于MPPT的新型孤岛检测算法(文献[6]方法)作为此次实验的两种对比方法，并利用相同的软件开发工具进行开发和运行，在测试PC机页面中显示对应的检测界面。实验中总共设置3类不同的状态，第一种为正常的状态，即光伏阵列发电网络能够正常并网运行，第二种为孤岛状态，此时发电网络脱离了电网从而形成孤岛，最后一种状态为伪孤岛状态，具体包括负载的突变状态、谐波扰动状态、短路状态以及和电网电压突变状态。

为了实现并网光伏阵列发电最大功率点孤岛检测方法性能的量化对比，确定实验的具体状态以此作为检测精度的标准数据结果，并进行多次实验保证实验结果的可信度。经过并网光伏阵列发电网络运行状态的控制，得出正常并网运行状态下电网中的电流波形如图6所示。

图6 正常并网运行状态下电网电流波形图

当并网光伏阵列发电最大功率点存在孤岛效应时，运用设计孤岛检测方法检测得出的结果波形如图7所示。

图7 孤岛检测实验波形图

当检测结果输出的波形与图7中的波形一致时，默认当前的并网光伏阵列发电最大功率点存在孤岛效应。

采用三种检测方法得出检测精度的对比结果，如表3所示。

表3 孤岛检测精度测试对比结果

从表3中可以看出，相比于两种孤岛检测对比方法，设计孤岛检测方法的检测结果与发电网设置状态的重合度更高，即设计方法的孤岛检测精度更高。这是由于该方法通过设置孤岛检测标准，将收集到的电压频率和电压幅值数据与设置的检测标准进行比对，从而得到准确的并网光伏阵列发电最大功率点孤岛检测结果。

4 结束语

在深入了解并网光伏阵列发电发展现状的基础上，分析了研究光伏发电系统中最大功率跟踪技术的必要性以及重要意义，并在此基础上实现了对并网光伏阵列发电系统孤岛效应的有效检测。从实验结果来看优化设计的检测结果在应用性能方面有所提升，将研究的孤岛检测方法应用到实际的并网光伏阵列发电网络管理工作中，以期提高光伏发电网的稳定性和安全性。