單相光伏并網(wǎng)系統及其反孤島策略的仿真研究
能源緊缺,環(huán)境惡化是日趨嚴重的全球性問(wèn)題。太陽(yáng)能作為一種綠色可再生能源,正在從補充能源向著(zhù)替代能源的方向轉變。光伏利用已成為世界各國爭相發(fā)展的熱點(diǎn),光伏并網(wǎng)發(fā)電作為太陽(yáng)能光伏利用的發(fā)展趨勢,得到了快速的發(fā)展。然而,隨著(zhù)投入使用的并網(wǎng)逆變裝置增多,其輸出的并網(wǎng)電流諧波對電網(wǎng)電壓的污染也不容忽視,針對單純PI控制的缺點(diǎn),對光伏并網(wǎng)系統中逆變器的控制進(jìn)行了改進(jìn),采用重復控制和PI控制相結合的電流跟蹤控制策略。重復控制可以抑制網(wǎng)側和負載側對并網(wǎng)輸出電流的周期性擾動(dòng),降低并網(wǎng)電流的總諧波畸變系數;PI控制則利用偏差調節原理,使逆變器輸出并網(wǎng)電流實(shí)時(shí)跟蹤參考正弦給定信號。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統直接將太陽(yáng)能逆變后饋送給電網(wǎng),所以需要有各種完善的保護措施。對于通常系統工作時(shí)可能出現的功率器件過(guò)流、功率器件驅動(dòng)信號欠壓、功率器件過(guò)熱、太陽(yáng)電池陣列輸出欠壓以及電網(wǎng)過(guò)壓、欠壓等故障狀態(tài),比較容易通過(guò)硬件電路檢測,配合軟件加以判斷、識別并進(jìn)行處理。但對于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統來(lái)說(shuō),還需要考慮在一種特殊的故障狀態(tài)下的應對方案,即孤島效應的防止和對策。
l 并網(wǎng)系統控制策略
為了使逆變器輸出良好的并網(wǎng)電流波形,必須對逆變器的輸出并網(wǎng)電流進(jìn)行閉環(huán)控制,而采用傳統的PI控制來(lái)跟蹤正弦給定信號時(shí),存在如下一些局限性:
(1)當跟蹤信號為快速變化的正弦波時(shí),從理論上來(lái)說(shuō),整個(gè)系統是個(gè)有差系統,不可能做無(wú)靜差跟蹤;
(2)雖然可以通過(guò)增大比例系數來(lái)減小穩態(tài)誤差,但是,比例系數增大會(huì )導致控制精度的降低,甚至會(huì )使系統產(chǎn)生振蕩;另外,增大比例系數還可能會(huì )同時(shí)放大噪聲信號,因此,比例系數不可能取的太大。
1.1 重復控制策略
采用單純的PI控制,由于無(wú)法有效改善逆變器非線(xiàn)性因素的影響,必須引入新的控制策略和控制環(huán)節。20世紀80年代,Inoue等人根據內模原理提出了重復控制思想。在穩定的閉環(huán)系統內設置一個(gè)可在以產(chǎn)生與參考輸入同周期的內部模型,從而使系統實(shí)現對外部周期性參考信號的漸近跟蹤。重復控制系統如圖l所示。由于它具備優(yōu)秀的魯棒性,對于消除非線(xiàn)性負載及其他周期性干擾引起的波形畸變具有明顯的效果。
重復控制器由周期延遲環(huán)節z-N、一階低通濾波器Q(z)和補償器S(z)組成。P(z)為受控對象的傳遞函數,d為擾動(dòng)信號,Ⅳ為每周期采樣次數,S(z)為一個(gè)補償環(huán)節,使系統在中低頻段為單位增益,無(wú)相位滯后環(huán)節。雖然重復控制能夠對周期性參考正弦給定信號實(shí)現無(wú)穩態(tài)誤差的跟蹤控制,但存在對誤差的跟蹤控制滯后一個(gè)參考周期后才輸出的特點(diǎn)。綜合考慮,將重復控制與PI控制兩種策略結合起來(lái),使系統兼具良好的穩態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
1.2 重復控制系統仿真
本仿真系統中,參考正弦波為50Hz,逆變器的開(kāi)關(guān)頻率為20kHz,因此采用頻率fs=20kHz,故可以確定每周期的采樣拍數N=400。顯然周期延時(shí)環(huán)節z-N=z-400,取濾波器的Q值為0.95。圖2所示為仿真模型圖,圖3為仿真結果圖??芍?,將重復控制應用在并網(wǎng)逆變器系統中,改善了發(fā)電系統的輸出電流波形,改善了穩態(tài)誤差。
2 孤島效應
2.1 孤島效應的產(chǎn)生
所謂孤島效應,根據美國Sandia國家實(shí)驗室提供的報告指出,當電力公司的供電,因故障事故或停電維修而跳脫時(shí),各個(gè)用戶(hù)端的太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統未能即時(shí)檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電網(wǎng)絡(luò ),而形成由太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統和周?chē)呢撦d形成的一個(gè)電力公司無(wú)法掌握的自給供電孤島。
光伏并網(wǎng)系統與本地負載相連,通過(guò)投閘開(kāi)關(guān)連接到配電網(wǎng)上,其拓撲結構如圖4所示,當電網(wǎng)停電時(shí)則形成孤島。
2.2 孤島效應的檢測
當孤島一旦產(chǎn)生將會(huì )危及電網(wǎng)輸電線(xiàn)路上維修人員的安全;影響配電系統上的保護開(kāi)關(guān)的動(dòng)作程序,沖擊電網(wǎng)保護裝置;影響傳輸電能質(zhì)量,電力孤島區域的供電電壓與頻率將不穩定;當電網(wǎng)供電恢復后會(huì )造成相位不同步;單相分布式發(fā)電系統會(huì )造成系統三相負載欠相供電。因此對于一個(gè)并網(wǎng)系統必須能夠進(jìn)行孤島效應檢測。
孤島效應檢測技術(shù)在并網(wǎng)逆變器側主要可分為主動(dòng)式檢測和被動(dòng)式檢測。另外,孤島效應也可以在電網(wǎng)側進(jìn)行遠程檢測,比如利用電力載波通訊等手段實(shí)時(shí)監控電網(wǎng)狀態(tài)。孤島效應檢測是逆變器并網(wǎng)不可缺少的保護檢測之一。孤島檢測的方案也多種多樣,各方案特點(diǎn)分析以及適用場(chǎng)合總結見(jiàn)表1。
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