國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州市銅山區(qū)供電分公司 謝雨函

1 新能源并網(wǎng)的電力電子控制

1.1 新能源技術(shù)并網(wǎng)的基本要求

光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，在理想狀態(tài)下，應(yīng)確保新能源電力系統(tǒng)可提供恒定頻率的正弦波，減少各種原因造成電能波動(dòng)問題。根據(jù)上述情況，我國在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對新能源并網(wǎng)做出詳細(xì)規(guī)定：電壓擾動(dòng)。逆變器輸出電壓應(yīng)小于等于并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓的5.0%；頻率擾動(dòng)。當(dāng)頻率大于50.5Hz 或者小于49.5Hz 時(shí)應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉逆變器；直流分量。小于逆變器額定疏導(dǎo)電流的0.5%；功率因數(shù)。大于0.85。

1.2 控制器的實(shí)現(xiàn)方案

1.2.1 控制器選型

控制器是光伏與風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心，具有保護(hù)蓄電池以及平衡系統(tǒng)能量的功能，本文使用脈寬調(diào)制型控制器，該控制器以脈沖形式控制組件，并且可以通過調(diào)整開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間與頻率調(diào)整電流數(shù)值，其蓄電壓越高則證明裝置的電能量越充足。同時(shí)，在大功率的光伏與風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)中，通常將電池設(shè)置為不同分路并作單獨(dú)控制，因此需使用多路控制器，且隨著蓄電池電量不斷充足，控制器即可將新能源發(fā)電支路斷開。

1.2.2 檢測電路實(shí)現(xiàn)

在新能源并網(wǎng)期間，無論是何種充放電控制器都需要根據(jù)蓄電池兩端電壓值控制通斷狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在控制器設(shè)計(jì)中可利用檢測電路采集蓄電池電壓等關(guān)鍵信息，在控制充放電開關(guān)的運(yùn)行參數(shù)后即可調(diào)整并網(wǎng)數(shù)據(jù)。例如當(dāng)反相輸入為基準(zhǔn)電壓時(shí)，則同相輸入為蓄電池的實(shí)時(shí)電壓；如果蓄電池實(shí)時(shí)電壓大于基準(zhǔn)電壓，輸出為高電平，開關(guān)元器件導(dǎo)通時(shí)，則蓄電池對負(fù)載供電。相應(yīng)若蓄電池的實(shí)時(shí)電壓值低于基準(zhǔn)電壓，系統(tǒng)即可認(rèn)定裝置輸出低電平，即可自動(dòng)關(guān)斷開關(guān)元器件[1]。

1.3 逆變器

本文所介紹的光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電的逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)所輸出的電流波形良好，并且各種原因造成的波形畸變率等數(shù)據(jù)應(yīng)明顯低于門檻值；在各種原因造成的系統(tǒng)故障處理中（如系統(tǒng)短路或者喪失主網(wǎng)電壓時(shí)），逆變器可自動(dòng)解列；系統(tǒng)所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)應(yīng)足夠低，確保新能源發(fā)電系統(tǒng)可始終維持在最大功率點(diǎn)；當(dāng)新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生過負(fù)荷情況時(shí)，逆變器可向新能源光伏發(fā)電特性曲線的開路電壓方向調(diào)整運(yùn)行點(diǎn)，將輸入功率限定在特定范圍內(nèi)；設(shè)備噪聲應(yīng)盡可能地低。

圖1 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 最大功率點(diǎn)的追蹤方法

最大功率點(diǎn)追蹤是新能源發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，這是因?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)的發(fā)電量受到自然環(huán)境因素的影響，如風(fēng)量、光照以及溫度等因素的變化都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電量改變。同時(shí)，新能源發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的負(fù)載也會(huì)導(dǎo)致電池輸出特性改變，這是在新能源系統(tǒng)并網(wǎng)中不容忽視的問題。為保證并網(wǎng)安全，應(yīng)通過最大功率點(diǎn)追蹤的方法，將光伏電池工作維持在最大功率點(diǎn)周圍，進(jìn)而提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。

因此，本次研究中采用干擾法，其本質(zhì)思想為：在線路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中增設(shè)控制器，通過該控制器可隨時(shí)監(jiān)測因?yàn)殡妷翰▌?dòng)問題所產(chǎn)生的電壓信號擾動(dòng)；經(jīng)系統(tǒng)處理比較后自動(dòng)判斷產(chǎn)生干擾前后的輸出功率差值，并根據(jù)功率差做出快速反應(yīng)。例如，當(dāng)檢測結(jié)果顯示輸電線路整體處于功率增加狀態(tài)，則系統(tǒng)可按照預(yù)先設(shè)定的方向產(chǎn)生擾動(dòng)信號，通過反追蹤即可確定功率點(diǎn)位置。目前，該方法主要分為兩種形式。

一是固定步長擾動(dòng)法。實(shí)施流程后：采樣新能源發(fā)電系統(tǒng)的電池電壓、電流量并計(jì)算功率→對新能源系統(tǒng)電壓做擾動(dòng)→比較擾動(dòng)前后的數(shù)據(jù)差，當(dāng)二者相同時(shí)，電壓保持不變并直接更新電壓與電流值；擾動(dòng)前后的數(shù)據(jù)不相等，若擾動(dòng)前的數(shù)據(jù)大于擾動(dòng)后，即可向反方向擾動(dòng)；若擾動(dòng)前小于擾動(dòng)后，繼續(xù)沿著原有方向擾動(dòng)。在采用該方法時(shí)，如何選定適宜的步長成為影響功率點(diǎn)追蹤結(jié)果的重要因素，根據(jù)現(xiàn)有并網(wǎng)工程的經(jīng)驗(yàn)可知，隨著步長的增加會(huì)導(dǎo)致追蹤范圍擴(kuò)大，因此有更高風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)控制失靈問題。

二是變步長擾動(dòng)法。該方法在功率電位追蹤期間應(yīng)根據(jù)電池曲線變化情況，根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果快速劃分功率點(diǎn)，包括最大功率點(diǎn)的最近位置與最遠(yuǎn)位置等，通過現(xiàn)場檢測功率點(diǎn)的范圍區(qū)間變化情況即可快速響應(yīng)功率追蹤、檢測結(jié)果。除此之外，在變步長擾動(dòng)法中隨著反應(yīng)過程與最大功率點(diǎn)距離縮短，則步長值會(huì)下降，因此有助于提升相應(yīng)精度，確定最優(yōu)解[2]。

3 新能源發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)檢測方法

3.1 孤島效應(yīng)簡析

分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并網(wǎng)后，導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行方式發(fā)生重大改變，而如何解決分布式新能源技術(shù)并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的孤島效應(yīng)，成為技術(shù)人員不容忽視的問題。所謂孤島效應(yīng)，是指各種原因造成故障事故時(shí)，由于現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)未能針對線路故障問題做出響應(yīng)，尤其是沒有在第一時(shí)間切離市電網(wǎng)絡(luò)后，導(dǎo)致故障點(diǎn)位置的電路供給出現(xiàn)異常，最終形成具有自我供給特性的電網(wǎng)孤島。在新能源技術(shù)并網(wǎng)過程中，孤島效應(yīng)的存在會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，不容忽視。

3.2 孤島效應(yīng)的遠(yuǎn)程檢測

遠(yuǎn)程監(jiān)測中可通過無線通信設(shè)備識(shí)別電力系統(tǒng)運(yùn)行的異常狀態(tài)并產(chǎn)生報(bào)警信息，根據(jù)系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)即可將分布式發(fā)電設(shè)備與電網(wǎng)斷開連接。

傳輸斷路器的跳閘信號識(shí)別。在此類信號識(shí)別中可檢測連接在分布式發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間斷路器與合閘裝置的運(yùn)行狀態(tài)，若因?yàn)楦鞣N原因造成合閘斷開，上述動(dòng)作可利用無線傳輸裝置直接上傳至系統(tǒng)的中央處理器中，系統(tǒng)自動(dòng)利用算法判定孤島范圍，并根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生斷路器的運(yùn)行信號，最終使發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)中解列出來。若新能源發(fā)電系統(tǒng)有固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則發(fā)電機(jī)可通過一定數(shù)量斷路器與電網(wǎng)連接時(shí)，上述信號傳遞過程則可以進(jìn)一步優(yōu)化，即斷路器的狀態(tài)信息可直接上傳至發(fā)電機(jī)中，避免中央處理器需要大量處理信息而造成效率下降的問題。若不同斷路器的開斷狀態(tài)導(dǎo)致配電線路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，則需要運(yùn)用復(fù)雜處理算法確定孤島發(fā)生范圍，導(dǎo)致該方法的數(shù)據(jù)更新煩瑣。

電力線路載波通信技術(shù)。從信息檢測技術(shù)先進(jìn)性來看，通過識(shí)別線路載波情況可評估電力傳輸效果，利用輸電信號傳輸情況判斷是否存在信息孤島問題。例如，通過變電站信號發(fā)生器隨時(shí)跟蹤、記錄所有可識(shí)別的信號，其中在整個(gè)配電線路正常情況下，系統(tǒng)可以檢測出連續(xù)且穩(wěn)定的輸送信號，根據(jù)該信號傳輸特征即可確定存在故障；而在故障發(fā)生后，接收器無法接收信號，或者所接收的信號信息不連續(xù)。根據(jù)上述現(xiàn)象，即可判斷孤島現(xiàn)象的發(fā)生。

在綜合比較上述兩種方法的優(yōu)勢后可以發(fā)現(xiàn)，電力線路載波通信技術(shù)具有操作簡單、系統(tǒng)功能拓展難度低等優(yōu)點(diǎn)，一般只需要增設(shè)一個(gè)信號接收器即可了解線路的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，由于電力線路載波通信技術(shù)可以連續(xù)采集線路信號，因此可靠性更高。但需要注意的是，電力線路載波通信技術(shù)的信號發(fā)生器與接收器的采購成本高，若并網(wǎng)接入時(shí)的設(shè)備少，則會(huì)影響總成本。

3.3 孤島效應(yīng)本地檢測

3.3.1 諧波突變孤島效應(yīng)檢測

考慮到孤島效應(yīng)對整個(gè)電力系統(tǒng)檢測效果的影響，通過諧波突變檢測即可判斷有無諧波畸變值，一旦檢測到諧波畸變即可確認(rèn)存在孤島，若檢測結(jié)果證明孤島效應(yīng)發(fā)生，其原理為：并網(wǎng)運(yùn)行期間諧波所產(chǎn)生的畸變率數(shù)據(jù)差基本可忽視，無限接近于0，此時(shí)可將電網(wǎng)視為低阻抗電壓源。但線路孤島問題的存在會(huì)導(dǎo)致整個(gè)輸電線路電阻值水平發(fā)生改變，尤其是隨著電阻進(jìn)一步提升而導(dǎo)致本地荷載產(chǎn)生諧波變化，在電路檢測中通過識(shí)別上述情況即可判斷是否存在信息孤島。尤其是在本地負(fù)載為非線性時(shí)，孤島現(xiàn)象可能會(huì)造成本地電壓失真等嚴(yán)重問題?；谏鲜鎏匦?，在孤島檢測中通過識(shí)別諧波突變現(xiàn)象作出判斷。

而電壓諧波突變檢測方法在實(shí)施階段也存在一定的技術(shù)問題，例如關(guān)于孤島閾值的選擇直接關(guān)系到檢測結(jié)果精度，只有閾值足夠低才能保證系統(tǒng)檢測結(jié)果的靈敏度，并在孤島效應(yīng)發(fā)生后表現(xiàn)出極高的靈敏度，但是目前關(guān)于閾值的選擇一直是難點(diǎn)。

3.3.2 電壓相位突變孤島效應(yīng)檢測方法

考慮到公共電網(wǎng)在正常狀態(tài)下可視為輸出偏低的電壓源，可維持逆變器端電壓，此時(shí)當(dāng)電網(wǎng)從系統(tǒng)中斷開后，則會(huì)導(dǎo)致逆變器端電壓相位角改變而應(yīng)對可能出現(xiàn)的負(fù)載值改變情況。在孤島效應(yīng)檢測中，考慮到逆變器中存在鎖相環(huán)確保自身輸出的電壓值與電力系統(tǒng)同步，因此在本方法中只需要增加測量逆變器輸出電流相位，并能在電壓電流相位超過閾值時(shí)關(guān)斷的開關(guān)元件即可，具有操作工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。

4 并網(wǎng)接入要求

4.1 接入容量設(shè)置

在光伏發(fā)電與電力發(fā)電接入電網(wǎng)時(shí)，應(yīng)按照當(dāng)?shù)夭⒕W(wǎng)容量初步確定接入容量設(shè)置方式，本文統(tǒng)計(jì)了幾種常見的接入容量確定方法具體資料：小于8kW。新能源電站通常為普通居民接入220V 電壓即可；8kW 至0.4MW?？芍苯咏槿?80V 電壓等級系統(tǒng)；0.4～6.0MW。直接接入10kV 電壓等級系統(tǒng)；＞6.0MW。提升至35kV 及以上電壓等級中。

4.2 介入方式設(shè)計(jì)

專項(xiàng)并網(wǎng)接線方式。當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后但用電量高的地區(qū)，開關(guān)站與變電站的母線間隔數(shù)量少，在新能源發(fā)電接入時(shí)應(yīng)先增加間隔。同時(shí)，在設(shè)置專線時(shí)需配置對應(yīng)的保護(hù)裝置、升壓變壓器、專用電纜等，具有投資偏高等問題，因此為達(dá)到成本控制目的，專線并網(wǎng)接入技術(shù)通常不用于中小型新能源發(fā)電站，目前該方法通常被應(yīng)用在項(xiàng)目資金充裕、光伏容量較大、接入位置較遠(yuǎn)的大型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中。

T 接共用線路并網(wǎng)方式。一般針對小型分布式光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電站中，T 接共用線路并網(wǎng)方式較為常見，該操作方法的核心是將電站出線加裝并網(wǎng)開關(guān)后，直接通過T 接的方式與公用線路連接。此類并網(wǎng)方式的優(yōu)勢是時(shí)間少、成本低、效率高，并且在并網(wǎng)時(shí)通常不需要配置其他專用線路，也不會(huì)因?yàn)檎加冒嘿F的變電站或開閉所間隔。但不容忽視的是，此類并網(wǎng)方式會(huì)直接影響配電網(wǎng)的潮流，造成原有線路的繼電保護(hù)裝置的定值配置方案不適用，進(jìn)而危及電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，不容忽視。

分散接入方式。針對容量更小的分布式光電與風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)，可采用分散式接入方式，例如直接并入配電變壓器的400V 側(cè)，向380V 電壓等級的低壓負(fù)荷供電。在操作階段應(yīng)注意的是，為確保光伏發(fā)電裝置可持續(xù)向電網(wǎng)反向輸出輸送功率，則需要在配電變壓側(cè)位置增設(shè)逆功率保護(hù)裝置。

4.3 接入實(shí)例分析

本單位規(guī)劃的5.5MW 新能源發(fā)電項(xiàng)目采用光伏發(fā)電技術(shù)，由一條35kV 線路供電，在該項(xiàng)目電力系統(tǒng)接入中，新能源電路經(jīng)過斷路器直接連接在配電變壓器低壓側(cè)母線，輸出電能就地消納，不向電網(wǎng)提供有用功率。同時(shí)在新能源發(fā)電站內(nèi)建設(shè)一座0.4kV/10kV 升壓站和一條10kV 線路，當(dāng)新能源系統(tǒng)輸出的電壓利用變壓器集中升壓至10kV 后即可接入企業(yè)車間母線上。

本項(xiàng)目的一次接入系統(tǒng)方案為：光伏發(fā)電站發(fā)電力匯流升壓至10kV 后，通過新建1回10kV 線路接入本單位35kV 變電站2號車間10kV 配電室10kV 母線，在第二次接入系統(tǒng)設(shè)置上，在并網(wǎng)中采取以下措施：將電網(wǎng)系統(tǒng)35kV 進(jìn)線側(cè)配置微機(jī)過電保護(hù)裝置；在10kV 并網(wǎng)線路中增設(shè)微機(jī)過電流保護(hù)裝置；最后配置一套防孤島裝置，該裝置可確保電站有滿意的防孤島功能。通過上述方法，本單位順利解決了光電系統(tǒng)接入的不穩(wěn)定性，配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性顯著提升，使光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出來的電量能最高效地消納，充分體現(xiàn)國家綠色節(jié)能環(huán)保高效的電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展理念。