大型光伏電站故障檢測(cè)與控制技術(shù).pdf

1、人類社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)對(duì)能源的利用，化石能源是人類主要利用的能源，包括煤、石油和天然氣。然而，化石能源具有不可再生性，其儲(chǔ)存量隨著人類的開(kāi)發(fā)而急劇下降，在不遠(yuǎn)的未來(lái)化石能源將完全耗盡。此外，在對(duì)化石能源的利用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生污染，降低環(huán)境質(zhì)量。近年來(lái)，為了應(yīng)對(duì)全球性的能源和環(huán)境危機(jī)，世界各國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)各類可再生能源，太陽(yáng)能光伏發(fā)電因具有儲(chǔ)存量大、分布廣泛、清潔環(huán)保、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛的應(yīng)用。大型并網(wǎng)光伏電站可以對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行集中高效利

2、用，有利于擴(kuò)大太陽(yáng)能光伏發(fā)電規(guī)模，從而成為了近期太陽(yáng)能光伏發(fā)電的重點(diǎn)。隨著大型并網(wǎng)光伏電站的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，許多國(guó)家都制訂了嚴(yán)格的并網(wǎng)準(zhǔn)則以保證電網(wǎng)安全，為了滿足光伏電站的并網(wǎng)準(zhǔn)則同時(shí)保證光伏電站的安全運(yùn)行，需要對(duì)大型并網(wǎng)光伏電站的故障穿越與控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。
　　因此，本文在分析大型并網(wǎng)光伏電站結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分別針對(duì)大型并網(wǎng)光伏電站的故障穿越方法與控制方法展開(kāi)了研究。提出了一種適用于鎖相環(huán)的直流分量

3、快速抑制方法，利用相鄰采樣點(diǎn)的相關(guān)計(jì)算，可以快速地濾除直流分量，達(dá)到快速、準(zhǔn)確檢測(cè)大型光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓基波分量信息的目的;在準(zhǔn)確鎖相的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于光伏電站低電壓穿越的電壓檢測(cè)算法，可以在大型光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)三相不對(duì)稱跌落、諧波干擾、頻率變化以及相角突變時(shí)快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)電壓跌落幅度，同時(shí)可分相檢測(cè)三相并網(wǎng)點(diǎn)電壓的幅值，為準(zhǔn)確進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償提供依據(jù)，最終可以輔助光伏電站實(shí)現(xiàn)低電壓穿越;為了在實(shí)現(xiàn)光伏電站低電壓穿越的同時(shí)實(shí)

4、現(xiàn)孤島檢測(cè)，提出了一種低電壓穿越與孤島同步檢測(cè)的無(wú)功功率擾動(dòng)算法，僅使用該方法即可同時(shí)完成光伏電站的低電壓穿越與孤島檢測(cè)兩種功能，與典型方法相比，檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜程度大幅降低，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果更為統(tǒng)一，檢測(cè)時(shí)間也有顯著的縮短。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)三相逆變器的鎖相技術(shù)研究。
　　鎖相環(huán)是三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其可以保證三相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電流與并網(wǎng)點(diǎn)電壓同頻同相，從而保證大型并網(wǎng)光伏電站的準(zhǔn)確并網(wǎng)

5、。本文分析了鎖相的原理、鎖相環(huán)分類以及常見(jiàn)的三相鎖相環(huán)。基于同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)在并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)各類畸變，譬如電壓三相不平衡、頻率波動(dòng)、相角突變以及諧波干擾時(shí)，無(wú)法快速、準(zhǔn)確地完成鎖相任務(wù)。因此，本文介紹了幾種新型的鎖相環(huán)，包括多參考系鎖相環(huán)(multiple reference frame phase-locked loop，MRF-PLL)、解耦雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)(decoupled double synchronous refer

6、ence framephase-locked loop，DDSRF-PLL)、二階廣義積分器的鎖相環(huán)(second-ordergeneralized integrator phase-locked loop，SOGI-PLL)、雙二階廣義積分器的鎖相環(huán)(double second-order generalized integrator phase-locked loop，DSOGI-PLL)、增強(qiáng)型鎖相環(huán)(enhanced phase

7、-locked loop，EPLL)，以上鎖相環(huán)在并網(wǎng)點(diǎn)電壓存在畸變時(shí)可以對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓信息進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測(cè)。并網(wǎng)點(diǎn)電壓中可能存在的直流分量也會(huì)影響鎖相環(huán)的正常工作，直流分量的產(chǎn)生原因有多種:1）控制系統(tǒng)反饋通道的零點(diǎn)漂移會(huì)產(chǎn)生直流分量;2）系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)電壓會(huì)存在衰減的直流分量;3）元件參數(shù)的不一致也會(huì)產(chǎn)生直流分量，比如逆變器的各個(gè)元件參數(shù)的開(kāi)關(guān)特性不同，從而導(dǎo)致輸出的正弦波不對(duì)稱，即輸出信號(hào)中存在直流分量。本文分析了幾種典型的可消

8、除電壓直流分量的鎖相環(huán)，以上鎖相環(huán)消除電壓直流分量的原理是利用積分分支對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓中的直流分量進(jìn)行計(jì)算，然后由采樣電壓信號(hào)減去計(jì)算得出的直流分量值，從而得出基波電壓信號(hào)。由于典型的可消除電壓直流分量的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，故本文提出了一種新的直流分量消除方法，可以快速地濾除電壓中的直流分量。將基于該方法的直流分量消除模塊應(yīng)用于三相鎖相環(huán)后，改進(jìn)的三相鎖相環(huán)可以快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓基波分量的幅值與相角，滿足大部分對(duì)檢測(cè)時(shí)間要求較高

9、的應(yīng)用需求。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓中諧波含量較大時(shí)，可以在改進(jìn)的三相鎖相環(huán)基礎(chǔ)上再添加基于串聯(lián)延時(shí)對(duì)消原理的串聯(lián)延時(shí)對(duì)消模塊，消除低次諧波的影響。此外，在并網(wǎng)點(diǎn)電壓的畸變（直流分量和低次諧波）出現(xiàn)和消失時(shí)本文所提出的改進(jìn)鎖相環(huán)都可以對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓信息進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測(cè)。
　　(2)低電壓穿越的電壓檢測(cè)技術(shù)研究。
　　本文介紹了電壓跌落的定義、電壓跌落的分類以及我國(guó)低電壓穿越規(guī)則。然后介紹了四種基本的電壓跌落檢測(cè)方法（有效值計(jì)算法、峰值算法、

10、離散傅里葉算法以及基于同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)）的電壓跌落檢測(cè)原理，并通過(guò)仿真分析了基于同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)在不同并網(wǎng)點(diǎn)電壓條件下檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)基本的電壓跌落檢測(cè)方法在并網(wǎng)點(diǎn)電壓畸變時(shí)很難準(zhǔn)確檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值，進(jìn)而分析了一些電壓跌落檢測(cè)方法的改進(jìn)方法，改進(jìn)后的電壓跌落檢測(cè)方法性能有所提高。通過(guò)分析我國(guó)光伏電站的低電壓穿越規(guī)則(GB/T19964-2012)，指出電壓跌落深度的檢測(cè)時(shí)間要盡量縮短，為無(wú)功電流

11、的發(fā)出留下充裕的時(shí)間，而現(xiàn)有的電壓跌落檢測(cè)方法很難滿足我國(guó)低電壓穿越規(guī)則的要求，針對(duì)我國(guó)低電壓穿越規(guī)則對(duì)電壓跌落檢測(cè)快速性的要求，提出了一種新的適用于大型光伏電站低電壓穿越的電壓跌落快速檢測(cè)方法，其由一個(gè)基于同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)和兩個(gè)電壓檢測(cè)模塊組成?？焖贆z測(cè)模塊由最大值點(diǎn)追蹤子模塊與過(guò)零點(diǎn)追蹤子模塊組成，通過(guò)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓最大值點(diǎn)與過(guò)零點(diǎn)的追蹤，可以在并網(wǎng)點(diǎn)電壓正常時(shí)快速（5ms之內(nèi)）檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值。準(zhǔn)確檢測(cè)模塊在快速檢測(cè)模塊的基礎(chǔ)

12、上添加串聯(lián)延時(shí)對(duì)消模塊，可以消除常見(jiàn)低次諧波，進(jìn)而檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值。本文分析了在并網(wǎng)點(diǎn)電壓頻率出現(xiàn)變化對(duì)本文所提出的并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值跌落檢測(cè)方法的影響。然后提出了該電壓跌落檢測(cè)方法的控制流程圖，進(jìn)而提出了一套邏輯算法，該算法可以提高光伏并網(wǎng)逆變器無(wú)功補(bǔ)償?shù)目焖傩耘c準(zhǔn)確性。本方法可以在并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)三相不對(duì)稱跌落、諧波干擾、頻率變化以及相角突變時(shí)快速準(zhǔn)確地檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落幅度，同時(shí)可分相檢測(cè)三相并網(wǎng)點(diǎn)電壓的幅值，為準(zhǔn)確進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償提供依

13、據(jù)。綜上，本文所提出的并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落檢測(cè)方法可以使光伏并網(wǎng)逆變器滿足新國(guó)標(biāo)對(duì)低電壓穿越的要求。
　　(3)大型光伏電站的孤島檢測(cè)技術(shù)研究。
　　本文介紹了孤島的定義、孤島發(fā)生的原因及危害以及孤島檢測(cè)的原理。然后介紹了三種遠(yuǎn)程孤島檢測(cè)方法（傳輸斷路器跳閘信號(hào)法、電力線路載波通信法以及阻抗插入法）、四種被動(dòng)孤島檢測(cè)方法（過(guò)/欠電壓孤島檢測(cè)法、過(guò)/欠頻率孤島檢測(cè)法、諧波孤島檢測(cè)法、電壓相角突變孤島檢測(cè)法）、五種主動(dòng)孤島檢測(cè)方法（阻

14、抗測(cè)量法、有源頻率偏移法、帶有正反饋的有源頻率偏移法、滑模頻率偏移法、輸出功率擾動(dòng)法）的工作原理。此外，還分析了孤島檢測(cè)失敗的原因。低電壓穿越規(guī)則提出后，光伏電站需要同時(shí)完成低電壓穿越與孤島檢測(cè)，現(xiàn)有的低電壓穿越方法和孤島檢測(cè)方法無(wú)法進(jìn)行簡(jiǎn)單的功能組合以實(shí)現(xiàn)兩者的同步檢測(cè)。所以本文提出了一種由雙二階廣義積分器的鎖相環(huán)、功率擾動(dòng)模塊以及孤島檢測(cè)模塊組成的無(wú)功功率擾動(dòng)方法。該方法首先由雙二階廣義積分器的鎖相環(huán)對(duì)光伏電站的并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值和頻率

15、進(jìn)行檢測(cè)，然后控制光伏電站輸出無(wú)功電流，同時(shí)利用輸出的無(wú)功功率進(jìn)行功率擾動(dòng)，可同時(shí)滿足低電壓穿越運(yùn)行與孤島快速檢測(cè)的要求。所提出的方法與現(xiàn)有方法相比，檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜程度大幅降低同時(shí)檢測(cè)結(jié)果更為統(tǒng)一，檢測(cè)時(shí)間也有顯著的縮短。本方法可以在光伏電站額定運(yùn)行與非額定運(yùn)行時(shí)，準(zhǔn)確區(qū)分光伏電站的孤島狀態(tài)與低電壓狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)光伏電站實(shí)施準(zhǔn)確的操作，保證光伏電站的安全運(yùn)行。此外，在光伏電站出現(xiàn)特殊運(yùn)行工況時(shí)，本文所提出的無(wú)功功率擾動(dòng)方法的有效性和實(shí)用性依