光伏系統(tǒng)逆功率保護的基本原理

目前分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)模式可分為自發(fā)自用余電上網(wǎng)型、全部上網(wǎng)和全部自用型三種，前兩種模式較為普遍，而對于某些特殊地區(qū)用戶側(cè)的并網(wǎng)模式必須采用全部自用型,即多余電量不允許通過低壓配電變壓器向上級電網(wǎng)逆向送電，在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由于外部輻照和溫度不斷變化，光伏方陣的出力也會隨著變化，為達到防逆流控制的效果,又能使系統(tǒng)匹配負載將電能消耗掉，系統(tǒng)需要配置防逆流控制器，通過實時監(jiān)測交流端低壓側(cè)電網(wǎng)的電流方向信號來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)電功率，文中對光伏不上網(wǎng)系統(tǒng)逆功率保護技術(shù)原理進行簡要的介紹和分析。 　　1.防逆流控制裝置的基本原理 　　防逆流控制的基本原理是依靠交流電流互感器來采集電流方向信號反饋到防逆流控制器，并控制接觸器線圈的兩端引線A1和A2的通電或斷電，從而使接觸器的觸點動作，控制我們想要控制的逆變器的功率輸出。正常情況下，A1和A2串聯(lián)至控制回路，接觸器吸合，A1和A2之間有一定的電壓，如圖1為交流并網(wǎng)柜內(nèi)最簡單的防逆流控制原理圖，逆變器以三相四線接入，經(jīng)過斷路器和交流接觸器后連至銅排輸入端，銅排左側(cè)連至380V電網(wǎng)，銅排輸出端接至負載端。A1和A2是交流接觸器兩個獨立的端子，由于接觸器線圈是220V，所以分別接至電網(wǎng)的火線和零線，給接觸器的線圈送電。三根相線各自穿過一個電流互感器，其中互感器的一次接線標(biāo)志P1側(cè)朝上，P2側(cè)朝下，從原理圖左側(cè)方向看右側(cè)，電網(wǎng)電流流至負載，那么P1側(cè)朝左，P2側(cè)朝右。 圖1 防逆流控制基本原理 　　2.交流電流互感器 　　交流電流互感器在防逆流系統(tǒng)中的作用有兩點，一是計量，將大電流轉(zhuǎn)換成小電流進行測量采樣。二是給控制器發(fā)出信號使接觸器斷開或吸合。如圖2為穿心式交流互感器實物圖，其電流比為250/5A，最大輸出電流為5A。 圖2 穿心式電流互感器實物圖 　　穿心式電流互感器的規(guī)范接法是一次線從P1（也稱L1）穿進P2（也稱L2）穿出，一次電流自P1端流行P2端時，二次電流自S1（也稱K1）流出經(jīng)外部電路回到S2（也稱K2），如圖3所示。交流電流在電路中流動時，它的方向隨時間作周期性的變化，但是在某一瞬間，線圈中的電流端子一定有一個流入方向，而另一個是流出方向，感應(yīng)出的二次電流同樣也有電流的流入和流出，所以電流互感器的極性就是一次電流方向與二次電流方向之間的關(guān)系。如果某一時刻一次側(cè)極性與二次側(cè)的某一端極性相同, 即同時為正，在接線中L1和K1稱為同極性端,L2和K2也為同極性端，一次電流從L1進L2出，是正方向。 圖3 電流互感器規(guī)范接法時的一次電流、二次電流流向和端子標(biāo)志說明  　如果互感器的一次回路接反，即一次側(cè)L2流進，L1流出，即使二次接法正確，但電流方向正好是相反了，如果互感器二次回路接反，檢測到的電流大小雖然不變，但相對于正常情況，因為參考的電路方向固定不變，而測量電流極性與正常時相反，所以電流流向也會相反，相位上會相差180度，會帶來防逆流控制的判斷帶來誤動作，也就是說即使光伏發(fā)電功率小于負載使用功率，防逆流控制器也會錯誤地判斷系統(tǒng)中有逆流發(fā)生。 　　就好比我們使用電流互感器在接電流表的時候，接反了電度表會反轉(zhuǎn)，原因在于功率表內(nèi)部的功率測量，需要包括功率因數(shù)，而功率因數(shù)是電壓和電流的相位差的余弦。因此，當(dāng)電流相位接反時，電流相位角與原來差180度，從而使電壓和電流的相位差差了180度，致使得出的功率變成了負值，如果互感器一次線接反，只要將二次的S1和S2反接就可以了。 　　3.非智能式防逆流控制過程 　　《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求：光伏電站設(shè)計為不可逆并網(wǎng)方式時，應(yīng)配置逆功率保護設(shè)備，當(dāng)檢測到逆向電流超過額定輸出的5%時，光伏電站應(yīng)在0.5-2s內(nèi)停止向電網(wǎng)送電。以實際工程上的100kW屋頂光伏項目為例，該系統(tǒng)其主要特點為交流配電柜內(nèi)防逆流控制，控制方式為直接操作接觸器斷開光伏側(cè)，當(dāng)光伏發(fā)電功率大于負載功率，光伏電會往電網(wǎng)上送，但此時防逆流控制一旦檢測電網(wǎng)處有逆功率，防逆流控制器發(fā)送信號給接觸器，接觸器自動斷開，逆變器因為與電網(wǎng)斷開將停止工作，此時負載只由電網(wǎng)供給，同時防逆流柜內(nèi)的時間繼電器開始計時，如設(shè)置時間為10分鐘，即10分鐘后防逆流控制器監(jiān)測電網(wǎng)測有無逆流，若沒有逆流，接觸器自動吸合。在使用防逆流控制器時，需要對參數(shù)按照規(guī)范設(shè)置，逆向電流保護設(shè)定范圍為1%-20%連續(xù)可調(diào)，以1%=0.05A為基準(zhǔn)，即1%=0.05A，20%=1A，5%為0.25A?？刂破鞯难訒r動作時間最大為2s，即需要在2s內(nèi)斷開接觸器。因此非智能化防逆流系統(tǒng)的正常工作條件是：接觸器吸合，未斷開，逆變器與電網(wǎng)沒有斷開，光伏發(fā)電功率始終小于等于負載功率。 　　4.非智能式防逆流控制系統(tǒng)對發(fā)電量的影響 　　上文主要介紹了非智能式防逆流控制的基本原理，雖然比較簡單，對于日用電非均衡負載，很難協(xié)調(diào)太陽電池組件發(fā)電量與負載需求間的匹配關(guān)系，很難滿足光伏給負載供電的連續(xù)性，而對于日用電均衡負載，例如某工廠由于使用制冷電器和電暖設(shè)備，夏冬季的負載電量需求多于春秋季，如果系統(tǒng)容量按照滿足夏冬季的用電設(shè)計，在春秋季勢必會產(chǎn)生多余的電量，被防逆流控制完全切斷逆變器的輸出，會導(dǎo)致光伏發(fā)電量大大浪費，因此對非智能式防逆流控制還需要做些改進，目前的一般做法是使用智能式控制方法，通過與逆變器進行RS485通訊，降低逆變器的功率輸出，并和負載進行匹配。 　　5.智能防逆流控制系統(tǒng)原理介紹 圖4 智能式防逆流控制 　　以陽光電源ARP防逆流控制柜為例，智能式防逆流控制一般有四個參數(shù)，即：Pt：并網(wǎng)點的電網(wǎng)實測功率，包括電網(wǎng)向負載提供的功率和逆流功率。Ps：控制功率。Pr：設(shè)定的逆向功率值。Tr：設(shè)定的最大逆功率持續(xù)時間，Ts：逆功率恢復(fù)時間[1]。 　　當(dāng)網(wǎng)側(cè)功率Pt大于Ps時，控制接觸器吸合，并給逆變器發(fā)送通訊命令，控制逆變器功率逐漸增加。當(dāng)網(wǎng)側(cè)功率Pt小于設(shè)置的控制功率Ps但大于設(shè)置的Pr時，控制器給逆變器發(fā)通訊命令，控制逆變器功率逐漸減小，直到Pt= Ps；當(dāng)Pt<Pr時，且逆功率的時間超過Tr，控制器發(fā)出命令，斷開接觸器，逆變器與電網(wǎng)的連接斷開[1]。 　　以某100kW并網(wǎng)系統(tǒng)為例說明控制過程，系統(tǒng)配備10臺10kW逆變器，假設(shè)Ps=50kW，Pr=20kW；逆變器未投入使用時，負載需要功率130kW，全由電網(wǎng)提供，此時并網(wǎng)點的實測功率為130kW；Pt＞Ps，控制柜發(fā)出信號，命令逆變器投入使用，降低電網(wǎng)對負載的供給，一共投入8臺后，即系統(tǒng)供給80kw，電網(wǎng)供給50kW，此時Pt=Ps，剩余2臺逆變器不能投入。 　　當(dāng)負載發(fā)生變化，如負載增加到140kw，需要再投入一臺逆變器；系統(tǒng)供給90kW，電網(wǎng)50kW；當(dāng)負載140kW減少到120kW，電網(wǎng)仍然供給50kw，系統(tǒng)供給90kW，系統(tǒng)多出20kW，其功率流向與電網(wǎng)流向相反，功率疊加后變?yōu)?0kW，即Pt=30kW＜Ps，但是Pt＞Pr，此時控制器命令減少逆變器，減少2臺后，Pt=Ps；當(dāng)負載140kW減少到110kW，電網(wǎng)仍然供給50kW，系統(tǒng)供給90kW，系統(tǒng)多出40kW，其功率流向與電網(wǎng)流向相反，功率疊加后變?yōu)?0kw，即Pt=10kW＜Pr，如果持續(xù)時間T＞ Tr，控制柜命令關(guān)閉逆變器，具體過程參考圖5。 圖5 智能式防逆流控制邏輯過程 　　6.小結(jié) 　　文中對非智能式和智能式防逆流控制方式作了簡要介紹，毫無疑問，防逆流會帶來光伏系統(tǒng)發(fā)電量的損失，非智能式控制方法現(xiàn)在已經(jīng)很少使用，而對于特殊的國家或地區(qū)和特定的條件，在系統(tǒng)設(shè)計安裝時一般建議采用智能式防逆流控制方式或在成本允許的前提下利用儲能系統(tǒng)，可以最大化地提高光伏發(fā)電的利用率。