光伏系统的防逆流控制

光伏系统的防逆流控制杨胜科（上海太阳能科技有限公司，上海 201108 ）摘要 为满足电力公司对用户侧并网型光伏系统自发自用、 并网不上网的要求， 与逆变器供应商 （合肥阳光） 一起研发了国内首台防逆流控制器。 经过设计优化和试验， 防逆流控制器达到了电力公司的 300ms以内切断逆流的要求， 并实现了根据负载需求， 对逆变器的调度功能。关键词 光伏系统 防逆流 限额输出 金太阳1. 前言根据国内金太阳工程对并网型光伏系统的要求， 用户侧并网的光伏系统必须自发自用， 不能逆流上网。 为达到防逆流控制的效果， 又使光伏系统最大化出力，我们研制了国内首台防逆流控制器。 它在 300ms（上海电力公司要求） 以内切断逆流光伏电力， 并可以根据负载实际需求， 发指令让逆变器限额输出， 达到光伏系统最大化出力的功能。2. 初期防逆流控制器设计初期的防逆流控制器原理如下图所示图 1 防逆流控制原理图（初期）防逆流控制器的原理就是通过监控 400V 电网侧的输入功率来控制或切断并网逆变器的输出。只要 400V 电网侧有逆流，控制器将立即断开内部的接触器，切断所有逆变器的输出。防逆流控制器主要包含主控制板、接触器、液晶触摸操作屏。主控制板的处理器为 ARM ， 它通过 RS-485接受各个被控逆变器的输出功率数据和接入点低压电网端的功率数据。为保证无逆功率上网，即 Pg0，在控制程序中，设定 2个预定值（ P 控制、 P 逆流） ，这两个预定值可以通过液晶触摸操作屏设定。当 P 逆流 Pg P控制 ，防逆流控制器通过 RS-485 调节逆变器输出功率；当 Pg P逆流 ， 防逆流控制器切断内部的接触器， 完全切断逆变器的输出。3. 防逆流控制器优化设计在初期实验中，防逆流控制器对网侧电压及电流的测量均采用直流采样方式，即交流电整流为直流电后，再用 ARM 对该直流量进行采样，再进行功率计算。 电压及电流采样电路中含有整流电路以及电容器， 所以采样时间较长， 判断逆流的时间亦较长， 导致了逆流切断时间长， 而且逆流切断时间将随着网测功率突变程度而增加。鉴于之前放逆流控制器对网侧功率的采样时间长、功率计算速度慢、对逆变器的调节速度慢， 以及逆流切断时间长等特点。 本次的防逆流控制器中， 网侧功率采样电路使用了交流采样模式， 减少了功率采样时间并提高了采样时间的稳定性。 在判断逆流上， 不再通过软件来计算网侧功率来判断逆流， 而是通过判断网侧电流相位的变化来判断逆流， 从而大大缩短了逆流判断时间， 而且逆流切断时间相对稳定。为了充分利用太阳能光伏电力， 我们从防逆流控制器的液晶操作屏上设置一个 P 控制。当电网侧功率小于 P 控制设定值时，防逆流控制器将自动调节（减小）逆变器的输出。 P 控制的数值将通过 RS-485 传输给 ARM 处理器。而一旦电网侧功率小于零，即存在逆流上网，防逆流控制器将通过判断电网侧三相电流的相位变化来判断逆流， 并及时切点控制器内部的接触器， 断开所有逆变器的输出。相位变化的信号通过专用的 IO 线传输给 ARM 处理器。本次的放逆流控制实验框图如图 2 所示图 2 防逆流控制原理图（优化）4. 实验结果及分析本次实验中，我们着重逆流切断时间、逆变器输出调节功能、功率采样部件与防逆流执行部件分离使用的可靠性等几方面进行了实验（ 1） 逆流切断表 4-1 逆流切断时间序号 负载逆变器启动状态P 控制电网侧功率负载突变情况电网侧逆流功率逆流切断时间1 360kW 3*100kW 50kW 56kW 负载全部切断 300kW 133ms 2 360kW 2*100kW 50kW 145kW 负载全部切断 200kW 128ms 3 360kW 1*100kW 50kW 238kW 负载全部切断 100kW 131ms 4 260kW 2*100kW 50kW 64kW 负载全部切断 200kW 133ms 5 200kW 100kW10kW 50kW 95kW 负载全部切断 110kW 133ms 6 200kW 100kW50kW 50kW 58kW 负载全部切断 150kW 115ms 7 200kW 100kW30kW 50kW 72kW 负载全部切断 130kW 123ms （ 2）逆流切断实验分析在本实验中，我们将 P 控制设置为 50kW，即当电网侧功率小于 50kW 时候， 防逆流控制器将调节 （减少） 逆变器的输出； 当电网侧功率大于 50kW 时候，防逆流控制器不对逆变器做任何的调节。从表 2-1 可以看出，逆流切断时间与逆流功率、网侧功率、逆变器启动情况等均没有直接的关系，而且逆流切断时间稳定在 115ms133ms左右。因为防逆流控制通过判断电网侧三相电流的相位来判断逆流，而且相位信号同过专用的IO 线传输给 ARM 处理器， 所以逆流判断时间非常小。 逆流切断的时间主要集中在控制器内部接触器和断路器的断开时间，该断开时间会有微小的差异。当负载发生突然全部切断（此时所有逆变器均在工作） ，电网侧将出现不同程度的逆流功率，在出现 100kW300kW 的逆流时，逆流切断时间均在 140ms以内。满足了上海电力公司对逆流切断时间的要求（ 300ms内切断逆流） 。（ 3）逆变器调节表 4-2 防逆流控制器对逆变器的调节序号 负载 逆变器启动状态 P 控制电网侧功率负载突变情况逆变器调节情况1 90kW 100kW50kW30kW 50kW 51kW 无N10040kW; N500kW; N300kW; 2 110kW 100kW50kW30kW 50kW 51kW 增加了 20kW N10066kW; N500kW; N300kW; 3 150kW 100kW50kW30kW 50kW 55kW 增加了 40kW N100102kW; N500kW; N300kW; 4 170kW 100kW50kW30kW 50kW 51kW 增加了 20kW N10098kW; N500kW; N3032kW; 5 190kW 100kW50kW30kW 50kW 51kW 增加了 20kW N10065kW; N5048kW; N3032kW; 6 150kW 100kW50kW30kW 50kW 51kW 减少了 40kW N10024kW; N5049kW; N3032kW; 7 130kW 100kW50kW30kW 50kW 51kW 减少了 20kW N10086kW; N500kW; N300kW; 注 N100kW表示 100kW逆变器的输出功率图 3 逆变器调节曲线（ 4）逆变器调节实验分析在本实验中，我们对负载进行了小额的变化 --- 逐渐增大和逐渐减小。当负载的突变 （突然减少） 小于防逆流控制器中对电网侧功率的设定值， 逆变器将在2 分钟后对逆变器进行限功率输出；当负载的突变（突然减少）大于放逆流控制器中对电网侧功率的设定值 P 控制，将出现逆流，控制器将在 150ms 内断开内部接触器和断路器，从而切断逆流。在合肥阳光的逆变器中，只有 100kW 及以上的逆变器具有限功率输出功能，而小功率逆变器在调节的时候只能让其处于待机状态（停止功率输出） 。从图 3 可以看出，在负载的变化过程中，电网侧的功率一直保持着 51kW 左右的输入功率。在负载很小时（如表 2-2 中的 90kW 负载） ，防逆流控制器将启动单台可控的 100kW 逆变器，关闭其他两台 30kW 和 50kW 逆变器。 30kW 和50kW 逆变器均不能限功率输出，只能关闭或满功率输出。在负载功率逐渐增大时，控制器将慢慢增加 100kW 逆变器的输出功率。当100kW 逆变器达到满功率输出后，控制器将启动最小功率（ 30kW）的逆变器。如果负载进一步增加，控制器将启动较大功率（ 50kW）的逆变器。这些小功率的逆变器自启动后均为满功率输出， 为满足负载功率需求， 控制器将增加或者减小 100kW 逆变器的输出。在负载功率逐渐减小时，控制器将慢慢减小 100kW 逆变器的输出功率。当100kW 逆变器接近零功率输出时，控制器将关闭小功率逆变器的输出，而将100kW 逆变器的输出调节到所需的功率。当负载进一步减小时，控制器将逐渐减小 100kW 逆变器的输出功率。（ 5）采样部件与执行部件的分离使用在实验现场， 采样部件与防逆流执行部件距离 400 米 （用 400 米的通信线来连接这两个部件） ，其逆流切断时间的结果如下表 2-3 逆流切断时间（分离使用）序号 负载 逆变器启动状态P 控制 电网侧功率负载突变情况 电网侧逆流功率逆流切断时间1 360kW 3*100kW 50kW 56kW 负载全部切断 300kW 128ms 2 360kW 2*100kW 50kW 156kW 负载全部切断 200kW 141ms 3 360kW 1*100kW 50kW 256kW 负载全部切断 100kW 117ms 4 260kW 2*100kW 50kW 67kW 负载全部切断 200kW 141ms 5 200kW 100kW10kW 50kW 95kW 负载全部切断 110kW 136ms 6 200kW 100kW50kW 50kW 56kW 负载全部切断 150kW 136ms 7 200kW 100kW30kW 50kW 75kW 负载全部切断 130kW 136ms （ 6）分离使用实验结果分析在实际的项目中，为增加功率采样的精度，我们将功率采样部件放在 10kV变电站中， 用以采集电网侧的功率。 而防逆流执行部件放在电气设备房中， 电气设备房与 10kV 变电站的距离为 400 米以内。 此实验证实为了模拟这一现实情况。从表 2-3 中看出， 在负载变化以及其他条件相同的时候， 逆流切断时间与非分离使用时相差不大，也能保证在 150ms 内切断逆流，满足了上海电力公司对逆流切断时间（ 300ms）的要求。5. 结论通过以上的实验数据分析， 合肥阳光的防逆流控制器达到了我们的功能要求---300ms 内切断逆流，以及调节逆变器的输出功率。参考文献【 1】 童诗白、华成英 . 模拟电子技术基础（第三版） ，北京，高等教育出版社， 2001 年【 2】 吴麒 . 自动控制原理（第 2 版） ，北京，清华大学出版社， 2006 年作者简介杨胜科， 男， 1979 年 10 月生， 博士， 现就职于上海太阳能科技有限公司， 电气工程师，从事光伏系统设计、光伏工程项目管理方面的工作。地址上海市申南路 555 号邮编 201108 电话 021-64894766 Email yangker1010yahoo.com.cn