光伏系统逆功率保护的基本原理

目前分布式光伏系统并网模式可分为自发自用余电上网型、全部上网和全部自用型三种，前两种模式较为普遍，而对于某些特殊地区用户侧的并网模式必须采用全部自用型,即多余电量不允许通过低压配电变压器向上级电网逆向送电，在并网发电系统中，由于外部辐照和温度不断变化，光伏方阵的出力也会随着变化，为达到防逆流控制的效果,又能使系统匹配负载将电能消耗掉，系统需要配置防逆流控制器，通过实时监测交流端低压侧电网的电流方向信号来调节系统的发电功率，文中对光伏不上网系统逆功率保护技术原理进行简要的介绍和分析。 　　1.防逆流控制装置的基本原理 　　防逆流控制的基本原理是依靠交流电流互感器来采集电流方向信号反馈到防逆流控制器，并控制接触器线圈的两端引线A1和A2的通电或断电，从而使接触器的触点动作，控制我们想要控制的逆变器的功率输出。正常情况下，A1和A2串联至控制回路，接触器吸合，A1和A2之间有一定的电压，如图1为交流并网柜内最简单的防逆流控制原理图，逆变器以三相四线接入，经过断路器和交流接触器后连至铜排输入端，铜排左侧连至380V电网，铜排输出端接至负载端。A1和A2是交流接触器两个独立的端子，由于接触器线圈是220V，所以分别接至电网的火线和零线，给接触器的线圈送电。三根相线各自穿过一个电流互感器，其中互感器的一次接线标志P1侧朝上，P2侧朝下，从原理图左侧方向看右侧，电网电流流至负载，那么P1侧朝左，P2侧朝右。 图1 防逆流控制基本原理 　　2.交流电流互感器 　　交流电流互感器在防逆流系统中的作用有两点，一是计量，将大电流转换成小电流进行测量采样。二是给控制器发出信号使接触器断开或吸合。如图2为穿心式交流互感器实物图，其电流比为250/5A，最大输出电流为5A。 图2 穿心式电流互感器实物图 　　穿心式电流互感器的规范接法是一次线从P1（也称L1）穿进P2（也称L2）穿出，一次电流自P1端流行P2端时，二次电流自S1（也称K1）流出经外部电路回到S2（也称K2），如图3所示。交流电流在电路中流动时，它的方向随时间作周期性的变化，但是在某一瞬间，线圈中的电流端子一定有一个流入方向，而另一个是流出方向，感应出的二次电流同样也有电流的流入和流出，所以电流互感器的极性就是一次电流方向与二次电流方向之间的关系。如果某一时刻一次侧极性与二次侧的某一端极性相同, 即同时为正，在接线中L1和K1称为同极性端,L2和K2也为同极性端，一次电流从L1进L2出，是正方向。 图3 电流互感器规范接法时的一次电流、二次电流流向和端子标志说明  　如果互感器的一次回路接反，即一次侧L2流进，L1流出，即使二次接法正确，但电流方向正好是相反了，如果互感器二次回路接反，检测到的电流大小虽然不变，但相对于正常情况，因为参考的电路方向固定不变，而测量电流极性与正常时相反，所以电流流向也会相反，相位上会相差180度，会带来防逆流控制的判断带来误动作，也就是说即使光伏发电功率小于负载使用功率，防逆流控制器也会错误地判断系统中有逆流发生。 　　就好比我们使用电流互感器在接电流表的时候，接反了电度表会反转，原因在于功率表内部的功率测量，需要包括功率因数，而功率因数是电压和电流的相位差的余弦。因此，当电流相位接反时，电流相位角与原来差180度，从而使电压和电流的相位差差了180度，致使得出的功率变成了负值，如果互感器一次线接反，只要将二次的S1和S2反接就可以了。 　　3.非智能式防逆流控制过程 　　《光伏电站接入电网技术规定》要求：光伏电站设计为不可逆并网方式时，应配置逆功率保护设备，当检测到逆向电流超过额定输出的5%时，光伏电站应在0.5-2s内停止向电网送电。以实际工程上的100kW屋顶光伏项目为例，该系统其主要特点为交流配电柜内防逆流控制，控制方式为直接操作接触器断开光伏侧，当光伏发电功率大于负载功率，光伏电会往电网上送，但此时防逆流控制一旦检测电网处有逆功率，防逆流控制器发送信号给接触器，接触器自动断开，逆变器因为与电网断开将停止工作，此时负载只由电网供给，同时防逆流柜内的时间继电器开始计时，如设置时间为10分钟，即10分钟后防逆流控制器监测电网测有无逆流，若没有逆流，接触器自动吸合。在使用防逆流控制器时，需要对参数按照规范设置，逆向电流保护设定范围为1%-20%连续可调，以1%=0.05A为基准，即1%=0.05A，20%=1A，5%为0.25A。控制器的延时动作时间最大为2s，即需要在2s内断开接触器。因此非智能化防逆流系统的正常工作条件是：接触器吸合，未断开，逆变器与电网没有断开，光伏发电功率始终小于等于负载功率。 　　4.非智能式防逆流控制系统对发电量的影响 　　上文主要介绍了非智能式防逆流控制的基本原理，虽然比较简单，对于日用电非均衡负载，很难协调太阳电池组件发电量与负载需求间的匹配关系，很难满足光伏给负载供电的连续性，而对于日用电均衡负载，例如某工厂由于使用制冷电器和电暖设备，夏冬季的负载电量需求多于春秋季，如果系统容量按照满足夏冬季的用电设计，在春秋季势必会产生多余的电量，被防逆流控制完全切断逆变器的输出，会导致光伏发电量大大浪费，因此对非智能式防逆流控制还需要做些改进，目前的一般做法是使用智能式控制方法，通过与逆变器进行RS485通讯，降低逆变器的功率输出，并和负载进行匹配。 　　5.智能防逆流控制系统原理介绍 图4 智能式防逆流控制 　　以阳光电源ARP防逆流控制柜为例，智能式防逆流控制一般有四个参数，即：Pt：并网点的电网实测功率，包括电网向负载提供的功率和逆流功率。Ps：控制功率。Pr：设定的逆向功率值。Tr：设定的最大逆功率持续时间，Ts：逆功率恢复时间[1]。 　　当网侧功率Pt大于Ps时，控制接触器吸合，并给逆变器发送通讯命令，控制逆变器功率逐渐增加。当网侧功率Pt小于设置的控制功率Ps但大于设置的Pr时，控制器给逆变器发通讯命令，控制逆变器功率逐渐减小，直到Pt= Ps；当Pt<Pr时，且逆功率的时间超过Tr，控制器发出命令，断开接触器，逆变器与电网的连接断开[1]。 　　以某100kW并网系统为例说明控制过程，系统配备10台10kW逆变器，假设Ps=50kW，Pr=20kW；逆变器未投入使用时，负载需要功率130kW，全由电网提供，此时并网点的实测功率为130kW；Pt＞Ps，控制柜发出信号，命令逆变器投入使用，降低电网对负载的供给，一共投入8台后，即系统供给80kw，电网供给50kW，此时Pt=Ps，剩余2台逆变器不能投入。 　　当负载发生变化，如负载增加到140kw，需要再投入一台逆变器；系统供给90kW，电网50kW；当负载140kW减少到120kW，电网仍然供给50kw，系统供给90kW，系统多出20kW，其功率流向与电网流向相反，功率叠加后变为30kW，即Pt=30kW＜Ps，但是Pt＞Pr，此时控制器命令减少逆变器，减少2台后，Pt=Ps；当负载140kW减少到110kW，电网仍然供给50kW，系统供给90kW，系统多出40kW，其功率流向与电网流向相反，功率叠加后变为10kw，即Pt=10kW＜Pr，如果持续时间T＞ Tr，控制柜命令关闭逆变器，具体过程参考图5。 图5 智能式防逆流控制逻辑过程 　　6.小结 　　文中对非智能式和智能式防逆流控制方式作了简要介绍，毫无疑问，防逆流会带来光伏系统发电量的损失，非智能式控制方法现在已经很少使用，而对于特殊的国家或地区和特定的条件，在系统设计安装时一般建议采用智能式防逆流控制方式或在成本允许的前提下利用储能系统，可以最大化地提高光伏发电的利用率。