范 宏, 周獻(xiàn)遠(yuǎn)

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海 200090)

?

基于典型故障類(lèi)型的分布式光伏并網(wǎng)對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響

范 宏, 周獻(xiàn)遠(yuǎn)

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海 200090)

為了準(zhǔn)確分析分布式光伏并網(wǎng)對(duì)電壓穩(wěn)定的影響,針對(duì)光伏陣列,給出了一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(Real Time Digital Simulator,RTDS)軟件平臺(tái)的光伏并網(wǎng)建模方法.介紹了光伏發(fā)電的原理,對(duì)分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)接入電網(wǎng)的方法進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究.然后,基于光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度在RTDS軟件平臺(tái)上搭建了一個(gè)光伏發(fā)電并網(wǎng)模型,對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究.仿真結(jié)果表明,不同的系統(tǒng)故障狀態(tài)下,光伏并網(wǎng)對(duì)公網(wǎng)側(cè)和并網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定性的影響不同.

光伏并網(wǎng); 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀; 電壓穩(wěn)定

由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大,其功率等級(jí)不斷提升,對(duì)電網(wǎng)的影響越來(lái)越明顯[1].文獻(xiàn)[2]對(duì)微網(wǎng)內(nèi)IIDG的故障特征進(jìn)行了分析,得出了IIDG不適合直接接入電網(wǎng)的結(jié)論.可見(jiàn),光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定與否,很大程度上決定了光伏發(fā)電的未來(lái)發(fā)展與應(yīng)用[3].本文介紹了光伏發(fā)電的原理及分類(lèi),在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(Real Time Digital Simulator,RTDS)軟件平臺(tái)上搭建仿真模型,研究分析了基于典型故障類(lèi)型的光伏并網(wǎng)對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響.

1 光伏發(fā)電的原理及分類(lèi)

1.1 光伏發(fā)電的原理

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng),將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù).這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)能電池.太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù),可形成大面積的太陽(yáng)電池組件,再配合功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置.

在理想狀態(tài)下,太陽(yáng)能電池光照后產(chǎn)生一定的光電流,其中一部分用于抵消結(jié)電流,另一部分即為供給負(fù)載的電流.但實(shí)際狀態(tài)下,由于太陽(yáng)能電池板前面和背面的電極相接觸,以及材料本身具有一定的電阻率,基區(qū)和頂層都不可避免地要引入附加電阻.電流流經(jīng)負(fù)載時(shí),必然也會(huì)引起損耗.在等效電路中,可將以上的損耗用一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)表示.另外,由于電池邊沿的漏電,以及制作金屬化電極時(shí)電池的微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等,使一部分本應(yīng)通過(guò)負(fù)載的電流短路,這種損耗可用并聯(lián)電阻來(lái)等效.

1.2 光伏發(fā)電的分類(lèi)

光伏發(fā)電系統(tǒng)通?？煞譃殡x網(wǎng)(獨(dú)立)型發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng).離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)通常建設(shè)在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū),其目的是解決部分地區(qū)的無(wú)電問(wèn)題.并網(wǎng)型光伏發(fā)系統(tǒng)與電網(wǎng)相連,向電網(wǎng)輸送電能,這是光伏發(fā)電系統(tǒng)的主流趨勢(shì).

1.2.1 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)段是白天,而負(fù)荷用電時(shí)段往往是全天,為解決此矛盾,離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)必須配備儲(chǔ)能裝置.離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、直流防雷匯流箱、控制器、蓄電池、離網(wǎng)逆變器、交流配電柜構(gòu)成.光伏輸出的直流電向蓄電池充電,通過(guò)逆變器變換為交流電后,為交流負(fù)荷供電.

1.2.2 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為分布式和集中式兩大類(lèi).分布式并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)就屬于微電網(wǎng)中的分布式電源(Distribution Generation,DG),特點(diǎn)是光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)的電直接分配給用戶(hù)負(fù)荷,多余或不足的電力通過(guò)連接電網(wǎng)來(lái)調(diào)節(jié).集中式并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是將太陽(yáng)能發(fā)出的電直接輸送到電網(wǎng)上,由電網(wǎng)將電力統(tǒng)一分配給各用戶(hù).

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏陣列、直流防雷匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜構(gòu)成.與離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)不同的是,離網(wǎng)逆變器是實(shí)現(xiàn)U/f輸出的電壓源,并網(wǎng)逆變器是實(shí)現(xiàn)P/Q輸出的電流源.

2 RTDS下的系統(tǒng)平臺(tái)建模

2.1 RTDS的介紹

實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(RTDS)是由加拿大曼尼托巴RTDS公司開(kāi)發(fā)制造的專(zhuān)門(mén)用于實(shí)時(shí)研究電力系統(tǒng)的數(shù)字動(dòng)模系統(tǒng)[4-5].它包含硬件和軟件兩部分,硬件用于計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出,軟件RSCAD用于組建電力系統(tǒng)的一次系統(tǒng)及其控制回路,以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)仿真和控制.與離線(xiàn)仿真軟件相比,其優(yōu)勢(shì)在于實(shí)時(shí)性,以及能夠帶被測(cè)試設(shè)備閉環(huán)運(yùn)行的能力.不僅可以用于仿真分析,還可以提供一次設(shè)備、各類(lèi)控制系統(tǒng)及各種電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真閉環(huán)檢測(cè)試驗(yàn).

2.2 分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)模型

本次在RTDS下模擬的分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)模型,光伏陣列通過(guò)雙通道逆變器并網(wǎng),在并網(wǎng)側(cè)通過(guò)降壓變壓器接到用戶(hù)側(cè)[5],其全貌如圖1所示.

圖1 屋頂分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)模型

2.3 控制系統(tǒng)模型的搭建

本文所搭建的控制系統(tǒng)模型為故障類(lèi)型控制模型,保存在系統(tǒng)模型文件中,控制模型中包含控制對(duì)象,以及對(duì)應(yīng)于控制對(duì)象進(jìn)行的控制操作和/或相應(yīng)的控制配置參數(shù)[6].通過(guò)斷路器控制電容器或電抗器的投入或切除,通過(guò)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)控制邏輯框圖實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的分合操作.完成上述系統(tǒng)平臺(tái)模型和相應(yīng)的子模塊參數(shù)配置后,即可編譯模型,仿真所研究的區(qū)域電網(wǎng).

2.4 操作系統(tǒng)模型的搭建

根據(jù)一次系統(tǒng)模型圖,在RSCAD的仿真運(yùn)行模塊中,搭建該閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)的操作系統(tǒng)模型,如圖2所示.

圖2 操作系統(tǒng)模型界面

3 仿真測(cè)試與分析

3.1 系統(tǒng)正常狀態(tài)分析

本文所建模型系統(tǒng)安裝于380 V側(cè)配電網(wǎng),裝機(jī)容量?jī)H數(shù)十千瓦.由于安裝于低壓側(cè),容量較小,且是自發(fā)自用余電上網(wǎng)的并網(wǎng)模式,因此其對(duì)公網(wǎng)電能質(zhì)量影響較小[7-8].

當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí),電池板的輸出電壓和電流都增大,則電池板的輸出功率增加,當(dāng)光照強(qiáng)度減小時(shí),則相反;當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),電池板的輸出電壓和電流都減小,輸出功率相應(yīng)減小,當(dāng)溫度降低時(shí)則相反.

3.2 系統(tǒng)故障狀態(tài)仿真

3.2.1 公網(wǎng)側(cè)單相接地故障

公網(wǎng)側(cè)發(fā)生A相接地時(shí),故障系統(tǒng)波形圖如圖3所示.

圖3 公網(wǎng)側(cè)A相接地故障系統(tǒng)波形

由圖3可知,在發(fā)生單相接地故障時(shí),公網(wǎng)側(cè)故障相電壓降為零,電流驟增,非故障相電壓保持不變,電流驟減,三相間產(chǎn)生嚴(yán)重不平衡的低電壓和低電流.公網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí),若不能及時(shí)切除故障電路,將對(duì)線(xiàn)路及設(shè)備造成極大的損害.

3.2.2 公網(wǎng)側(cè)兩相短路故障

公網(wǎng)側(cè)發(fā)生AB相短路時(shí),故障系統(tǒng)波形圖如圖4所示.

圖4 公網(wǎng)側(cè)AB相短路故障系統(tǒng)波形

光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)在公網(wǎng)側(cè)發(fā)生兩相短路時(shí)會(huì)受到極大的影響,電壓變化與公網(wǎng)側(cè)相同,而電流則呈現(xiàn)出故障相的大小降低,數(shù)值一致,相位相同,與非故障相的方向相反,非故障相電流大小保持不變[9].

3.2.3 公網(wǎng)側(cè)三相短路故障

公網(wǎng)側(cè)三相短路故障狀態(tài)下,高低壓側(cè)母線(xiàn)電壓和變壓器三相短路電流波形如圖5所示.

由圖5可知,在發(fā)生三相短路故障時(shí),公網(wǎng)側(cè)故障相電壓降為零,電流驟增,公網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路故障時(shí),若不能及時(shí)切除故障電路,將對(duì)線(xiàn)路及設(shè)備造成極大的損害.

3.2.4 光伏并網(wǎng)側(cè)單相接地故障

光伏并網(wǎng)側(cè)單相接地故障狀態(tài)下,高低壓側(cè)母線(xiàn)電壓和變壓器兩側(cè)電流波形如見(jiàn)圖6.

圖5 共網(wǎng)側(cè)三相短路故障系統(tǒng)波形

圖6 并網(wǎng)側(cè)B相接地故障系統(tǒng)波形

由圖6可以看出,當(dāng)光伏發(fā)電并網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí),380 V并網(wǎng)側(cè)的故障相電壓和電流略有降低,對(duì)整個(gè)并網(wǎng)側(cè)的影響不大,但對(duì)10 kV公網(wǎng)側(cè)的電流卻產(chǎn)生了極大的影響.故障相電流驟增,非故障相電流幾乎降為零,這對(duì)整個(gè)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)危害極大,是絕不容許的.這就對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提出了極高的要求,能在本地發(fā)生故障時(shí)迅速脫離電網(wǎng),切除故障,避免對(duì)電網(wǎng)造成沖擊.

3.2.5 光伏并網(wǎng)側(cè)兩相短路故障

光伏并網(wǎng)側(cè)兩相短路故障狀態(tài)下,高低壓側(cè)母線(xiàn)電壓和變壓器兩側(cè)電流波形如圖7所示.

圖7 光伏并網(wǎng)側(cè)AC相短路系統(tǒng)波形

并網(wǎng)側(cè)發(fā)生兩相短路時(shí),系統(tǒng)的故障特征與公網(wǎng)側(cè)短路時(shí)有所不同.由圖7可以看出,并網(wǎng)側(cè)故障相A相和C相電壓波形并未重合,對(duì)公網(wǎng)側(cè)電壓的影響很小.而故障對(duì)電流的影響很大,故障相電流增大,非故障相電流降低.

3.2.6 并網(wǎng)側(cè)三相短路故障

并網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路故障時(shí),系統(tǒng)波形如圖8所示.

圖8 光伏并網(wǎng)側(cè)三相短路系統(tǒng)波形

由圖8可以看出,當(dāng)光伏發(fā)電并網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路故障時(shí),并網(wǎng)側(cè)故障相電壓幾乎降為零,故障相電流驟增,對(duì)并網(wǎng)側(cè)的電流影響較大,這對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提出了極高的要求,能在本地發(fā)生三相短路故障時(shí)迅速脫離電網(wǎng),切除故障,避免對(duì)電網(wǎng)造成沖擊.

4 結(jié) 語(yǔ)

并網(wǎng)型光伏發(fā)電是一個(gè)新的研究熱點(diǎn),既有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值,同時(shí)又具備較高的市場(chǎng)價(jià)值.本文在RTDS上對(duì)光伏并網(wǎng)的模型進(jìn)行了理論研究,模擬了環(huán)境因素(溫度、光照強(qiáng)度)對(duì)光伏組件輸出功率的影響,同時(shí)模擬了典型故障狀態(tài)下系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的情況,有利于對(duì)光伏并網(wǎng)進(jìn)行下一步的研究.

[1] 趙爭(zhēng)鳴,劉建政,孫曉瑛.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005:11-19.

[2] 韓奕,張東霞.含逆變型分布式電源的微網(wǎng)故障特征分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,35(10):147-152.

[3] 崔榮強(qiáng),趙春江,吳達(dá)成.并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:1-7.

[4] 李升健,馬亮,黃燦英.實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(RTDS)在江西電網(wǎng)的應(yīng)用[J].江西電力,2010,34(4):14-16.

[5] 劉波,楊旭,孔繁麟.三相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(12):64-70.

[6] 李晶,許洪華,趙海翔,等.并網(wǎng)光伏電站動(dòng)態(tài)建模與仿真分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(34):83-87.

[7] 蘇麗萍,陳侃.基于RTDS的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012,40(15):110-115.

[8] 王曉,羅安,鄧才波,等.基于光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量控制系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,36(4):68-73.

[9] 楊衛(wèi)東,薛峰.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響及相關(guān)需求分析[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2009,33(4):35-39.

(編輯 白林雪)

Influence of Photovolic Grid on VoltageStability Based on Typical Faults

FAN Hong, ZHOU Xianyuan

(SchoolofElectricalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In order to analyze distributed photovoltaic(PV) grid influence on voltage stability accurately,for the photovoltaic array,a photovoltaic(PV) grid modeling method based on the RTDS software platform is given.Firstly,the principle of photovoltaic power generation is introduced briefly.A detailed analysis and research is conducted in the light of the method of distributed photovoltaic(PV) grid system connected to the electricity grid.Then,when building a model of grid-connected photovoltaic(PV) on the RTDS software platformon on the basis of light intensity and ambient temperature,the effects on the photovoltaic(PV) grid system are studied through simulation.The simulation results show that voltage stability on public network side and grid-side are different according to different system fault condition.

PV(photovoltaic)grid; real time digital simulator; voltage stability

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.014

2015-11-20

簡(jiǎn)介：范宏(1978-),女,博士,副教授,湖北恩施人.主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行,電力系統(tǒng)規(guī)劃.E-mail:fan_honghong@126.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金(51307104).

TM615.2;TM712

A

1006-4729(2016)05-0478-07