屈克慶, 葛海鋒, 孔 瑋

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海 200090)

在目前的市場(chǎng)機(jī)制和政策體系下,與建筑相結(jié)合的分布式光伏發(fā)電是太陽(yáng)能發(fā)電的重要應(yīng)用方式,但目前我國(guó)還沒(méi)有形成適應(yīng)分布式發(fā)電發(fā)展的價(jià)格機(jī)制和電力體制。特別是在并網(wǎng)運(yùn)行管理和電網(wǎng)接入方面,沒(méi)有建立與分布式發(fā)電相適應(yīng)的并網(wǎng)運(yùn)行和電網(wǎng)接入機(jī)制,不能充分發(fā)揮分布式光伏發(fā)電效率高、規(guī)模小、效益好的優(yōu)勢(shì)[1]。

研究分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)配電網(wǎng)的影響,能有針對(duì)性地提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量,有利于形成適應(yīng)分布式發(fā)電發(fā)展的電力體制和價(jià)格機(jī)制,進(jìn)而推進(jìn)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與普及。

1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)配電網(wǎng)的影響

根據(jù)已有的研究可知,光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響主要在3個(gè)方面:一是配電網(wǎng)電壓提高;二是電壓分布改變;三是電壓波動(dòng)或閃變[2]。 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)將明顯抬升公共耦合點(diǎn)(Point of Common Couple,PCC)電壓,對(duì)線路電壓也有提升作用。提升幅度主要受線路參數(shù)、用戶負(fù)荷大小、光伏發(fā)電出力以及接入位置的影響[3-4]。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入,增加了系統(tǒng)的短路容量,能在一定程度上抑制區(qū)域配電網(wǎng)的電壓波動(dòng),但是在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入和退出配電網(wǎng)的過(guò)程中,可能造成較大的系統(tǒng)電壓波動(dòng),而外部環(huán)境如光照和溫度等的變化也會(huì)導(dǎo)致輸出功率不穩(wěn)定,從而引起電壓波動(dòng)。

配電網(wǎng)接入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)后,線損的變化主要受其接入位置、額定容量以及功率因數(shù)的影響[5]。以2倍負(fù)荷容量為界限,若其接入容量小于負(fù)荷容量的2倍,則能減少配電網(wǎng)的線損;若其接入容量大于負(fù)荷容量的2倍,則會(huì)增加配電網(wǎng)的線損。當(dāng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入在線路前端位置時(shí),線路的網(wǎng)損率有所下降,并且隨著位置的后移,網(wǎng)損率下降的幅度變大;當(dāng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入在配電網(wǎng)的后端位置時(shí),隨著接入位置的后移,網(wǎng)損率有所上升,但相對(duì)于無(wú)光伏系統(tǒng)接入,其網(wǎng)損率仍有所下降。因此,當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)容量一定時(shí),分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)中部位置時(shí)配電網(wǎng)的網(wǎng)損率最小。

目前,我國(guó)的中低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)大多是單電源放射狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入使其變化為多電源,配電網(wǎng)的潮流和系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),其短路電流的大小及方向等均可能發(fā)生變化,因此分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的保護(hù)帶來(lái)一定的影響[6]。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

本文采用的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中,光伏陣列產(chǎn)生一定的電壓UPV和電流IPV,根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximun Power Point Tracking,MPPT)技術(shù)控制Boost升壓電路開(kāi)關(guān)管的接通和關(guān)斷,以跟蹤光伏電池輸出最大功率時(shí)的光伏電池端電壓Umpp,再通過(guò)逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟?經(jīng)LCL濾波器濾除諧波后接入電網(wǎng),其中逆變器控制策略由直流電壓外環(huán)、網(wǎng)側(cè)電流中環(huán)和逆變器側(cè)電流內(nèi)環(huán)這3環(huán)組成。直流電壓環(huán)能直接有效控制直流母線過(guò)電壓,逆變器側(cè)電流環(huán)能改善系統(tǒng)穩(wěn)定性,網(wǎng)側(cè)電流環(huán)能直接控制入網(wǎng)電壓和電流[7-9]。通過(guò)電壓鎖相環(huán)獲得電網(wǎng)電壓的頻率和相位,使得逆變器輸出電壓的頻率和相位與電網(wǎng)一致。三環(huán)控制框圖如圖2所示。

圖2 三環(huán)控制示意

本文采用的具體控制策略如下。

如圖2所示,直流電壓外環(huán)采用PI控制器,PI控制器能根據(jù)差量進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差。通過(guò)鎖相環(huán)獲得電網(wǎng)電壓的相位角θ,由sinθ與直流電壓控制輸出的乘積獲得電網(wǎng)側(cè)電流的參考值;網(wǎng)側(cè)電流中環(huán)也采用PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)[10],網(wǎng)側(cè)電流控制輸出即為逆變器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的參考值。引入逆變器側(cè)內(nèi)環(huán)的目的是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性,故采取比例調(diào)節(jié)即可。這樣可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。最后經(jīng)脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)調(diào)制后獲得逆變器的控制信號(hào)脈沖。

3 仿真實(shí)現(xiàn)與分析

在我國(guó),配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較多,但城鄉(xiāng)配電網(wǎng)大多以放射狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)為主,因此本文采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)配電網(wǎng)。該配電網(wǎng)線路電壓等級(jí)為220 V,頻率為50 Hz;線路上一共有8個(gè)用戶,每2個(gè)用戶之間的距離為0.04 km,線路導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-25,線路單位長(zhǎng)度阻抗為1.131+j0.393 Ω/km;每個(gè)用戶消耗的有功功率為0.000 8 MW,無(wú)功功率為零,其中用戶4接分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。由于配電網(wǎng)線路較短,電壓等級(jí)較低,所以將線路阻抗表示成電阻和電抗的等效電路。

R=1.131×0.04=0.045 24 Ω

由于ωL=Q,又有ω=2π/T,所以

圖3為配電網(wǎng)模型圖。根據(jù)上述參數(shù)搭建的配電網(wǎng)仿真模型參數(shù)如下:仿真時(shí)間為1.2 s,仿真步長(zhǎng)為10 μs。

圖3 配電網(wǎng)模型

3.1 光伏發(fā)電出力對(duì)電壓的影響

在上述模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)改變光照強(qiáng)度來(lái)改變光伏發(fā)電的入網(wǎng)功率,以研究光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電出力對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響。設(shè)定負(fù)荷大小為0.000 8 MW不變,線路阻抗也不變,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入用戶4,改變光伏出力大小,測(cè)量各節(jié)點(diǎn)電壓。仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入對(duì)各節(jié)點(diǎn)的電壓有明顯的提升作用,并且光伏發(fā)電系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓增幅最大,該接入點(diǎn)之后的節(jié)點(diǎn)的電壓提升也較為明顯。

圖4 光伏出力對(duì)電壓分布的影響

此外,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電出力越大,各節(jié)點(diǎn)電壓增幅越大。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入使得每2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓差也有所減小。

3.2 負(fù)荷大小對(duì)電壓的影響

采用不同的負(fù)荷來(lái)測(cè)量各節(jié)點(diǎn)電壓變化情況。仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知,線路負(fù)荷大小對(duì)一定容量光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后電壓的升高幅度有影響,當(dāng)負(fù)荷越小時(shí),各節(jié)點(diǎn)電壓升高的幅度會(huì)越大,節(jié)點(diǎn)間的電壓差也越大。

圖5 負(fù)荷大小對(duì)電壓分布的影響

3.3 接入位置對(duì)電壓的影響

將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)分別接入不同的節(jié)點(diǎn),測(cè)量各節(jié)點(diǎn)電壓的值。仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入位置對(duì)配電網(wǎng)的電壓分布有較大影響,其接入位置越接近鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)末端,對(duì)配電網(wǎng)電壓的提升作用越明顯。若將發(fā)電容量較大的光伏系統(tǒng)接在配電網(wǎng)末端,將可能導(dǎo)致電壓越限。

圖6 光伏發(fā)電系統(tǒng)接入位置對(duì)電壓分布的影響

3.4 線路阻抗對(duì)電壓的影響

定義電壓變化率為:(接入光伏系統(tǒng)電壓-無(wú)光伏電壓)/無(wú)光伏電壓×100%。其表示接入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)后負(fù)荷變化對(duì)各節(jié)點(diǎn)電壓的影響程度。不同阻抗時(shí)電壓變化率如圖7所示。

由圖7可知,阻抗越大(即線路越長(zhǎng),導(dǎo)線橫截面積越小),分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)電網(wǎng)電壓的影響也越大。

圖7 不同阻抗時(shí)電壓變化率

4 結(jié) 語(yǔ)

本文概述了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗及保護(hù)的影響。在PSCAD軟件中搭建了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和配電網(wǎng),研究不同條件下分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前后電壓的變化情況。仿真結(jié)果表明:分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出功率越大,接入位置越靠近配電網(wǎng)末端,其對(duì)配電網(wǎng)電壓的抬升作用越明顯;負(fù)荷越小,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的抬升作用越明顯,但是節(jié)點(diǎn)之間的電壓差越小;阻抗越大,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)電網(wǎng)電壓的影響也越大。