基于PSCAD/EMTDC的并網(wǎng)光伏發(fā)電分析

劉永勝，李題印，包拯民，黃 河，姚海燕

（余杭供電局，杭州 311100）

0 引言

隨著可再生能源分布式電源數(shù)量的不斷增加，用戶對電能質(zhì)量要求不斷提高，建設(shè)更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的智能電網(wǎng)已經(jīng)成為全球電力行業(yè)的共同目標(biāo)。光伏發(fā)電（PV）具有可再生、無污染、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，且技術(shù)逐漸成熟，必將成為未來智能電網(wǎng)中重要的分布式電源[1，2]。

杭州能源與環(huán)境產(chǎn)業(yè)園并網(wǎng)光伏電站是浙江省首個兆瓦級并網(wǎng)光伏電站項目，也是我國首個高效薄膜、晶硅復(fù)合型光伏電站。該光伏發(fā)電系統(tǒng)采用分散逆變、集中并網(wǎng)的布置形式并網(wǎng)，多個逆變器并聯(lián)接入交流匯流箱，通過交流匯流箱并入光伏電站400 V母線，再經(jīng)1回10 kV線路接入110 kV漁橋變電站。

以杭州能源與環(huán)境產(chǎn)業(yè)園并網(wǎng)光伏發(fā)電站作為研究對象，利用PSCAD/EMTDC仿真平臺建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型，根據(jù)并網(wǎng)光伏電站實(shí)際運(yùn)行中測得的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性及其對電網(wǎng)的影響進(jìn)行研究，全面評估并網(wǎng)光伏電站的安全性、可靠性和規(guī)范管理，為光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 并網(wǎng)光伏電站對配電網(wǎng)的影響

1.1 并網(wǎng)光伏電站對配電網(wǎng)電壓的影響

配電系統(tǒng)采用的調(diào)壓手段有改變有載調(diào)壓變壓器的分接頭、投切電容器和安裝線路壓降補(bǔ)償調(diào)壓器等，通過這些調(diào)壓手段保證用戶電壓維持在規(guī)定電壓范圍內(nèi)，保證供電電壓質(zhì)量。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后原有的調(diào)壓方式不一定能滿足多源配電網(wǎng)的調(diào)壓要求，尤其是大容量并網(wǎng)光伏發(fā)電站并網(wǎng)運(yùn)行將會干擾原有配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.2 并網(wǎng)光伏電站對配電網(wǎng)頻率的影響

電力系統(tǒng)運(yùn)行中頻率異常的情況很少發(fā)生，但隨著大量光伏發(fā)電站接入配電網(wǎng)，當(dāng)大規(guī)模光伏發(fā)電機(jī)組投切時，出現(xiàn)一定程度頻率變化無法避免。而且當(dāng)并網(wǎng)光伏發(fā)電站的發(fā)電容量占電網(wǎng)總發(fā)電量比例逐步增大后，由于光伏發(fā)電機(jī)組出力具有一定的隨機(jī)性，將導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)的頻率時常出現(xiàn)波動，使頻率偏離額定值運(yùn)行，對用戶和電力系統(tǒng)本身都會造成不良后果[3]。

1.3 并網(wǎng)光伏電站對配電網(wǎng)保護(hù)和重合閘的影響

當(dāng)光伏電站接入饋線的其它并聯(lián)分支線路發(fā)生故障時，光伏電站提供的反向故障電流可能使并網(wǎng)光伏電站所在線路的保護(hù)誤動，造成無故障饋線失去主電源[4]。而光伏電站下游故障時，流過光伏電站下游保護(hù)的故障電流增加，有利于保護(hù)的動作，但可能使下游保護(hù)的電流速斷保護(hù)范圍延伸到下一條線路，使電流保護(hù)失去選擇性。光伏電站提供的故障電流可能使故障（瞬時性故障）維持發(fā)生，若此時進(jìn)行重合閘將使故障點(diǎn)電弧重燃，事故進(jìn)一步擴(kuò)大[5]。且如果重合閘期間并網(wǎng)光伏電站未與電網(wǎng)解列，由于光伏電站與系統(tǒng)主電源失去同步將造成非同期合閘。

2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的模型主要包括光伏陣列模型和光伏逆變器兩個部分，光伏逆變器采用單級逆變器結(jié)構(gòu)（圖1），6個IGBT組成三相橋式結(jié)構(gòu)的電壓源逆變器，后端采用LC濾波電路濾除輸出電壓的諧波，經(jīng)隔離變壓器接入電網(wǎng)。圖中光伏陣列輸出電流IA經(jīng)二極管為電容Cdc充電，二極管用于阻止直流電流逆流。

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

光伏陣列是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，由若干太陽能電池組件串、并聯(lián)組成。光伏逆變器將直流電能變換成交流電，并實(shí)時控制逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。針對建筑光伏一體化的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般采用單級式電路拓?fù)鋄6]的情況，這里采用單級式電路拓?fù)涞墓夥l(fā)電系統(tǒng)。

2.1 光伏陣列模型

光伏陣列即根據(jù)負(fù)載容量大小要求將若干個光伏電池組件串并聯(lián)組成的供電裝置。圖2是光伏電池單元的等效電路模型[7]，由基爾霍夫電流定律可得：

圖2 光伏電池等效電路

式中：IL為光電池短路電流；Id為二極管電流；V，I分別為輸出電壓和電流；RS為短路電阻；I0為二極管飽和電流；q=1.6×10-19C，為庫侖常數(shù)；n為結(jié)常數(shù)；k=1.38×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)。

IL取決于光照強(qiáng)度S和溫度T，而I0僅與T有關(guān)：

2.2 光伏逆變器模型

式中：下標(biāo)ref表示光電池組件額定值；AT為二極管飽和電流溫度系數(shù)。

可采用受控電流源作為實(shí)際光伏陣列模型，串聯(lián)NS和并聯(lián)NP個光電池組件（單個組件包含m個光電池）的光伏陣列輸出電流IA為：

光伏逆變器控制系統(tǒng)的PSCAD/EMTDC仿真模型如圖3所示，圖中采樣環(huán)節(jié)的采樣頻率為1.0×104Hz；利用延時元件和比較器得到直流電壓和電流偏差信號。由最大功率跟蹤（MPPT）模塊生成直流電壓參考值Vdcref，通過比較器和PI環(huán)節(jié)后生成交軸電流參考值Iqref，再和直軸電流分量Idref經(jīng)Park變換后輸入PWM觸發(fā)器得到觸發(fā)信號。

圖3 光伏逆變器控制模型

3 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行分析

3.1 穩(wěn)態(tài)電壓分布

根據(jù)圖4所示的配電饋線結(jié)構(gòu)，仿真計算并網(wǎng)光伏電站位于饋線內(nèi)不同位置時饋線電壓的穩(wěn)態(tài)分布情況。取光伏電站的容量為1 MW，功率因數(shù)0.9滯后，按表1中各種位置并入電網(wǎng)，對于多節(jié)點(diǎn)接入的情況將光伏電站的總?cè)萘科骄峙浣o多個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計算，最小運(yùn)行方式（取最大負(fù)荷的0.3倍）下，配電饋線電壓曲線如圖5所示。

表1 并網(wǎng)光伏電站位置變化

圖4 光伏電站接入饋線不同位置

圖5 最小運(yùn)行方式下光伏電站接入不同位置電壓曲線

并網(wǎng)光伏電站的接入對饋線穩(wěn)態(tài)電壓有一定的支撐作用，圖中曲線1中的光伏電站位置比較接近系統(tǒng)母線，曲線4中的光伏電站位置更為接近線路末端，可知當(dāng)并網(wǎng)光伏電站離主變電站母線越遠(yuǎn)，則饋線電壓升得越高。曲線5-7代表光伏電站多點(diǎn)接入時的穩(wěn)態(tài)電壓曲線。從仿真結(jié)果來看，電源分散時的電壓曲線比電源集中時電壓曲線要平滑，光伏電站布置越分散，則饋線末端節(jié)點(diǎn)的電壓也被抬得越高。根據(jù)并網(wǎng)光伏電站的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，夜間運(yùn)行時由于光伏逆變器都處于待機(jī)狀態(tài)但仍與電網(wǎng)保持連接，逆變器自身的LC濾波器的電容將向電網(wǎng)注入少量無功功率（約為容量的5%）。光伏電站夜間無功出力對饋線電壓的支撐，遠(yuǎn)小于光伏電站白天有功出力的作用。

3.2 頻率波動

光伏陣列既非恒壓源也非恒流源，其輸出特性曲線具有強(qiáng)烈的非線性，且隨太陽光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的改變而變化。由于并網(wǎng)逆變器輸出功率按最大功率點(diǎn)跟蹤輸出，光伏電源輸出受天氣影響很大，尤其在多云天氣，發(fā)電功率會出現(xiàn)快速劇烈變化。通過分析單臺光伏逆變器400 s內(nèi)輸出功率波動的頻譜特性得到圖6，可知并網(wǎng)光伏電站功率波動主要集中在0.1 Hz以下，且以0.01 Hz以下的功率波動幅值最大。

文獻(xiàn)[8]通過分析電網(wǎng)頻率變化與光伏電站的輸出功率波動的傳遞函數(shù)頻率特性，得出結(jié)論為0.01～1.0 Hz的功率波動對電網(wǎng)頻率波動的影響最大。對并網(wǎng)光伏電站接入不同容量的配電網(wǎng)（用單臺不同容量的火電機(jī)組等效），光伏電站投運(yùn)和切除進(jìn)行仿真分析，得到光伏電站所接入的配電網(wǎng)的規(guī)模越小，光伏電站開停機(jī)對配電網(wǎng)頻率的影響越大。

圖6 光伏逆變器功率波動頻率特性

3.3 并網(wǎng)光伏電站的諧波特性

圖7是光照強(qiáng)度由700 W/m2直線上升至1 000W/m2時諧波電流總有效值曲線，可知光伏逆變器輸出的諧波電流幅值不隨由光照強(qiáng)度變化引起的基波電流幅值變化而變化。即光伏逆變器的輸出電流總諧波畸變率（THD）隨著光照強(qiáng)度減弱而升高，越接近額定輸出功率運(yùn)行，電流的THD越小。因此隨著光伏逆變器輸出功率的增大，諧波電流含量百分值將有所下降，而在基波電流較小的日出日落時間段電流THD有尖峰值出現(xiàn)。

圖7 諧波電流總有效值變化曲線

3.4 并網(wǎng)光伏電站的故障特性

圖8和圖9分別為距光伏電站200 m處線路發(fā)生三相短路故障時，光伏電站公共連接點(diǎn)（PCC）的電流和光伏陣列輸出有功的波形，故障前后光照強(qiáng)度保持為1 000 W/m2?？芍喙收虾蠼尤朦c(diǎn)電壓幾乎下降到0，但此時由于光伏逆變器中功率開關(guān)器件的容量有限，并網(wǎng)光伏電站的故障電流也僅為額定電流的1.25倍左右。光伏逆變器建模中通過給定了控制系統(tǒng)的交、直軸電流參考值的上下限，來限制逆變器的故障電流。

圖8 200 m處故障時光伏電站公共連接點(diǎn)電流

圖9 200 m處故障時光伏陣列輸出有功功率

當(dāng)故障距光伏電站電氣距離足夠短時，由于嚴(yán)重故障端電壓過低（低于50%額定電壓），在饋線保護(hù)動作之前就已自動切除，原有的饋線保護(hù)將不受光伏電站接入的影響。但是光伏電站對異常電壓情況的響應(yīng)具有動作時限規(guī)定，如果外部故障不至于觸發(fā)光伏電站的電壓保護(hù)立即動作（當(dāng)距離光伏電站較遠(yuǎn)處發(fā)生故障，故障時并網(wǎng)光伏電站公共接入點(diǎn)電壓不低于50%），光伏電站的接入就會對配電網(wǎng)的保護(hù)產(chǎn)生影響。

圖10是光伏電站相鄰饋線10 km處發(fā)生三相短路故障時，故障前后光照強(qiáng)度仍保持為1 000 W/m2，光伏電站的公共連接點(diǎn)光伏陣列輸出有功功率的波形?？芍?dāng)距光伏電站較遠(yuǎn)處發(fā)生故障且電網(wǎng)電壓下降小于50%時，由于光伏逆變器的快速響應(yīng)，將使故障發(fā)生瞬間光伏電站的輸出功率基本保持不變，故障導(dǎo)致光伏電站公共接入點(diǎn)電壓下降后，其輸出的電流將與電壓成反比增加，電網(wǎng)電壓降幅小于50%，因而逆變器的輸出電流被限制在額定電流的1.5倍以內(nèi)。

4 結(jié)語

分析了并網(wǎng)光伏電站接入對原有配電網(wǎng)運(yùn)行的影響，根據(jù)該光伏電站實(shí)際運(yùn)行中測得的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對光伏電站接入配電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓分布、頻率波動以及光伏電站的諧波和故障特性進(jìn)行仿真研究，得到以下結(jié)論：

圖10 相鄰饋線10 km處故障時光伏陣列輸出有功功率

（1）光伏電站所接入的配電饋線距離主變電站母線越遠(yuǎn)，饋線電壓升得越高；光伏電站布置越分散，饋線的穩(wěn)態(tài)電壓分布越平滑，末端節(jié)點(diǎn)的電壓也被抬得越高。

（2）光伏電站所接入的系統(tǒng)容量越小，光伏電站的開停機(jī)對配電網(wǎng)頻率的影響越大；小容量配電網(wǎng)進(jìn)行光伏電站規(guī)劃時，需要考慮電網(wǎng)頻率的約束。

（3）光伏逆變器輸出的諧波電流幅值不隨光照強(qiáng)度變化而變化；光照強(qiáng)度降低時，由于基波電流減小，光伏逆變器輸出電流的總諧波畸變率將增大。

（4）當(dāng)故障距光伏電站距離較短時，由于光伏電站故障端電壓低于50%額定電壓，其將立即和電網(wǎng)解列；當(dāng)距光伏電站較遠(yuǎn)處發(fā)生故障且電網(wǎng)電壓下降小于50%時，光伏電站的輸出功率基本保持不變，其輸出的電流將與電壓成反比增加，且被限制在額定電流的1.2～1.5倍以內(nèi)。

[1]劉偉，彭冬，卜廣全，等.光伏發(fā)電接入智能配電網(wǎng)后的系統(tǒng)問題綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（19）∶1-6.

[2]李珂，武家勝，楊澤偉，等.太陽能發(fā)電研究應(yīng)用進(jìn)展[J].浙江電力，2009，28（6）∶53-56.

[3]楊衛(wèi)東，薛峰，徐泰山，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響及相關(guān)需求分析[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2009，33（4）∶35-39，43.

[4]Baran M E,EI-Markaby I.Fault analysis on distribution feeders with distributed generators[J].IEEE Transactions on Power Systems.2005,20（4）∶1757-1764.

[5]謝昊，盧繼平.重合閘在分布式發(fā)電條件下的應(yīng)用分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2007，30（2）∶30-33.

[6]李晶，許洪華，趙海翔，等.并網(wǎng)光伏電站動態(tài)建模及仿真分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（24）∶83-86.

[7]劉飛，段善旭，殷進(jìn)軍，等.單級式光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT的實(shí)現(xiàn)與穩(wěn)定性研究[J].電力電子技術(shù)，2008，42（3）∶28-30.

[8]LUO C，OOI B T.Frequency deviation of thermal power plants due to wind farms.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21（3）∶708-716.