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      大容量光伏發(fā)電接入對(duì)孤立電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

      2011-09-26 02:03:40張菲菲王曉峰張立鋒沙旦華祁曉卿
      關(guān)鍵詞:擾動(dòng)短路電站

      靳 希,張菲菲,王曉峰,張立鋒,厲 瑜,沙旦華,祁曉卿,曹 煒

      (1.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院,上海 200090;2.西藏電力公司科技信息部,西藏拉薩 850000)

      近年來(lái),太陽(yáng)能作為一種可再生的清潔能源越來(lái)越受到人們的重視,而光伏發(fā)電已經(jīng)朝規(guī)?;筒⒕W(wǎng)型方向發(fā)展[1,2].當(dāng)光伏發(fā)電在電網(wǎng)中占有一定的比例時(shí),就必須要考慮光伏接入對(duì)電網(wǎng)的影響.

      孤立電網(wǎng)一般具有電網(wǎng)規(guī)模小,電源數(shù)量少,負(fù)荷變化大等特點(diǎn),急需發(fā)展光伏等新能源.而光伏發(fā)電出力本身又具有間歇性、隨機(jī)性,因此大容量光伏發(fā)電接入孤立電網(wǎng)后,勢(shì)必對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成不利的影響.文獻(xiàn)[3]通過(guò)仿真計(jì)算指出,當(dāng)光伏容量占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的3.6%時(shí),光伏電站出力擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的沖擊已較為明顯.

      電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)是由中國(guó)電力科學(xué)研究院研發(fā)的電力系統(tǒng)分析程序,是高度集成和開(kāi)放的、具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型軟件包.本文基于PSASP光伏模塊,研究了大容量光伏發(fā)電接入對(duì)孤立電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響.

      1 光伏電池模型

      現(xiàn)有的光伏電池模型主要有基于物理特性的模型和基于外特性的模型[4,5]兩種.基于物理特性的模型是以等效電路為基礎(chǔ),根據(jù)光伏器件半導(dǎo)體的特性及其物理本質(zhì)而建立的.該模型能準(zhǔn)確反映其物理特性,具有較高的仿真精度,但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,模型參數(shù)與常規(guī)參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確,參數(shù)求取較困難.基于外特性的模型可根據(jù)電池外特性擬合出相應(yīng)的電壓與電流關(guān)系曲線.該模型忽略了光伏電池內(nèi)部特性,具有建模簡(jiǎn)單,同時(shí)又能較好地模擬光伏的輸出特性.在進(jìn)行光伏電站機(jī)電暫態(tài)仿真的時(shí)候可以采用基于外特性的光伏電池模型.其表達(dá)式為[6,7]:

      式中:Isc——光伏電池的短路電流;

      Uoc——光伏電池的開(kāi)路電壓;

      Im——光伏電池的最大功率點(diǎn)電流;

      Um——光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓.

      為了計(jì)及日照和溫度的變化情況,需對(duì)上述4值進(jìn)行修訂.

      式中:S——實(shí)際日照強(qiáng)度;

      T——實(shí)際溫度;

      Iscc——修正后的短路電流;

      Uocc——修正后的開(kāi)路電壓;

      Imm——修正后的最大功率點(diǎn)電流;

      Umm——修正后的最大功率點(diǎn)電壓.

      2 逆變器模型

      2.1 逆變器控制系統(tǒng)

      光伏逆變器大多采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙環(huán)控制方式.對(duì)于機(jī)電暫態(tài)仿真,逆變器本身的模型可用慣性環(huán)節(jié)模擬.PWM逆變器由于采用了較高頻率的調(diào)制波,慣性延遲的時(shí)間常數(shù)很小,可將逆變器進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為純比例環(huán)節(jié),其比例系數(shù)為逆變器的固定增益.電壓調(diào)節(jié)器采用慣性環(huán)節(jié)模擬.

      2.2 逆變器保護(hù)系統(tǒng)設(shè)定

      逆變器由于造價(jià)昂貴,且耐受電壓、耐受電流的能力較弱,在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,逆變器配備有多重保護(hù).PSASP光伏模塊中模擬了相應(yīng)的保護(hù)模塊.根據(jù)2009年7月發(fā)布的《國(guó)家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》規(guī)定,對(duì)PSASP軟件環(huán)境下光伏電站模型中的電壓保護(hù)、電流保護(hù)、頻率保護(hù)、電壓不平衡保護(hù)以及光伏電站重合閘的設(shè)定如圖1所示,其中保護(hù)的延時(shí)定值按技術(shù)規(guī)定中要求的最低限值考慮.

      電壓保護(hù)各設(shè)定值見(jiàn)圖1a,其中Ut和Un分別表示光伏實(shí)際輸出電壓和光伏額定電壓.光伏電站的電流保護(hù)設(shè)定值見(jiàn)圖1b,其中Is和In分別表示光伏實(shí)際輸出電流和光伏額定電流.大、中型光伏電站對(duì)西藏阿里電網(wǎng)的欠/過(guò)頻保護(hù)設(shè)定值見(jiàn)圖1c.其中f為電網(wǎng)頻率.

      光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行(僅對(duì)三相輸出)時(shí),電網(wǎng)接口處的負(fù)序電壓不平衡度應(yīng)不超過(guò)2%,短時(shí)不得超過(guò)4%.其電壓不平衡保護(hù)設(shè)定值見(jiàn)圖1d.其中U1和U2分別為正序和負(fù)序電壓.

      系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后,在電網(wǎng)電壓和頻率恢復(fù)到正常范圍之前,光伏電站不允許并網(wǎng),當(dāng)電壓頻率恢復(fù)正常后,光伏電站需要經(jīng)過(guò)一個(gè)可調(diào)的延時(shí)時(shí)間后才能重新并網(wǎng).由于孤立電網(wǎng)中光伏電站將作為主要電源,為了能更快的恢復(fù)供電,重合閘時(shí)間取20 s.

      圖1 光伏電站各保護(hù)的設(shè)定值示意

      3 仿真算例

      3.1 計(jì)算條件

      針對(duì)西部某孤立電網(wǎng),對(duì)光伏電站接入后的電網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真.其網(wǎng)絡(luò)接線圖如圖2所示.

      圖2 孤立電網(wǎng)的接線示意

      其中,水輪機(jī)容量為4.8 MW(3 ×1.6 MW),柴油機(jī)容量為1.2 MW,光伏電站容量為2.4 MW,光伏容量占總?cè)萘康?0%.

      針對(duì)該網(wǎng)絡(luò)在不同擾動(dòng)情況下對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,擾動(dòng)設(shè)定如表1所示.

      表1 擾動(dòng)設(shè)定

      3.2 穩(wěn)定判據(jù)

      根據(jù)《DL_755-2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》,功角穩(wěn)定的判據(jù)[8]是系統(tǒng)遭受擾動(dòng)后,任意兩臺(tái)機(jī)組相對(duì)角度搖擺曲線呈同步減幅振蕩.電壓穩(wěn)定的判據(jù)是電網(wǎng)中樞點(diǎn)的母線電壓能快速恢復(fù)到額定值的0.8 p.u.以上.電壓波動(dòng)范圍在額定電壓的±5%內(nèi)視為電壓波動(dòng)不大.

      根據(jù)《GBT 15945-2008電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》的規(guī)定,容量較小的電力系統(tǒng),偏差限值為±0.5 Hz.對(duì)于孤立電網(wǎng),實(shí)際運(yùn)行中頻率偏差較大;且孤立電網(wǎng)負(fù)荷多為普通生產(chǎn)和生活負(fù)荷,為保證安全可靠供電,對(duì)頻率質(zhì)量的要求可適當(dāng)放寬.穩(wěn)態(tài)頻率偏差在±0.5 Hz范圍內(nèi)認(rèn)為頻率質(zhì)量為合格;暫態(tài)頻率偏差超過(guò)-5.0 Hz和+2 Hz,則認(rèn)為系統(tǒng)已失去頻率穩(wěn)定.

      3.3 仿真結(jié)果

      通過(guò)仿真計(jì)算可得到如表2所示的結(jié)果.由表2可以看出,當(dāng)光伏發(fā)電接入到該孤立系統(tǒng)后,除擾動(dòng)6外,系統(tǒng)都會(huì)發(fā)生頻率失穩(wěn);在三相短路情況下,系統(tǒng)功角會(huì)失穩(wěn),其他擾動(dòng)下功角能夠保持穩(wěn)定;所有擾動(dòng)下,各節(jié)點(diǎn)電壓都能保持穩(wěn)定.

      3.3.1 光照強(qiáng)度突降

      由表2可知,擾動(dòng)3和擾動(dòng)4出現(xiàn)了兩個(gè)正負(fù)頻率偏差最大值.

      原因是光照強(qiáng)度下降后,光伏電站的出力減少,導(dǎo)致光伏電站逆變器低頻保護(hù)動(dòng)作而退出運(yùn)行,從而使頻率繼續(xù)下降達(dá)到負(fù)的最大偏差值;隨著水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器的一次調(diào)頻啟動(dòng),水輪機(jī)組出力增加,頻率回升,當(dāng)其恢復(fù)到符合光伏電站并網(wǎng)條件時(shí),光伏電站重新并網(wǎng),系統(tǒng)頻率上升,達(dá)到正的最大偏差值,但又會(huì)導(dǎo)致逆變器過(guò)頻保護(hù)動(dòng)作,導(dǎo)致光伏電站退出運(yùn)行.

      擾動(dòng)3沖擊下系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)變化曲線和光伏電站功率輸出波形如圖3所示.

      表2 各擾動(dòng)情況下穩(wěn)定性仿真結(jié)果 Hz

      圖3 光照突降50%光伏有功出力和頻率曲線

      光伏電站在退出運(yùn)行20 s后重新并網(wǎng),頻率開(kāi)始上升,此后不久高頻保護(hù)動(dòng)作,光伏電站又會(huì)退出運(yùn)行.隨后頻率下降,當(dāng)頻率恢復(fù)到正常范圍內(nèi),經(jīng)延時(shí)光伏又重新并網(wǎng).頻率又上升,此后不久高頻保護(hù)動(dòng)作,光伏電站又會(huì)退出運(yùn)行.光伏電站出現(xiàn)頻繁投退.

      3.3.2 柴油機(jī)退出運(yùn)行

      當(dāng)柴油機(jī)退出運(yùn)行后,電網(wǎng)有功出現(xiàn)缺額,電網(wǎng)頻率開(kāi)始下降.然后水輪機(jī)調(diào)速器開(kāi)始作用,頻率開(kāi)始上升.由于柴油機(jī)容量較小,所占電源比例小,因而柴油機(jī)切除后電網(wǎng)頻率下降較小,其值不足以觸發(fā)光伏的頻率保護(hù),所以光伏電站不會(huì)退出運(yùn)行.圖4為光伏電站出力和頻率曲線.由圖4可以看出,在柴油機(jī)退出后光伏電站有功會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),而后逐漸平穩(wěn).

      3.3.3 三相短路

      由表2可知,電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)7(三相永久性短路故障)對(duì)阿里電網(wǎng)安全穩(wěn)定性沖擊很大.假定1 s發(fā)生三相永久短路故障,按電網(wǎng)線路保護(hù)的配置經(jīng)過(guò)1.1 s后跳開(kāi)線路,電網(wǎng)將失穩(wěn),主要表現(xiàn)在功角失穩(wěn)和頻率失穩(wěn)兩個(gè)方面,但故障清除后電壓恢復(fù)較好.功角失穩(wěn)表現(xiàn)為水電機(jī)組和柴油機(jī)組功角相對(duì)擺開(kāi).

      圖4 柴油機(jī)退出后光伏出力和頻率曲線

      4 結(jié)論

      (1)光伏發(fā)電接入孤立電網(wǎng)后存在的穩(wěn)定問(wèn)題主要是頻率失穩(wěn).文中的7種擾動(dòng),均存在頻率失穩(wěn)問(wèn)題,而功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定性較好.

      (2)由于孤立系統(tǒng)頻率特性較差,如果按照通常的光伏并入電網(wǎng)的頻率要求來(lái)整定光伏保護(hù)系統(tǒng),會(huì)出現(xiàn)光伏電站頻繁投切現(xiàn)象,不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.

      (3)系統(tǒng)發(fā)生三相短路,可能導(dǎo)致系統(tǒng)功角失穩(wěn),應(yīng)快速切除短路故障,以避免系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化.

      [1]李春鵬,張廷元,周封.太陽(yáng)能光伏發(fā)電綜述[J].電工材料,2006(3):45-48.

      [2]趙晶,趙爭(zhēng)鳴,周德佳.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].電氣應(yīng)用,2007,26(10):6-10.

      [3]王一波,李晶,許洪華,等.考慮電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束的光伏電站最大安裝容量計(jì)算與分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2008,29(8):1-5.

      [4]周德佳,趙爭(zhēng)鳴,吳理博,等.基于仿真模型的太陽(yáng)能光伏電池陣列特性的分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,47(7):1 109-1 112.

      [5]焦陽(yáng),宋強(qiáng),劉文華.光伏電池實(shí)用仿真模型及光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真[J].電網(wǎng)技術(shù).2010,34(11):198-202.

      [6]蘇建徽,余世杰,趙為.硅太陽(yáng)電池工程用數(shù)學(xué)模型[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2001,22(4):409-412.

      [7]茆美琴,余世杰,蘇建徽.帶有 MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005,17(5):1 248-1 251.

      [8]中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL_755-2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則[S].中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2001[2011-07-01].http://wenku.baidu.com/view/284 Tbcacdd3383c4bb4cd22d.html.

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