分布式光伏對局部電網(wǎng)安全運(yùn)行影響研究及開發(fā)應(yīng)用

鄒兆東

國網(wǎng)湖北省電力有限公司十堰供電公司 湖北 十堰442000

1 引言

當(dāng)今社會(huì)，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源對環(huán)境造成了巨大的影響而且出現(xiàn)短缺。為了緩解能源短缺和環(huán)境污染造成的壓力，人們正在積極尋找可再生、清潔的能源作為化石能源的替代品。其中，太陽能和傳統(tǒng)能源相比具有儲(chǔ)量豐富、無需運(yùn)輸、清潔無污染、可再生四大方面的優(yōu)點(diǎn)，受到人們廣泛關(guān)注。加強(qiáng)對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究對于提高能源效率有著至關(guān)重要的意義。

2 分布式光伏系概述

分布式光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)時(shí)，一般是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。大量的電力電子轉(zhuǎn)換器的接入對電網(wǎng)來說，相當(dāng)于增加了大量的非線性負(fù)載，勢必會(huì)引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，即引起電網(wǎng)的諧波污染。同時(shí)由于電源出力受自然條件的影響，其輸出呈現(xiàn)間歇性的特點(diǎn)，接入主網(wǎng)時(shí)會(huì)對其電壓，頻率的穩(wěn)定性造成影響。

為適應(yīng)我國分布式光伏發(fā)電的發(fā)展，保證光伏系統(tǒng)接入情況下電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，就必須開發(fā)一種針對光伏電站的綜合監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光伏電站的電能質(zhì)量準(zhǔn)確測量及電能質(zhì)量問題源定位；分析光伏電站的故障及對繼電保護(hù)動(dòng)作的影響；跟蹤系統(tǒng)內(nèi)的功率波動(dòng)情況，對分布式光伏電站進(jìn)行綜合監(jiān)測及評(píng)估分析。

3 介紹國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對本項(xiàng)目的研究情況

3.1 針對光伏電站的數(shù)據(jù)高精度采集技術(shù) 由于光伏系統(tǒng)的接入，系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題較多，裝置應(yīng)能準(zhǔn)確反應(yīng)測量點(diǎn)的各項(xiàng)電氣指標(biāo)信息(包括諧波、間諧波、電壓波動(dòng)和閃變等)，特別是能提取光伏電站接入引起的暫態(tài)電能質(zhì)量問題信息，同時(shí)高效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理不應(yīng)對裝置硬件造成負(fù)擔(dān)。

3.2 基于太陽能光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析技術(shù) 應(yīng)具備一種綜合分析技術(shù)，構(gòu)建光伏電站的綜合分析模型，實(shí)現(xiàn)對光伏電站中的電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)及暫態(tài)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以便客戶掌握全面的系統(tǒng)信息用于分析光伏電站接入對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

3.3 精確的諧波及間諧波分析 監(jiān)測裝置能夠準(zhǔn)確記錄光伏電站的電力電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波及間諧波信息，針對光伏電站的特點(diǎn)，諧波分辨率高于一般的電能質(zhì)量裝置，并能分析諧波及間諧波對電網(wǎng)的影響。

3.4 光伏電站現(xiàn)場測試功能 監(jiān)測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)電能質(zhì)量測試、功率特性測試、電壓異常(擾動(dòng))響應(yīng)特性測試、低電壓耐受能力測試、頻率異常(擾動(dòng))響應(yīng)特性測試等測試的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確記錄功能，以便利用相關(guān)數(shù)據(jù)分析光伏電站接入對系統(tǒng)穩(wěn)定性的綜合影響。

3.5 電能質(zhì)量及故障記錄復(fù)合功能 裝置應(yīng)在同一硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量和故障記錄的復(fù)合功能，能分析同一時(shí)刻電能質(zhì)量事件與電力系統(tǒng)故障事故之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時(shí)需要有完善的數(shù)據(jù)對齊及分析技術(shù)對電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)及故障暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一綜合分析。

4 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)方案

4.1 項(xiàng)目研究內(nèi)容的原理 項(xiàng)目通過采集光伏電站各測量點(diǎn)的諧波、間諧波、電壓波動(dòng)和閃變等信息，對這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，同時(shí)，能夠?qū)ν粫r(shí)刻電能質(zhì)量事件與電力系統(tǒng)故障事故之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果制定合理的治理解決方案，減輕光伏等新能源產(chǎn)業(yè)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來的一系列問題。

4.2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的理論依據(jù)

4.2.1 分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 光伏發(fā)電分為2種并網(wǎng)形式：一是通過中高線路接入輸電網(wǎng)；二是經(jīng)過低壓線路接入配電網(wǎng)。其中第2種多是農(nóng)村屋頂光伏電或城市小規(guī)模建筑光伏電源，即分布式光伏電源(PV)。PV并網(wǎng)系統(tǒng)主要由光伏陣列、逆變器、變壓器和控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示

由于對分布式光伏電源性能要求不同，能量傳輸與變換的控制方式也有多種。從輸入角度看，光伏逆變系統(tǒng)可以等效為2種形式：電流源型和電壓源型。前者，在直流側(cè)串聯(lián)大電感以儲(chǔ)存無功功率，并提供穩(wěn)定的直流輸入，但串入大電感會(huì)影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度，實(shí)際中應(yīng)用很少；后者采用電容作為儲(chǔ)能元件緩沖無功功率，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛。

從輸出角度看，并網(wǎng)逆變器的輸出控制模式同樣有電壓型和電流型2種。在電壓型模式中，并網(wǎng)逆變器對電網(wǎng)呈現(xiàn)低阻抗特性，其輸出的是標(biāo)準(zhǔn)正弦脈寬調(diào)制信號(hào)，并網(wǎng)電流和輸出電源的質(zhì)量完全取決于電網(wǎng)電壓；而在電流型模式中，并網(wǎng)逆變器呈現(xiàn)出高阻抗特性，輸出電流是受控量，它的質(zhì)量受到電網(wǎng)電壓的影響較少，采用這種模式，可以減小電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)對輸出電流的影響，改善輸出電流的質(zhì)量，應(yīng)用較多。

4.2.3 電壓、電流有效值計(jì)算 電力系統(tǒng)中，理想的電流電壓應(yīng)該只有頻率為工頻這一種電量，但由于非線性負(fù)載的加入，電壓電流波形產(chǎn)生了畸變，產(chǎn)生了頻率為工頻整數(shù)倍的諧波電量。根據(jù)有效值的定義，我們采用離散傅里葉變換和均方根算法進(jìn)行電壓電流有效值計(jì)算。

4.2.4 光纖通信技術(shù) 光纖通信系統(tǒng)性能良好，在我國的高壓輸電網(wǎng)中已有大量使用。光纖通信具有如下特點(diǎn)：

信道容量大，輸送距離遠(yuǎn)，能耗低；不同型號(hào)之間互相干擾小，保密性好；對電磁干擾不敏感，通信質(zhì)量好；光纜體積小，密度小，利于運(yùn)輸和施工，對環(huán)境危害小能適應(yīng)各種環(huán)境，耐久性好。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 光伏電站電能質(zhì)量及故障記錄綜合監(jiān)測裝置主CPU 采用了當(dāng)前國際上最為流行的32位超低功耗ARM處理機(jī)，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和通信能力；采用高速高精度同步AD 技術(shù)；雙以太網(wǎng)，10 M/100 M 自適應(yīng)。串口支持RS232/RS485/RS422等方式。遙信輸入、遙測輸入都有2層隔離，保證了硬件系統(tǒng)的安全、可靠。

光伏電站電能質(zhì)量及故障記錄綜合分析平臺(tái)采用了Lab VIEW作為開發(fā)環(huán)境。Lab VIEW是一種基于C語言的圖形化編程語言和開發(fā)環(huán)境，是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，采用這種方式進(jìn)行編程非常方便，并且具有友好的人機(jī)交互界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)在查錯(cuò)、調(diào)試和網(wǎng)絡(luò)通信等方面也有著獨(dú)特的優(yōu)勢。用戶通過Lab VIEW豐富的集成模塊進(jìn)行圖形化編程，可以方便地獲得想要的各種測量功能。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對并網(wǎng)光伏電站電能質(zhì)量三項(xiàng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的監(jiān)測，利用LabSQL模塊和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及基于C/S模式、B/S模式和RemotePanels技術(shù)的信息遠(yuǎn)程發(fā)布方案，使監(jiān)控中心可通過Internet直接查看即時(shí)和歷史電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享。

項(xiàng)目開展針對光伏電站的數(shù)據(jù)高精度采集技術(shù)研究，采集測量點(diǎn)的各項(xiàng)電氣指標(biāo)信息，提取光伏電站接入引起的暫態(tài)電能質(zhì)量問題信息；項(xiàng)目開展基于太陽能光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)對光伏電站中的電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)及暫態(tài)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析；項(xiàng)目開展精確的諧波及間諧波分析研究，分析諧波及間諧波對電網(wǎng)的影響；項(xiàng)目開展光伏電站現(xiàn)場測試功能研究，實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄功能，分析分析光伏電站接入對系統(tǒng)穩(wěn)定性的綜合影響；項(xiàng)目開展電能質(zhì)量及故障記錄復(fù)合功能研究，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)及故障暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一綜合分析。

5 結(jié)束語

通過項(xiàng)目的實(shí)施，能夠?qū)Φそ貐^(qū)電網(wǎng)的光伏發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)帶來的電能質(zhì)量問題及系統(tǒng)穩(wěn)定性問題進(jìn)行及時(shí)跟蹤和分析；彌補(bǔ)避免單一的諧波監(jiān)測或電能質(zhì)量監(jiān)測由于監(jiān)測不全帶來的分析偏差；并能夠根據(jù)監(jiān)測結(jié)果制定合理的治理解決方案；根據(jù)現(xiàn)場情況選擇便攜或在線監(jiān)測，減輕現(xiàn)場操作人員的工作強(qiáng)度和壓力；完善的光伏試驗(yàn)分析模塊可分析光伏電站接入后各項(xiàng)特性對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。通過全面精確的監(jiān)測和深入分析后解決方案的制定，能夠減輕光伏等新能源產(chǎn)業(yè)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來的一系列問題，全面提高廣西電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全穩(wěn)定性。