基于PSCAD/EMTDC的并网光伏发电分析

刘永胜，李题印，包拯民，黄 河，姚海燕

（余杭供电局，杭州 311100）

0 引言

随着可再生能源分布式电源数量的不断增加，用户对电能质量要求不断提高，建设更加安全、环保、经济的智能电网已经成为全球电力行业的共同目标。光伏发电（PV）具有可再生、无污染、安装方便的优点，且技术逐渐成熟，必将成为未来智能电网中重要的分布式电源[1，2]。

杭州能源与环境产业园并网光伏电站是浙江省首个兆瓦级并网光伏电站项目，也是我国首个高效薄膜、晶硅复合型光伏电站。该光伏发电系统采用分散逆变、集中并网的布置形式并网，多个逆变器并联接入交流汇流箱，通过交流汇流箱并入光伏电站400 V母线，再经1回10 kV线路接入110 kV渔桥变电站。

以杭州能源与环境产业园并网光伏发电站作为研究对象，利用PSCAD/EMTDC仿真平台建立光伏发电系统的模型，根据并网光伏电站实际运行中测得的运行数据，对并网光伏发电系统运行特性及其对电网的影响进行研究，全面评估并网光伏电站的安全性、可靠性和规范管理，为光伏电站接入电网技术规定提供数据和理论支撑。

1 并网光伏电站对配电网的影响

1.1 并网光伏电站对配电网电压的影响

配电系统采用的调压手段有改变有载调压变压器的分接头、投切电容器和安装线路压降补偿调压器等，通过这些调压手段保证用户电压维持在规定电压范围内，保证供电电压质量。并网光伏发电系统接入后原有的调压方式不一定能满足多源配电网的调压要求，尤其是大容量并网光伏发电站并网运行将会干扰原有配电网电压调节设备的正常运行。

1.2 并网光伏电站对配电网频率的影响

电力系统运行中频率异常的情况很少发生，但随着大量光伏发电站接入配电网，当大规模光伏发电机组投切时，出现一定程度频率变化无法避免。而且当并网光伏发电站的发电容量占电网总发电量比例逐步增大后，由于光伏发电机组出力具有一定的随机性，将导致电网内的频率时常出现波动，使频率偏离额定值运行，对用户和电力系统本身都会造成不良后果[3]。

1.3 并网光伏电站对配电网保护和重合闸的影响

当光伏电站接入馈线的其它并联分支线路发生故障时，光伏电站提供的反向故障电流可能使并网光伏电站所在线路的保护误动，造成无故障馈线失去主电源[4]。而光伏电站下游故障时，流过光伏电站下游保护的故障电流增加，有利于保护的动作，但可能使下游保护的电流速断保护范围延伸到下一条线路，使电流保护失去选择性。光伏电站提供的故障电流可能使故障（瞬时性故障）维持发生，若此时进行重合闸将使故障点电弧重燃，事故进一步扩大[5]。且如果重合闸期间并网光伏电站未与电网解列，由于光伏电站与系统主电源失去同步将造成非同期合闸。

2 并网光伏发电系统的模型

光伏并网发电系统的模型主要包括光伏阵列模型和光伏逆变器两个部分，光伏逆变器采用单级逆变器结构（图1），6个IGBT组成三相桥式结构的电压源逆变器，后端采用LC滤波电路滤除输出电压的谐波，经隔离变压器接入电网。图中光伏阵列输出电流IA经二极管为电容Cdc充电，二极管用于阻止直流电流逆流。

图1 并网光伏发电系统模型

光伏阵列是太阳能光伏发电系统的重要组成部分，由若干太阳能电池组件串、并联组成。光伏逆变器将直流电能变换成交流电，并实时控制逆变器输出电流与电网电压同频同相。针对建筑光伏一体化的光伏并网发电系统一般采用单级式电路拓扑[6]的情况，这里采用单级式电路拓扑的光伏发电系统。

2.1 光伏阵列模型

光伏阵列即根据负载容量大小要求将若干个光伏电池组件串并联组成的供电装置。图2是光伏电池单元的等效电路模型[7]，由基尔霍夫电流定律可得：

图2 光伏电池等效电路

式中：IL为光电池短路电流；Id为二极管电流；V，I分别为输出电压和电流；RS为短路电阻；I0为二极管饱和电流；q=1.6×10-19C，为库仑常数；n为结常数；k=1.38×10-23J/K，为波尔兹曼常数。

IL取决于光照强度S和温度T，而I0仅与T有关：

2.2 光伏逆变器模型

式中：下标ref表示光电池组件额定值；AT为二极管饱和电流温度系数。

可采用受控电流源作为实际光伏阵列模型，串联NS和并联NP个光电池组件（单个组件包含m个光电池）的光伏阵列输出电流IA为：

光伏逆变器控制系统的PSCAD/EMTDC仿真模型如图3所示，图中采样环节的采样频率为1.0×104Hz；利用延时元件和比较器得到直流电压和电流偏差信号。由最大功率跟踪（MPPT）模块生成直流电压参考值Vdcref，通过比较器和PI环节后生成交轴电流参考值Iqref，再和直轴电流分量Idref经Park变换后输入PWM触发器得到触发信号。

图3 光伏逆变器控制模型

3 并网光伏发电系统运行分析

3.1 稳态电压分布

根据图4所示的配电馈线结构，仿真计算并网光伏电站位于馈线内不同位置时馈线电压的稳态分布情况。取光伏电站的容量为1 MW，功率因数0.9滞后，按表1中各种位置并入电网，对于多节点接入的情况将光伏电站的总容量平均分配给多个节点进行计算，最小运行方式（取最大负荷的0.3倍）下，配电馈线电压曲线如图5所示。

表1 并网光伏电站位置变化

图4 光伏电站接入馈线不同位置

图5 最小运行方式下光伏电站接入不同位置电压曲线

并网光伏电站的接入对馈线稳态电压有一定的支撑作用，图中曲线1中的光伏电站位置比较接近系统母线，曲线4中的光伏电站位置更为接近线路末端，可知当并网光伏电站离主变电站母线越远，则馈线电压升得越高。曲线5-7代表光伏电站多点接入时的稳态电压曲线。从仿真结果来看，电源分散时的电压曲线比电源集中时电压曲线要平滑，光伏电站布置越分散，则馈线末端节点的电压也被抬得越高。根据并网光伏电站的实际测量数据，夜间运行时由于光伏逆变器都处于待机状态但仍与电网保持连接，逆变器自身的LC滤波器的电容将向电网注入少量无功功率（约为容量的5%）。光伏电站夜间无功出力对馈线电压的支撑，远小于光伏电站白天有功出力的作用。

3.2 频率波动

光伏阵列既非恒压源也非恒流源，其输出特性曲线具有强烈的非线性，且随太阳光照强度和环境温度的改变而变化。由于并网逆变器输出功率按最大功率点跟踪输出，光伏电源输出受天气影响很大，尤其在多云天气，发电功率会出现快速剧烈变化。通过分析单台光伏逆变器400 s内输出功率波动的频谱特性得到图6，可知并网光伏电站功率波动主要集中在0.1 Hz以下，且以0.01 Hz以下的功率波动幅值最大。

文献[8]通过分析电网频率变化与光伏电站的输出功率波动的传递函数频率特性，得出结论为0.01～1.0 Hz的功率波动对电网频率波动的影响最大。对并网光伏电站接入不同容量的配电网（用单台不同容量的火电机组等效），光伏电站投运和切除进行仿真分析，得到光伏电站所接入的配电网的规模越小，光伏电站开停机对配电网频率的影响越大。

图6 光伏逆变器功率波动频率特性

3.3 并网光伏电站的谐波特性

图7是光照强度由700 W/m2直线上升至1 000W/m2时谐波电流总有效值曲线，可知光伏逆变器输出的谐波电流幅值不随由光照强度变化引起的基波电流幅值变化而变化。即光伏逆变器的输出电流总谐波畸变率（THD）随着光照强度减弱而升高，越接近额定输出功率运行，电流的THD越小。因此随着光伏逆变器输出功率的增大，谐波电流含量百分值将有所下降，而在基波电流较小的日出日落时间段电流THD有尖峰值出现。

图7 谐波电流总有效值变化曲线

3.4 并网光伏电站的故障特性

图8和图9分别为距光伏电站200 m处线路发生三相短路故障时，光伏电站公共连接点（PCC）的电流和光伏阵列输出有功的波形，故障前后光照强度保持为1 000 W/m2。可知三相故障后接入点电压几乎下降到0，但此时由于光伏逆变器中功率开关器件的容量有限，并网光伏电站的故障电流也仅为额定电流的1.25倍左右。光伏逆变器建模中通过给定了控制系统的交、直轴电流参考值的上下限，来限制逆变器的故障电流。

图8 200 m处故障时光伏电站公共连接点电流

图9 200 m处故障时光伏阵列输出有功功率

当故障距光伏电站电气距离足够短时，由于严重故障端电压过低（低于50%额定电压），在馈线保护动作之前就已自动切除，原有的馈线保护将不受光伏电站接入的影响。但是光伏电站对异常电压情况的响应具有动作时限规定，如果外部故障不至于触发光伏电站的电压保护立即动作（当距离光伏电站较远处发生故障，故障时并网光伏电站公共接入点电压不低于50%），光伏电站的接入就会对配电网的保护产生影响。

图10是光伏电站相邻馈线10 km处发生三相短路故障时，故障前后光照强度仍保持为1 000 W/m2，光伏电站的公共连接点光伏阵列输出有功功率的波形。可知当距光伏电站较远处发生故障且电网电压下降小于50%时，由于光伏逆变器的快速响应，将使故障发生瞬间光伏电站的输出功率基本保持不变，故障导致光伏电站公共接入点电压下降后，其输出的电流将与电压成反比增加，电网电压降幅小于50%，因而逆变器的输出电流被限制在额定电流的1.5倍以内。

4 结语

分析了并网光伏电站接入对原有配电网运行的影响，根据该光伏电站实际运行中测得的运行数据，对光伏电站接入配电网的稳态电压分布、频率波动以及光伏电站的谐波和故障特性进行仿真研究，得到以下结论：

图10 相邻馈线10 km处故障时光伏阵列输出有功功率

（1）光伏电站所接入的配电馈线距离主变电站母线越远，馈线电压升得越高；光伏电站布置越分散，馈线的稳态电压分布越平滑，末端节点的电压也被抬得越高。

（2）光伏电站所接入的系统容量越小，光伏电站的开停机对配电网频率的影响越大；小容量配电网进行光伏电站规划时，需要考虑电网频率的约束。

（3）光伏逆变器输出的谐波电流幅值不随光照强度变化而变化；光照强度降低时，由于基波电流减小，光伏逆变器输出电流的总谐波畸变率将增大。

（4）当故障距光伏电站距离较短时，由于光伏电站故障端电压低于50%额定电压，其将立即和电网解列；当距光伏电站较远处发生故障且电网电压下降小于50%时，光伏电站的输出功率基本保持不变，其输出的电流将与电压成反比增加，且被限制在额定电流的1.2～1.5倍以内。

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