大容量光伏发电接入对孤立电网稳定性的影响

2011-09-26张菲菲王晓峰张立锋沙旦华祁晓卿

上海电力大学学报 2011年5期

靳希，张菲菲，王晓峰，张立锋，厉瑜，沙旦华，祁晓卿，曹炜

(1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090;2.西藏电力公司科技信息部，西藏拉萨 850000)

近年来，太阳能作为一种可再生的清洁能源越来越受到人们的重视，而光伏发电已经朝规模化和并网型方向发展［1，2］.当光伏发电在电网中占有一定的比例时，就必须要考虑光伏接入对电网的影响.

孤立电网一般具有电网规模小，电源数量少，负荷变化大等特点，急需发展光伏等新能源.而光伏发电出力本身又具有间歇性、随机性，因此大容量光伏发电接入孤立电网后，势必对电网的稳定性造成不利的影响.文献［3］通过仿真计算指出，当光伏容量占系统总装机容量的3.6%时，光伏电站出力扰动对系统的冲击已较为明显.

电力系统分析综合程序(PSASP)是由中国电力科学研究院研发的电力系统分析程序，是高度集成和开放的、具有我国自主知识产权的大型软件包.本文基于PSASP光伏模块，研究了大容量光伏发电接入对孤立电网稳定性的影响.

1 光伏电池模型

现有的光伏电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］两种.基于物理特性的模型是以等效电路为基础，根据光伏器件半导体的特性及其物理本质而建立的.该模型能准确反映其物理特性，具有较高的仿真精度，但缺点是结构复杂，模型参数与常规参数对应关系不明确，参数求取较困难.基于外特性的模型可根据电池外特性拟合出相应的电压与电流关系曲线.该模型忽略了光伏电池内部特性，具有建模简单，同时又能较好地模拟光伏的输出特性.在进行光伏电站机电暂态仿真的时候可以采用基于外特性的光伏电池模型.其表达式为［6，7］:

式中:Isc——光伏电池的短路电流;

Uoc——光伏电池的开路电压;

Im——光伏电池的最大功率点电流;

Um——光伏电池的最大功率点电压.

为了计及日照和温度的变化情况，需对上述4值进行修订.

式中:S——实际日照强度;

T——实际温度;

Iscc——修正后的短路电流;

Uocc——修正后的开路电压;

Imm——修正后的最大功率点电流;

Umm——修正后的最大功率点电压.

2 逆变器模型

2.1 逆变器控制系统

光伏逆变器大多采用电流内环、电压外环的双环控制方式.对于机电暂态仿真，逆变器本身的模型可用惯性环节模拟.PWM逆变器由于采用了较高频率的调制波，惯性延迟的时间常数很小，可将逆变器进一步转化为纯比例环节，其比例系数为逆变器的固定增益.电压调节器采用惯性环节模拟.

2.2 逆变器保护系统设定

逆变器由于造价昂贵，且耐受电压、耐受电流的能力较弱，在现场应用中，逆变器配备有多重保护.PSASP光伏模块中模拟了相应的保护模块.根据2009年7月发布的《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》规定，对PSASP软件环境下光伏电站模型中的电压保护、电流保护、频率保护、电压不平衡保护以及光伏电站重合闸的设定如图1所示，其中保护的延时定值按技术规定中要求的最低限值考虑.

电压保护各设定值见图1a，其中Ut和Un分别表示光伏实际输出电压和光伏额定电压.光伏电站的电流保护设定值见图1b，其中Is和In分别表示光伏实际输出电流和光伏额定电流.大、中型光伏电站对西藏阿里电网的欠/过频保护设定值见图1c.其中f为电网频率.

光伏系统并网运行(仅对三相输出)时，电网接口处的负序电压不平衡度应不超过2%，短时不得超过4%.其电压不平衡保护设定值见图1d.其中U1和U2分别为正序和负序电压.

系统发生扰动后，在电网电压和频率恢复到正常范围之前，光伏电站不允许并网，当电压频率恢复正常后，光伏电站需要经过一个可调的延时时间后才能重新并网.由于孤立电网中光伏电站将作为主要电源，为了能更快的恢复供电，重合闸时间取20 s.

图1 光伏电站各保护的设定值示意

3 仿真算例

3.1 计算条件

针对西部某孤立电网，对光伏电站接入后的电网稳定性进行仿真.其网络接线图如图2所示.

图2 孤立电网的接线示意

其中，水轮机容量为4.8 MW(3 ×1.6 MW)，柴油机容量为1.2 MW，光伏电站容量为2.4 MW，光伏容量占总容量的40%.

针对该网络在不同扰动情况下对系统的稳定性进行分析，扰动设定如表1所示.

表1 扰动设定

3.2 稳定判据

根据《DL_755－2001电力系统安全稳定导则》，功角稳定的判据［8］是系统遭受扰动后，任意两台机组相对角度摇摆曲线呈同步减幅振荡.电压稳定的判据是电网中枢点的母线电压能快速恢复到额定值的0.8 p.u.以上.电压波动范围在额定电压的±5%内视为电压波动不大.

根据《GBT 15945－2008电能质量电力系统频率偏差》的规定，容量较小的电力系统，偏差限值为±0.5 Hz.对于孤立电网，实际运行中频率偏差较大;且孤立电网负荷多为普通生产和生活负荷，为保证安全可靠供电，对频率质量的要求可适当放宽.稳态频率偏差在±0.5 Hz范围内认为频率质量为合格;暂态频率偏差超过－5.0 Hz和+2 Hz，则认为系统已失去频率稳定.

3.3 仿真结果

通过仿真计算可得到如表2所示的结果.由表2可以看出，当光伏发电接入到该孤立系统后，除扰动6外，系统都会发生频率失稳;在三相短路情况下，系统功角会失稳，其他扰动下功角能够保持稳定;所有扰动下，各节点电压都能保持稳定.

3.3.1 光照强度突降

由表2可知，扰动3和扰动4出现了两个正负频率偏差最大值.

原因是光照强度下降后，光伏电站的出力减少，导致光伏电站逆变器低频保护动作而退出运行，从而使频率继续下降达到负的最大偏差值;随着水轮发电机调速器的一次调频启动，水轮机组出力增加，频率回升，当其恢复到符合光伏电站并网条件时，光伏电站重新并网，系统频率上升，达到正的最大偏差值，但又会导致逆变器过频保护动作，导致光伏电站退出运行.

扰动3冲击下系统频率动态变化曲线和光伏电站功率输出波形如图3所示.

表2 各扰动情况下稳定性仿真结果 Hz

图3 光照突降50%光伏有功出力和频率曲线

光伏电站在退出运行20 s后重新并网，频率开始上升，此后不久高频保护动作，光伏电站又会退出运行.随后频率下降，当频率恢复到正常范围内，经延时光伏又重新并网.频率又上升，此后不久高频保护动作，光伏电站又会退出运行.光伏电站出现频繁投退.

3.3.2 柴油机退出运行

当柴油机退出运行后，电网有功出现缺额，电网频率开始下降.然后水轮机调速器开始作用，频率开始上升.由于柴油机容量较小，所占电源比例小，因而柴油机切除后电网频率下降较小，其值不足以触发光伏的频率保护，所以光伏电站不会退出运行.图4为光伏电站出力和频率曲线.由图4可以看出，在柴油机退出后光伏电站有功会出现波动，而后逐渐平稳.

3.3.3 三相短路

由表2可知，电网发生扰动7(三相永久性短路故障)对阿里电网安全稳定性冲击很大.假定1 s发生三相永久短路故障，按电网线路保护的配置经过1.1 s后跳开线路，电网将失稳，主要表现在功角失稳和频率失稳两个方面，但故障清除后电压恢复较好.功角失稳表现为水电机组和柴油机组功角相对摆开.