基于典型故障类型的分布式光伏并网对电压稳定性的影响

范 宏, 周献远

(上海电力学院 电气工程学院, 上海 200090)



基于典型故障类型的分布式光伏并网对电压稳定性的影响

范 宏, 周献远

(上海电力学院 电气工程学院, 上海 200090)

为了准确分析分布式光伏并网对电压稳定的影响,针对光伏阵列,给出了一种基于实时数字仿真仪(Real Time Digital Simulator,RTDS)软件平台的光伏并网建模方法.介绍了光伏发电的原理,对分布式光伏并网系统接入电网的方法进行了详细分析和研究.然后,基于光照强度和环境温度在RTDS软件平台上搭建了一个光伏发电并网模型,对光伏并网系统进行了仿真研究.仿真结果表明,不同的系统故障状态下,光伏并网对公网侧和并网侧电压稳定性的影响不同.

光伏并网; 实时数字仿真仪; 电压稳定

由于光伏并网发电系统的规模不断扩大,其功率等级不断提升,对电网的影响越来越明显[1].文献[2]对微网内IIDG的故障特征进行了分析,得出了IIDG不适合直接接入电网的结论.可见,光伏发电并网系统的电压稳定与否,很大程度上决定了光伏发电的未来发展与应用[3].本文介绍了光伏发电的原理及分类,在实时数字仿真(Real Time Digital Simulator,RTDS)软件平台上搭建仿真模型,研究分析了基于典型故障类型的光伏并网对电压稳定性的影响.

1 光伏发电的原理及分类

1.1 光伏发电的原理

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应,将光能直接转变为电能的一种技术.这种技术的关键元件是太阳能电池.太阳能电池经过串联后进行封装保护,可形成大面积的太阳电池组件,再配合功率控制器等部件就形成了光伏发电装置.

在理想状态下,太阳能电池光照后产生一定的光电流,其中一部分用于抵消结电流,另一部分即为供给负载的电流.但实际状态下,由于太阳能电池板前面和背面的电极相接触,以及材料本身具有一定的电阻率,基区和顶层都不可避免地要引入附加电阻.电流流经负载时,必然也会引起损耗.在等效电路中,可将以上的损耗用一个串联电阻来表示.另外,由于电池边沿的漏电,以及制作金属化电极时电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等,使一部分本应通过负载的电流短路,这种损耗可用并联电阻来等效.

1.2 光伏发电的分类

光伏发电系统通常可分为离网(独立)型发电系统和并网型发电系统.离网型光伏发电系统通常建设在远离电网的边远地区,其目的是解决部分地区的无电问题.并网型光伏发系统与电网相连,向电网输送电能,这是光伏发电系统的主流趋势.

1.2.1 离网型光伏发电系统

太阳能发电时段是白天,而负荷用电时段往往是全天,为解决此矛盾,离网型光伏发电系统必须配备储能装置.离网型光伏发电系统主要由光伏阵列、直流防雷汇流箱、控制器、蓄电池、离网逆变器、交流配电柜构成.光伏输出的直流电向蓄电池充电,通过逆变器变换为交流电后,为交流负荷供电.

1.2.2 并网型光伏发电系统

并网型光伏发电系统可分为分布式和集中式两大类.分布式并网型光伏发电系统就属于微电网中的分布式电源(Distribution Generation,DG),特点是光伏发电系统发的电直接分配给用户负荷,多余或不足的电力通过连接电网来调节.集中式并网型光伏发电系统是将太阳能发出的电直接输送到电网上,由电网将电力统一分配给各用户.

并网型光伏发电系统主要是由光伏阵列、直流防雷汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜构成.与离网型光伏发电系统不同的是,离网逆变器是实现U/f输出的电压源,并网逆变器是实现P/Q输出的电流源.

2 RTDS下的系统平台建模

2.1 RTDS的介绍

实时数字仿真系统(RTDS)是由加拿大曼尼托巴RTDS公司开发制造的专门用于实时研究电力系统的数字动模系统[4-5].它包含硬件和软件两部分,硬件用于计算和数据输出,软件RSCAD用于组建电力系统的一次系统及其控制回路,以实现对现实系统网络的实时仿真和控制.与离线仿真软件相比,其优势在于实时性,以及能够带被测试设备闭环运行的能力.不仅可以用于仿真分析,还可以提供一次设备、各类控制系统及各种电力系统自动化设备的实时数字仿真闭环检测试验.

2.2 分布式并网光伏系统模型

本次在RTDS下模拟的分布式并网光伏系统模型,光伏阵列通过双通道逆变器并网,在并网侧通过降压变压器接到用户侧[5],其全貌如图1所示.

图1 屋顶分布式并网光伏系统模型

2.3 控制系统模型的搭建

本文所搭建的控制系统模型为故障类型控制模型,保存在系统模型文件中,控制模型中包含控制对象,以及对应于控制对象进行的控制操作和/或相应的控制配置参数[6].通过断路器控制电容器或电抗器的投入或切除,通过相应的开关控制逻辑框图实现开关的分合操作.完成上述系统平台模型和相应的子模块参数配置后,即可编译模型,仿真所研究的区域电网.

2.4 操作系统模型的搭建

根据一次系统模型图,在RSCAD的仿真运行模块中,搭建该闭环测试平台的操作系统模型,如图2所示.

图2 操作系统模型界面

3 仿真测试与分析

3.1 系统正常状态分析

本文所建模型系统安装于380 V侧配电网,装机容量仅数十千瓦.由于安装于低压侧,容量较小,且是自发自用余电上网的并网模式,因此其对公网电能质量影响较小[7-8].

当光照强度增加时,电池板的输出电压和电流都增大,则电池板的输出功率增加,当光照强度减小时,则相反;当环境温度升高时,电池板的输出电压和电流都减小,输出功率相应减小,当温度降低时则相反.

3.2 系统故障状态仿真

3.2.1 公网侧单相接地故障

公网侧发生A相接地时,故障系统波形图如图3所示.

图3 公网侧A相接地故障系统波形

由图3可知,在发生单相接地故障时,公网侧故障相电压降为零,电流骤增,非故障相电压保持不变,电流骤减,三相间产生严重不平衡的低电压和低电流.公网侧发生单相接地故障时,若不能及时切除故障电路,将对线路及设备造成极大的损害.

3.2.2 公网侧两相短路故障

公网侧发生AB相短路时,故障系统波形图如图4所示.

图4 公网侧AB相短路故障系统波形

光伏发电系统侧在公网侧发生两相短路时会受到极大的影响,电压变化与公网侧相同,而电流则呈现出故障相的大小降低,数值一致,相位相同,与非故障相的方向相反,非故障相电流大小保持不变[9].

3.2.3 公网侧三相短路故障

公网侧三相短路故障状态下,高低压侧母线电压和变压器三相短路电流波形如图5所示.

由图5可知,在发生三相短路故障时,公网侧故障相电压降为零,电流骤增,公网侧发生三相短路故障时,若不能及时切除故障电路,将对线路及设备造成极大的损害.

3.2.4 光伏并网侧单相接地故障

光伏并网侧单相接地故障状态下,高低压侧母线电压和变压器两侧电流波形如见图6.

图5 共网侧三相短路故障系统波形

图6 并网侧B相接地故障系统波形

由图6可以看出,当光伏发电并网侧发生单相接地故障时,380 V并网侧的故障相电压和电流略有降低,对整个并网侧的影响不大,但对10 kV公网侧的电流却产生了极大的影响.故障相电流骤增,非故障相电流几乎降为零,这对整个电网来说危害极大,是绝不容许的.这就对光伏并网系统提出了极高的要求,能在本地发生故障时迅速脱离电网,切除故障,避免对电网造成冲击.

3.2.5 光伏并网侧两相短路故障

光伏并网侧两相短路故障状态下,高低压侧母线电压和变压器两侧电流波形如图7所示.

图7 光伏并网侧AC相短路系统波形

并网侧发生两相短路时,系统的故障特征与公网侧短路时有所不同.由图7可以看出,并网侧故障相A相和C相电压波形并未重合,对公网侧电压的影响很小.而故障对电流的影响很大,故障相电流增大,非故障相电流降低.

3.2.6 并网侧三相短路故障

并网侧发生三相短路故障时,系统波形如图8所示.

图8 光伏并网侧三相短路系统波形

由图8可以看出,当光伏发电并网侧发生三相短路故障时,并网侧故障相电压几乎降为零,故障相电流骤增,对并网侧的电流影响较大,这对光伏并网系统提出了极高的要求,能在本地发生三相短路故障时迅速脱离电网,切除故障,避免对电网造成冲击.

4 结 语

并网型光伏发电是一个新的研究热点,既有很强的应用价值,同时又具备较高的市场价值.本文在RTDS上对光伏并网的模型进行了理论研究,模拟了环境因素(温度、光照强度)对光伏组件输出功率的影响,同时模拟了典型故障状态下系统电压稳定的情况,有利于对光伏并网进行下一步的研究.

[1] 赵争鸣,刘建政,孙晓瑛.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005:11-19.

[2] 韩奕,张东霞.含逆变型分布式电源的微网故障特征分析[J].电网技术,2011,35(10):147-152.

[3] 崔荣强,赵春江,吴达成.并网型太阳能光伏发电系统[M].北京:化学工业出版社,2007:1-7.

[4] 李升健,马亮,黄灿英.实时数字仿真系统(RTDS)在江西电网的应用[J].江西电力,2010,34(4):14-16.

[5] 刘波,杨旭,孔繁麟.三相光伏并网逆变器控制策略[J].电工技术学报,2012,27(12):64-70.

[6] 李晶,许洪华,赵海翔,等.并网光伏电站动态建模与仿真分析[J].电力系统自动化,2008,32(34):83-87.

[7] 苏丽萍,陈侃.基于RTDS的光伏并网系统实时仿真平台研究[J].电力系统保护与控制,2012,40(15):110-115.

[8] 王晓,罗安,邓才波,等.基于光伏并网的电能质量控制系统[J].电网技术,2012,36(4):68-73.

[9] 杨卫东,薛峰.光伏并网发电系统对电网的影响及相关需求分析[J].水电自动化与大坝监测,2009,33(4):35-39.

(编辑 白林雪)

Influence of Photovolic Grid on VoltageStability Based on Typical Faults

FAN Hong, ZHOU Xianyuan

(SchoolofElectricalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In order to analyze distributed photovoltaic(PV) grid influence on voltage stability accurately,for the photovoltaic array,a photovoltaic(PV) grid modeling method based on the RTDS software platform is given.Firstly,the principle of photovoltaic power generation is introduced briefly.A detailed analysis and research is conducted in the light of the method of distributed photovoltaic(PV) grid system connected to the electricity grid.Then,when building a model of grid-connected photovoltaic(PV) on the RTDS software platformon on the basis of light intensity and ambient temperature,the effects on the photovoltaic(PV) grid system are studied through simulation.The simulation results show that voltage stability on public network side and grid-side are different according to different system fault condition.

PV(photovoltaic)grid; real time digital simulator; voltage stability

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.014

2015-11-20

简介：范宏(1978-),女,博士,副教授,湖北恩施人.主要研究方向为电力系统优化运行,电力系统规划.E-mail:fan_honghong@126.com.

国家自然科学基金(51307104).

TM615.2;TM712

A

1006-4729(2016)05-0478-07