分布式光伏电源对配电网电压的影响与改善

1、第27卷第10期2011年10月电力科学与工程Electric Power Science and EngineeringVol.27,No.10Oct,20111分布式光伏电源对配电网电压的影响与改善许正梅,梁志瑞,苏海峰,陈浩(华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003摘要:首先分析分布式光伏电源接入配电网的控制原理,建立了分布式光伏电源接入配电网的仿真模型,从理论上分析了影响光伏出力的因素:太阳辐照度、温度,得出太阳辐照度是影响光伏出力的主要因素。基于实际太阳辐照度的变化情况,仿真研究1天中光伏出力随辐照度变化对电压的影响,并提出采用分布式光伏电源与静止型无功补偿装置复合调节来

2、改善电压质量的措施。关键词:分布式光伏电源;配电网;太阳辐照度;电压中图分类号:TM74文献标识码:A 收稿日期:20110715。作者简介:许正梅(1986,女,硕士研究生,研究方向为分布式光伏电源接入配电网对电能质量的影响,E-mail :xuzhengmei86126com 。0引言随着能源问题日益紧迫,世界各国开始高度重视新能源的开发及其相关技术的研究1 3。分布式光伏电源(distributed photovoltaic ,PV 作为新能源的一种,其工作特点是:通过逆变器将光伏阵列产生的直流电转换成与电网同频同相的交流电,经隔离或升压变压器接入配电网。PV 有着传统能源不可比拟的优点

3、,但由于光照的不确定性,接入电网后不可避免会对电网的电压质量造成影响4。目前,各国对PV 并网的研究集中在对大系统运行、同步、稳定等方面的冲击和影响5 7,中小容量并入低压配电网对继电保护、电压稳定性影响8 10等方面,对PV 并网后引起电压波动、电压越限等电能质量问题尚缺少透彻的分析。文献11研究了不同类型的分布式发电接入配电网对静态电压稳定指标的影响,但针对光伏电源输出功率的不确定性没有进行深入分析;文献12对PV 接入配电网引起电压变化的机理进行分析,说明PV 不同容量、不同位置接入时对电网电压的影响,但没有考虑光伏出力的影响因素。日本一项数据显示因日照原因引起的分布式光伏电源输出的功率

4、变化率最大可达分布式光伏电源容量的18%左右,可见太阳辐照度对光伏出力的影响不容忽视。本文采用电压源输入电流源输出的控制方式,建立了PV 接入配电网的Matlab 仿真模型,分析了太阳辐照度变化与电网电压波动之间的间接因果关系,仿真研究了光照变化引起电压波动和电压越限问题,提出采用PV 与静止型无功补偿装置(Static Var Compensator ,SVC 复合调节来改善电压质量的措施。1分布式光伏并网系统的组成及控制原理光伏发电分为2种并网形式:一是通过中高线路接入输电网;二是经过低压线路接入配电网12。其中第2种多是农村屋顶光伏电或城市小规模建筑光伏电源,即分布式光伏电源(distr

5、ibu-ted photovoltaic ,PV 。PV 并网系统主要由光伏阵列、逆变器、变压器和控制系统等组成,其结构如图1所示。图1分布式光伏并网系统Fig1Structure of the grid-connected PV由于对分布式光伏电源性能要求不同,能量2电力科学与工程2011年传输与变换的控制方式也有多种。 从输入角度看,光伏逆变系统可以等效为2种形式:电流源型和电压源型。前者,在直流侧串联大电感以储存无功功率,并提供稳定的直流输入,但串入大电感会影响系统动态响应的速度,实际中应用很少;后者采用电容作为储能元件缓冲无功功率,在世界范围内应用广泛。从输出角度看,并网逆变器的输出控

6、制模式同样有电压型和电流型2种。在电压型模式中,并网逆变器对电网呈现低阻抗特性,其输出的是标准正弦脉宽调制信号,并网电流和输出电源的质量完全取决于电网电压;而在电流型模式中,并网逆变器呈现出高阻抗特性,输出电流是受控量,它的质量受到电网电压的影响较少,采用这种模式,可以减小电网电压的扰动对输出电流的影响,改善输出电流的质量,应用较多。本系统采用最普遍的电压源输入、电流源输出的控制方式建立光伏并网的仿真模型。2分布式光伏电源并网模型的建立光伏出力的多少直接影响馈线的潮流,从而影响电压分布。为分析PV 接入典型配电网对电压的影响,选IEEE 标准算例的一条10kV 馈线,建立了如图2所示的配电网模

7、型,线路上共有6个负荷接入,最大功率运行时各个负荷点的功率、节点之间距离及各个负荷点到干线的距离在图中均已标出,干线单位阻抗为0.2+j0.4/km ,分支线路单位阻抗为0.65+j0.4/km 。负荷5安装有分布式光伏电源。 图2配电系统单线图Fig2Single line figure of distribution system基于图2所示配电网,采用简单的PI 控制策略,建立了分布式光伏电源接入配电网的模型如图3所示,控制原理如图4所示。3光照引起的光伏出力变化对电压影响的仿真分析当外界条件一定时,光伏阵列的输出功率随着负载的变化而变化,当负载阻抗与光伏阵列的内阻抗匹配时,光伏出力最大

8、,通过最大功率跟踪技术控制光伏阵列可以使其工作在最大功率点。由光伏阵列输出特性知,光伏输出的最大功率受太阳辐照度和温度的影响13。假设1天中温度保持不变,在温度一定的情况下,光伏出力随太阳辐照度的上升而增大,随太阳辐照度的下降而减小。某市7月份某日太阳辐照度变化和光伏阵列实测输出功率如图5,图6所示14。第10期许正梅,等分布式光伏电源对配电网电压的影响与改善3由图5,图6可知:PV 光伏阵列直流侧最大输出功率随辐照度的波动而出现类似的波动,光伏阵列输出功率最大值出现在1300左右,对应的辐照度为1195.1W/m 2,功率输出达到143.5kW 。同时,对应辐照度的较大波动,光伏电站单位时间

9、内(即1min 直流侧输出功率最大跌幅可达32.7kW ,约为最大输出功率的23%。PV 的输出功率直接影响线路的潮流,从而影响线路电压分布。以图2系统为算例进行仿真分析,图7所示为无光伏接入的情况,位于线路典型位置(线路首端,线路末端及光伏接入点24h 电压的分布,由图7可知,随着负荷的变化,1天中电压并不能保持恒定,而且会有极值出现(电压极小值为378.2V ,极大值为395.7V ,但均满足电压偏差的要求。 图7无光伏发电时负荷点电压随时间的变化曲线Fig7Voltages of one day without any PVgeneration图8显示了光伏接入后,1天不同太阳辐照度时,

10、位于线路典型位置的负荷电压分布。 图8有光伏发电时用户日电压随时间的变化曲线Fig8Voltages of one day with PV generation of user由图8可知,夜晚,太阳辐照度为0,光伏输出的有功功率为0,若不改变运行方式,调节无功功率,不能起到提升电压的作用;白天,随着太阳辐照度的增强,PV 的输出功率增大,线路电压受到明显提升,1天中电压的极值分布也发生变化,由接入前900(负荷高峰时的378.2V上升至379.5V ,且极小值出现在1930左右,避开了负荷高峰期。对于负荷高峰期,由于PV 的电压提升作用,负荷点L 1,L 6的电压都保持在384.6 401.2

11、V 范围内,能够保证良好的电压质量。但对于L 5,随着太阳辐射强度的增强,光伏出力增大致使电压过高,中午1300时刻电压达408.75V ,超过电压规定最高限值,此时必须采取一定措施,来降低该负荷点电压。此外,1700时,太阳辐照强度迅速降低,PV 输出功率急剧减小,使电压降落很快,单位时间内电压下降幅度达5.51%,引起严重的电压降落,这种情况也可能导致电压越限。当太阳辐照度出现波动时,PV 输出功率呈现出类似太阳辐照度波动的变化趋势,引起线路电压的波动与闪变。PV 接入配电网后,由于出力的波动引起的负荷点5的电压波动如图9所示。图9发生电压波动和闪变时的电压波形Fig9Voltage wa

12、veform when voltage fluctuationand flicker happened4防止电压波动和电压越限的措施由于PV 既可以发出有功功率,也可以发出无功功率;SVC 可以动态调节无功功率。因此,可以通过PV 与SVC 共同进行无功调节来改善电压质量。图10所示为采用PV 与SVC 共同进行无功功率调节抑制电压波动后的负荷点5电压波形。由图10可知,通过PV 与SVC 复合调节可以有效抑制该负荷点的电压波动。当PV 作为电源退出电网运行时,为防止原PV 接入点电压失去支撑而造成电压降落过大,此时在接入点处采用SVC 来支撑线路电压。如图11中曲线2所示,当装在负荷5的PV

13、 退出运行后,造成负荷5的电压降落过大,不利于电网的安全运行。这时,可通过在负荷5接入的SVC 进行电4电力科学与工程2011年 图10抑制电压波动和闪变后节点电压波形Fig10Voltage waveform when voltage fluctuationand flicker were held-up压调节。SVC 发出感性无功功率,对线路电压起支撑作用,使线路各节点电压均满足供电电压偏差要求,如图11中曲线1所示。 图11SVC 投入前后负荷点5的日电压分布Fig11Voltages of Load 5in one day before and afterSVC put into op

14、eration当太阳辐照度高,PV 输出功率较大时,为防止PV 接入点电压升高过多,通过改变PV 的运行方式和调节SVC 来调整电压,使其不超过电压上限。综上可知,通过PV 与SVC 复合调节可以有效地解决由于太阳辐照度变化引起分布式光伏电源低出力或退出运行(或过高功率运行时引起的配电线路电压波动和电压越限问题。5结论通过理论和仿真分析得出,PV 接入配电网引起电压波动和电压越限的主要原因是太阳辐照度的变化。周围环境温度一定时,太阳辐照度越强,光伏电源的输出功率越大,对电网电压的抬升作用越大,光伏接入点的电压就可能超出限值,随着太阳辐照度的逐渐减弱,光伏电源的输出功率减小,电网电压下降。由于太

15、阳辐照度变化引起PV 出力波动或退出(或过高功率运行时会引起配电线路电压波动和电压越限。通过PV 与SVC 复合式调节,使线路上所传输的无功功率可以由PV 和SVC 共同提供,也可以由SVC 单独提供,这样在PV 并网和退出运行时可以保证线路各节点电压均满足供电电压偏差要求,同时有效地抑制了电压波动,解决了电压越限问题。参考文献:1赵为太阳能光伏并网发电系统的研究D 合肥:合肥工业大学,20032王博,李安,向铁元,等三相光伏并网系统的运行控制研究J 电力科学与工程,2011,27(1:510Wang Bo ,Li An ,Xiang Tieyuan ,et alResearch on thr

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