分布式光伏电源对配电网电压的影响与改善_许正梅

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本系统采用最普遍的Байду номын сангаас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 10 kV 馈线, 建立了如图 2 所示的配电网模型,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 Ω / km,分 支线路单位阻抗为 0. 65 + j0. 4 Ω / km。负荷 5 安 装有分布式光伏电源。
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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 Fig. 10 Voltage waveform when voltage fluctuation
and 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。
第 27 卷第 10 期 2011 年 10 月
电力科学与工程 Electric Power Science and Engineering
Vol. 27,No. 10 1
Oct.,2011
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)
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
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,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]。
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改善电压质量的措施。
波动引起的负荷点 5 的电压波动如图 9 所示。
图 7 无光伏发电时负荷点电压随时间的变化曲线 Fig. 7 Voltages of one day without any PV generation
图 8 显示了光伏接入后,1 天不同太阳辐照 度时,位于线路典型位置的负荷电压分布。
图 9 发生电压波动和闪变时的电压波形 Fig. 9 Voltage waveform when voltage fluctuation
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。由于太阳辐照度变化引起
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
从输出角度看,并网逆变器的输出控制模式 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。
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。
图 1 分布式光伏并网系统 Fig. 1 Structure of the grid-connected PV
由于对分布式光伏电源性能要求不同,能量
收稿日期: 2011 - 07 - 15。 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:
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 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
图 11 SVC 投入前后负荷点 5 的日电压分布 Fig. 11 Voltages of Load 5 in one day before and after
SVC put into operation
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。
由图 7 可知,随着负荷的变化,1 天中电压并不 能导致电压越限。
能保持恒定,而且会有极值出现 ( 电压极小值为
当太阳辐照度出现波动时,PV 输出功率呈现
378. 2 V,极大值为 395. 7 V) ,但 均 满 足 电 压 偏 出类似太阳辐照度波动的变化趋势,引起线路电
差的要求。
压的波动与闪变。PV 接入配电网后,由于出力的
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,2003.
[2] 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) : 5 - 10. Wang Bo,Li An,Xiang Tieyuan,et al. Research on three-phase grid-connected photovoltaic operation [J]. Electric Power Science and Engineering, 2011, 27 ( 1) : 5 - 10.
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,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]。
图 2 配电系统单线图 Fig. 2 Single 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。
xuzhengmei86@ 126. com。
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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。
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许正梅,等 分布式光伏电源对配电网电压的影响与改善
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由图 5,图 6 可知: PV 光伏阵列直流侧最大 上升至 379. 5 V,且极小值出现在 19∶ 30 左右,避
输出功率随辐照度的波动而出现类似的波动,光 开了负荷高峰期。对于负荷高峰期,由于 PV 的
伏阵列输出功率最大值出现在 13 ∶ 00 左右,对应 电压提 升 作 用,负 荷 点 L1 ,L6 的 电 压 都 保 持 在 的辐照度为 1 195. 1 W/ m2,功率输出达到 143. 5 kW。 384. 6 ~ 401. 2 V 范围内,能够保证良好的电压质
and flicker happened
4 防止电压波动和电压越限的措施
图 8 有光伏发电时用户日电压随时间的变化曲线 Fig. 8 Voltages 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 9 ∶ 00 ( 负荷高峰) 时的 378. 2 V
线路的潮流,从而影响线路电压分布。
取一定措施,来降低该负荷点电压。此外,17∶ 00
以图 2 系统为算例进行仿真分析,图 7 所示 时,太阳辐照强度迅速降低,PV 输出功率急剧减
为无光伏接入的情况,位于线路典型位置 ( 线路 小,使电压降落很快,单位时间内电压下降幅度
首端,线路末端及光伏接入点) 24 h 电压的分布, 达 5. 51% ,引起严重的电压降落,这种情况也可
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 ( distributed 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。
同时,对应辐照度的较大波动,光伏电站单位时间 量。但对于 L5 ,随着太阳辐射强度的增强,光伏 内( 即 1 min) 直流侧输出功率最大跌幅可达 32. 7 kW, 出力增大致使电压过高,中午 13 ∶ 00 时刻电压达
约为最大输出功率的 23% 。PV 的输出功率直接影响 408. 75 V,超过电压规定最高限值,此时必须采
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