光伏发电并网系统对配电网电压稳定性影响分析 李东阳

发表时间:2019/10/17   来源:《基层建设》2019年第21期   作者:李东阳 王小华 肖小曼
[导读] 摘要:分布式并网发电技术已成为国内外学者关注和研究的热点之一.分布式光伏发电并网系统是光伏发电并网系统的一种,其规模和发电容量较小,接入电网的电压等级较低,并网运行有可能改善配电系统的电压稳定性。
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        摘要:分布式并网发电技术已成为国内外学者关注和研究的热点之一.分布式光伏发电并网系统是光伏发电并网系统的一种,其规模和发电容量较小,接入电网的电压等级较低,并网运行有可能改善配电系统的电压稳定性。随着国民经济的飞速发展,配电负荷急剧增长,其设备运行越来越接近极限状态,同时分布式光伏电源接入后,配电网由辐射状结构变为多电源结构,改变了原系统潮流和电压分布,不可避免地对配电系统稳定运行造成影响。因此,考虑分布式光伏发电对配电网电压稳定性的影响是十分必要的。
        关键词:光伏发电并网系统;配电网电压;稳定性;影响
        1分布式光伏发电接入配电网系统的建模
        1.1分布式光伏发电并网系统
        分布式光伏发电并网系统主要由太阳能电池板、逆变器、控制系统等组成,其中控制系统可实现最大功率点跟踪(MPPT)。分布式光伏发电并网系统能够充分利用分散式太阳能资源,装机容量较小,一般接入35kV及以下电压等级的电网。与集中式光伏发电并网系统相比,分布式光伏发电并网系统投资小,建设周期短,因地制宜,可建在城市建筑屋顶,不会占用多余的建筑面积,具有广阔的发展前景。为实现分布式光伏电源并网接入配电网,逆变器输出的电流必须与电网电压同频同相,通过升压变压器接入中低压配电网与大电网相连。
        1.2分布式光伏发电并网系统及配电网结构参数
        选取某地区实际的配电网系统作为算例,该系统有1个分布式光伏电源和7个负荷,负荷总计7.5+j2.47MVA,并有8条线路。光伏电源有功出力为3.8MW,额定电压0.315kV,通过升压变压器接入10kV配电网,分布式光伏电源接入配电网系统接线图如图1所示。
 
        图1分布式光伏电源接入配电网系统接线图
        1.3基于PSAT的连续潮流分析(CPF)原理简介
        P-V曲线,或称鼻形曲线,是一种基于电压稳定机理的静态电压稳定分析工具,常被用来分析电力系统的电压稳定性,其中P为线路传输功率、V为节点母线电压。总体来讲,P-V曲线建立了节点电压和负荷功率的关系,能够连续反映节点电压随负荷增加引起的电压失稳乃至崩溃的过程。这个稳态过程可用一个含参数λ的方程表示为:
        f(x,λ)=0
        式中:f∈Rn;向量x为系统所有节点的母线电压,x∈Rn;参数λ为某一时刻母线节点处负荷吸收的有功功率与基态有功功率的比值,λ∈Rn。
        系统的稳定平衡点用xs(λ)表示,其位置随着参数λ的变化而改变,当参数λ变化到一个极限值后,稳定平衡点在该参数λ极限值处发生分岔。当电力系统电压失去稳定时,稳定平衡点xs(λ)和不稳定平衡点xu(λ)在鞍结分岔点重合并且消失,此时λ-V曲线的鼻尖就是鞍结分岔点,即系统电压稳定的临界点。在电压稳定临界状态下,继续增加负荷会造成系统电压急剧下降,导致电压失稳甚至崩溃。电力系统分析工具箱PSAT的CPF分析采用牛顿-拉夫逊(NR)法,其原理与连续潮流计算的基本原理相同,利用PSAT中的CPF分析可以得到每个节点的λ-V曲线。
        2配电网电压的稳定性分析
        2.1光伏发电系统对配电网容量的影响
        光伏发电并网系统对配电网容量的影响主要体现在励磁调节方式改变、恒功率调节幅度增强等方面。当光伏发电并网系统的配电潮流对异步发电机提供一个逆变脉冲时,电压恒控接口在励磁调节作用下,会对PQ节点发送一个薄弱连接信号,且在该信号的刺激下,配电网电子会保持长时间的振动状态。在整个调节过程中,配电网容量上、下限因受到电子振动的影响,会不断向两级延伸,直至上、下限差值等于并网系统的输出电压为止。当光伏发电并网系统的配电潮流对异步发电机提供多个逆变脉冲时,电压恒控接口不能完全满足薄弱电信号的连接请求,为避免电能传输阻塞现象的出现,PQ节点在不影响并网系统运行状态的前提下,始终保持恒功率调节状态,并通过不断改变配电网容量上、下限数值的方式,使电压周期的稳定性得到保障。
        2.2光伏发电系统对配电网并网位置的影响
        配电网中的并网位置存在Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三种存在状态。当光伏发电系统输出电压的功率损耗逐渐增大时,距离薄弱配电节点最近的Ⅰ型并网位置会在静态电压的促进下,发生明显的稳压迁移。而Ⅱ型并网位置与薄弱配电节点距离较远,而随着静态电压稳定裕度的增加,输出电压的负荷支撑作用会对并网电子容量产生明显的抑制作用,为避免相邻线路有用功损耗的逐渐增加,Ⅱ型并网位置会采取靠近上级电网节点的方式,保持配电网电压的稳定性。在光伏发电系统保持分散接入条件时,Ⅲ型并网位置的接入状态会逐渐向着输出薄弱节点靠近,此时一部分发电节点会保持断续接入状态,在上级电网的稳压条件得到保障时,Ⅲ型并网位置不再发生改变,并在系统稳流输出条件的控制下,使配电网的电压逐渐趋于稳定。
        2.3光伏发电系统对配电网并网方式的影响
        无论光伏发电系统是保持分散接入状态还是集中接入状态,配电网的并网方式都会在静态电压的促进下,对系统的稳定供电电压进行调节。当静态电压的稳定裕度逐渐增加时,发电系统的正面输出作用会直接控制配电网的逆向功率,并在功率损耗小于配电额定功的条件下,通过调节并网方式的手段,使电压的稳定性得到保障。当光伏发电系统的输出电压由低到高时,配电网的并网方式会从单向结合变为双向结合;当光伏发电系统的输出电压由高到低时,配电网的并网方式会从双向结合变为单向结合。但是无论那种并网方式,都会使配电网的稳定电压在短时间内达到稳定状态。整合上述三个步骤,完成光伏发电并网系统对配电网电压稳定性的影响分析。
        3仿真分析
        3.1光照强度变化对电压稳定性的影响
        设负荷以接近电压稳定限定值处的额定功率运行,单相额定有功功率为0.15MW,光照强度为1 500W/m2,环境温度为30℃,系统稳定运行后,负荷电压约为345.6V。在运行过程中将光照强度从1 500W/m2 突降为0,光伏电源有功出力、负荷母线电压变化曲线见图2。由图2可知,光伏电源有功出力突降为0;负荷母线电压开始下降,在配电网的支撑下,又恢复稳定为339.6V左右。如果太阳光照不能及时恢复,考虑到339.6V小于342V(额定电压380V的90%),根据低压配电网电压失稳实用判据,可认为此时负荷母线电压失稳,不能保证用电设备正常运行。
 
        图2光伏电源有功出力、负荷母线电压变化曲线(光照突降时)
        3.2环境温度变化对电压稳定性的影响
        系统各条件与光照强度变化时相同。系统稳定运行后,将环境温度从30℃增至50℃,温度变化使光伏电源的有功出力略微减小,但负荷母线电压基本不受影响。
 
        图3光伏电源有功出力、负荷母线电压
        变化曲线(温度增高时)
        3.3短路故障对电压稳定性的影响
        系统各条件与光照强度变化时相同。设系统运行后在2s时负荷母线A相发生瞬时性单相接地短路,短路持续时间为0.05s,短路故障发生时,光伏电源有功出力在故障期间发生了短暂的激增,故障消失后又恢复正常,但比故障前出力略微降低。由此可知,负荷母线电压在故障期间跌落至0.292kV,故障消失后又快速恢复为故障前大小。经过仿真测试,本算例中负荷母线即使发生最严重的三相短路,负荷的电压稳定性仍能够得到及时快速地恢复。
 
        图4光伏电源有功出力、负荷母线电压变化曲线(单相短路时)
        结语
        分布式光伏发电并网技术是缓解当前能源危机及电力紧缺的重要手段之一,研究分布式光伏发电并网系统电压稳定问题对光伏发电未来的发展和使用具有重要的现实意义,光伏发电并网系统对配电网电压稳定性的影响分析方法对复杂的计算过程进行有效简化,通过多次潮流环网处理使输出电压在短时间内达到稳定状态,具备较强的实际推广意义。
        参考文献
        [1]李升,姜程程,赵之瑜,李子瑜.分布式光伏电站接入低压配电网系统暂态电压稳定性研究[J].电力系统保护与控制,2017,45(08):67-72.
        [2]闫广新,刘新刚,张峰,李江.光伏建筑一体化并入配电网后的影响分析[J].低压电器,2010(24):23-27+42.
        [3]李英姿.分布式光伏并网系统运行中存在的问题[J].建筑电气,2014,33(11):750-756.
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