基于PSCAD/EMTDC的并網光伏發電分析

劉永勝，李題印，包拯民，黃 河，姚海燕

（余杭供電局，杭州 311100）

0 引言

隨著可再生能源分布式電源數量的不斷增加，用戶對電能質量要求不斷提高，建設更加安全、環保、經濟的智能電網已經成為全球電力行業的共同目標。光伏發電（PV）具有可再生、無污染、安裝方便的優點，且技術逐漸成熟，必將成為未來智能電網中重要的分布式電源[1，2]。

杭州能源與環境產業園并網光伏電站是浙江省首個兆瓦級并網光伏電站項目，也是我國首個高效薄膜、晶硅復合型光伏電站。該光伏發電系統采用分散逆變、集中并網的布置形式并網，多個逆變器并聯接入交流匯流箱，通過交流匯流箱并入光伏電站400 V母線，再經1回10 kV線路接入110 kV漁橋變電站。

以杭州能源與環境產業園并網光伏發電站作為研究對象，利用PSCAD/EMTDC仿真平臺建立光伏發電系統的模型，根據并網光伏電站實際運行中測得的運行數據，對并網光伏發電系統運行特性及其對電網的影響進行研究，全面評估并網光伏電站的安全性、可靠性和規范管理，為光伏電站接入電網技術規定提供數據和理論支撐。

1 并網光伏電站對配電網的影響

1.1 并網光伏電站對配電網電壓的影響

配電系統采用的調壓手段有改變有載調壓變壓器的分接頭、投切電容器和安裝線路壓降補償調壓器等，通過這些調壓手段保證用戶電壓維持在規定電壓范圍內，保證供電電壓質量。并網光伏發電系統接入后原有的調壓方式不一定能滿足多源配電網的調壓要求，尤其是大容量并網光伏發電站并網運行將會干擾原有配電網電壓調節設備的正常運行。

1.2 并網光伏電站對配電網頻率的影響

電力系統運行中頻率異常的情況很少發生，但隨著大量光伏發電站接入配電網，當大規模光伏發電機組投切時，出現一定程度頻率變化無法避免。而且當并網光伏發電站的發電容量占電網總發電量比例逐步增大后，由于光伏發電機組出力具有一定的隨機性，將導致電網內的頻率時常出現波動，使頻率偏離額定值運行，對用戶和電力系統本身都會造成不良后果[3]。

1.3 并網光伏電站對配電網保護和重合閘的影響

當光伏電站接入饋線的其它并聯分支線路發生故障時，光伏電站提供的反向故障電流可能使并網光伏電站所在線路的保護誤動，造成無故障饋線失去主電源[4]。而光伏電站下游故障時，流過光伏電站下游保護的故障電流增加，有利于保護的動作，但可能使下游保護的電流速斷保護范圍延伸到下一條線路，使電流保護失去選擇性。光伏電站提供的故障電流可能使故障（瞬時性故障）維持發生，若此時進行重合閘將使故障點電弧重燃，事故進一步擴大[5]。且如果重合閘期間并網光伏電站未與電網解列，由于光伏電站與系統主電源失去同步將造成非同期合閘。

2 并網光伏發電系統的模型

光伏并網發電系統的模型主要包括光伏陣列模型和光伏逆變器兩個部分，光伏逆變器采用單級逆變器結構（圖1），6個IGBT組成三相橋式結構的電壓源逆變器，后端采用LC濾波電路濾除輸出電壓的諧波，經隔離變壓器接入電網。圖中光伏陣列輸出電流IA經二極管為電容Cdc充電，二極管用于阻止直流電流逆流。

圖1 并網光伏發電系統模型

光伏陣列是太陽能光伏發電系統的重要組成部分，由若干太陽能電池組件串、并聯組成。光伏逆變器將直流電能變換成交流電，并實時控制逆變器輸出電流與電網電壓同頻同相。針對建筑光伏一體化的光伏并網發電系統一般采用單級式電路拓撲[6]的情況，這里采用單級式電路拓撲的光伏發電系統。

2.1 光伏陣列模型

光伏陣列即根據負載容量大小要求將若干個光伏電池組件串并聯組成的供電裝置。圖2是光伏電池單元的等效電路模型[7]，由基爾霍夫電流定律可得：

圖2 光伏電池等效電路

式中：IL為光電池短路電流；Id為二極管電流；V，I分別為輸出電壓和電流；RS為短路電阻；I0為二極管飽和電流；q=1.6×10-19C，為庫侖常數；n為結常數；k=1.38×10-23J/K，為波爾茲曼常數。

IL取決于光照強度S和溫度T，而I0僅與T有關：

2.2 光伏逆變器模型

式中：下標ref表示光電池組件額定值；AT為二極管飽和電流溫度系數。

可采用受控電流源作為實際光伏陣列模型，串聯NS和并聯NP個光電池組件（單個組件包含m個光電池）的光伏陣列輸出電流IA為：

光伏逆變器控制系統的PSCAD/EMTDC仿真模型如圖3所示，圖中采樣環節的采樣頻率為1.0×104Hz；利用延時元件和比較器得到直流電壓和電流偏差信號。由最大功率跟蹤（MPPT）模塊生成直流電壓參考值Vdcref，通過比較器和PI環節后生成交軸電流參考值Iqref，再和直軸電流分量Idref經Park變換后輸入PWM觸發器得到觸發信號。

圖3 光伏逆變器控制模型

3 并網光伏發電系統運行分析

3.1 穩態電壓分布

根據圖4所示的配電饋線結構，仿真計算并網光伏電站位于饋線內不同位置時饋線電壓的穩態分布情況。取光伏電站的容量為1 MW，功率因數0.9滯后，按表1中各種位置并入電網，對于多節點接入的情況將光伏電站的總容量平均分配給多個節點進行計算，最小運行方式（取最大負荷的0.3倍）下，配電饋線電壓曲線如圖5所示。

表1 并網光伏電站位置變化

圖4 光伏電站接入饋線不同位置

圖5 最小運行方式下光伏電站接入不同位置電壓曲線

并網光伏電站的接入對饋線穩態電壓有一定的支撐作用，圖中曲線1中的光伏電站位置比較接近系統母線，曲線4中的光伏電站位置更為接近線路末端，可知當并網光伏電站離主變電站母線越遠，則饋線電壓升得越高。曲線5-7代表光伏電站多點接入時的穩態電壓曲線。從仿真結果來看，電源分散時的電壓曲線比電源集中時電壓曲線要平滑，光伏電站布置越分散，則饋線末端節點的電壓也被抬得越高。根據并網光伏電站的實際測量數據，夜間運行時由于光伏逆變器都處于待機狀態但仍與電網保持連接，逆變器自身的LC濾波器的電容將向電網注入少量無功功率（約為容量的5%）。光伏電站夜間無功出力對饋線電壓的支撐，遠小于光伏電站白天有功出力的作用。

3.2 頻率波動

光伏陣列既非恒壓源也非恒流源，其輸出特性曲線具有強烈的非線性，且隨太陽光照強度和環境溫度的改變而變化。由于并網逆變器輸出功率按最大功率點跟蹤輸出，光伏電源輸出受天氣影響很大，尤其在多云天氣，發電功率會出現快速劇烈變化。通過分析單臺光伏逆變器400 s內輸出功率波動的頻譜特性得到圖6，可知并網光伏電站功率波動主要集中在0.1 Hz以下，且以0.01 Hz以下的功率波動幅值最大。

文獻[8]通過分析電網頻率變化與光伏電站的輸出功率波動的傳遞函數頻率特性，得出結論為0.01～1.0 Hz的功率波動對電網頻率波動的影響最大。對并網光伏電站接入不同容量的配電網（用單臺不同容量的火電機組等效），光伏電站投運和切除進行仿真分析，得到光伏電站所接入的配電網的規模越小，光伏電站開停機對配電網頻率的影響越大。

圖6 光伏逆變器功率波動頻率特性

3.3 并網光伏電站的諧波特性

圖7是光照強度由700 W/m2直線上升至1 000W/m2時諧波電流總有效值曲線，可知光伏逆變器輸出的諧波電流幅值不隨由光照強度變化引起的基波電流幅值變化而變化。即光伏逆變器的輸出電流總諧波畸變率（THD）隨著光照強度減弱而升高，越接近額定輸出功率運行，電流的THD越小。因此隨著光伏逆變器輸出功率的增大，諧波電流含量百分值將有所下降，而在基波電流較小的日出日落時間段電流THD有尖峰值出現。

圖7 諧波電流總有效值變化曲線

3.4 并網光伏電站的故障特性

圖8和圖9分別為距光伏電站200 m處線路發生三相短路故障時，光伏電站公共連接點（PCC）的電流和光伏陣列輸出有功的波形，故障前后光照強度保持為1 000 W/m2。可知三相故障后接入點電壓幾乎下降到0，但此時由于光伏逆變器中功率開關器件的容量有限，并網光伏電站的故障電流也僅為額定電流的1.25倍左右。光伏逆變器建模中通過給定了控制系統的交、直軸電流參考值的上下限，來限制逆變器的故障電流。

圖8 200 m處故障時光伏電站公共連接點電流

圖9 200 m處故障時光伏陣列輸出有功功率

當故障距光伏電站電氣距離足夠短時，由于嚴重故障端電壓過低（低于50%額定電壓），在饋線保護動作之前就已自動切除，原有的饋線保護將不受光伏電站接入的影響。但是光伏電站對異常電壓情況的響應具有動作時限規定，如果外部故障不至于觸發光伏電站的電壓保護立即動作（當距離光伏電站較遠處發生故障，故障時并網光伏電站公共接入點電壓不低于50%），光伏電站的接入就會對配電網的保護產生影響。

圖10是光伏電站相鄰饋線10 km處發生三相短路故障時，故障前后光照強度仍保持為1 000 W/m2，光伏電站的公共連接點光伏陣列輸出有功功率的波形。可知當距光伏電站較遠處發生故障且電網電壓下降小于50%時，由于光伏逆變器的快速響應，將使故障發生瞬間光伏電站的輸出功率基本保持不變，故障導致光伏電站公共接入點電壓下降后，其輸出的電流將與電壓成反比增加，電網電壓降幅小于50%，因而逆變器的輸出電流被限制在額定電流的1.5倍以內。

4 結語

分析了并網光伏電站接入對原有配電網運行的影響，根據該光伏電站實際運行中測得的運行數據，對光伏電站接入配電網的穩態電壓分布、頻率波動以及光伏電站的諧波和故障特性進行仿真研究，得到以下結論：

圖10 相鄰饋線10 km處故障時光伏陣列輸出有功功率

（1）光伏電站所接入的配電饋線距離主變電站母線越遠，饋線電壓升得越高；光伏電站布置越分散，饋線的穩態電壓分布越平滑，末端節點的電壓也被抬得越高。

（2）光伏電站所接入的系統容量越小，光伏電站的開停機對配電網頻率的影響越大；小容量配電網進行光伏電站規劃時，需要考慮電網頻率的約束。

（3）光伏逆變器輸出的諧波電流幅值不隨光照強度變化而變化；光照強度降低時，由于基波電流減小，光伏逆變器輸出電流的總諧波畸變率將增大。

（4）當故障距光伏電站距離較短時，由于光伏電站故障端電壓低于50%額定電壓，其將立即和電網解列；當距光伏電站較遠處發生故障且電網電壓下降小于50%時，光伏電站的輸出功率基本保持不變，其輸出的電流將與電壓成反比增加，且被限制在額定電流的1.2～1.5倍以內。

[1]劉偉，彭冬，卜廣全，等.光伏發電接入智能配電網后的系統問題綜述[J].電網技術，2009，33（19）∶1-6.

[2]李珂，武家勝，楊澤偉，等.太陽能發電研究應用進展[J].浙江電力，2009，28（6）∶53-56.

[3]楊衛東，薛峰，徐泰山，等.光伏并網發電系統對電網的影響及相關需求分析[J].水電自動化與大壩監測，2009，33（4）∶35-39，43.

[4]Baran M E,EI-Markaby I.Fault analysis on distribution feeders with distributed generators[J].IEEE Transactions on Power Systems.2005,20（4）∶1757-1764.

[5]謝昊，盧繼平.重合閘在分布式發電條件下的應用分析[J].重慶大學學報，2007，30（2）∶30-33.

[6]李晶，許洪華，趙海翔，等.并網光伏電站動態建模及仿真分析[J].電力系統自動化，2008，32（24）∶83-86.

[7]劉飛，段善旭，殷進軍，等.單級式光伏發電系統MPPT的實現與穩定性研究[J].電力電子技術，2008，42（3）∶28-30.

[8]LUO C，OOI B T.Frequency deviation of thermal power plants due to wind farms.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21（3）∶708-716.