大容量光伏發(fā)電接入對(duì)孤立電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

靳 希，張菲菲，王曉峰，張立鋒，厲 瑜，沙旦華，祁曉卿，曹 煒

(1.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090;2.西藏電力公司科技信息部，西藏拉薩 850000)

近年來(lái)，太陽(yáng)能作為一種可再生的清潔能源越來(lái)越受到人們的重視，而光伏發(fā)電已經(jīng)朝規(guī)模化和并網(wǎng)型方向發(fā)展［1，2］.當(dāng)光伏發(fā)電在電網(wǎng)中占有一定的比例時(shí)，就必須要考慮光伏接入對(duì)電網(wǎng)的影響.

孤立電網(wǎng)一般具有電網(wǎng)規(guī)模小，電源數(shù)量少，負(fù)荷變化大等特點(diǎn)，急需發(fā)展光伏等新能源.而光伏發(fā)電出力本身又具有間歇性、隨機(jī)性，因此大容量光伏發(fā)電接入孤立電網(wǎng)后，勢(shì)必對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成不利的影響.文獻(xiàn)［3］通過(guò)仿真計(jì)算指出，當(dāng)光伏容量占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的3.6%時(shí)，光伏電站出力擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的沖擊已較為明顯.

電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)是由中國(guó)電力科學(xué)研究院研發(fā)的電力系統(tǒng)分析程序，是高度集成和開放的、具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型軟件包.本文基于PSASP光伏模塊，研究了大容量光伏發(fā)電接入對(duì)孤立電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響.

1 光伏電池模型

現(xiàn)有的光伏電池模型主要有基于物理特性的模型和基于外特性的模型［4，5］兩種.基于物理特性的模型是以等效電路為基礎(chǔ)，根據(jù)光伏器件半導(dǎo)體的特性及其物理本質(zhì)而建立的.該模型能準(zhǔn)確反映其物理特性，具有較高的仿真精度，但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型參數(shù)與常規(guī)參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確，參數(shù)求取較困難.基于外特性的模型可根據(jù)電池外特性擬合出相應(yīng)的電壓與電流關(guān)系曲線.該模型忽略了光伏電池內(nèi)部特性，具有建模簡(jiǎn)單，同時(shí)又能較好地模擬光伏的輸出特性.在進(jìn)行光伏電站機(jī)電暫態(tài)仿真的時(shí)候可以采用基于外特性的光伏電池模型.其表達(dá)式為［6，7］:

式中:Isc——光伏電池的短路電流;

Uoc——光伏電池的開路電壓;

Im——光伏電池的最大功率點(diǎn)電流;

Um——光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓.

為了計(jì)及日照和溫度的變化情況，需對(duì)上述4值進(jìn)行修訂.

式中:S——實(shí)際日照強(qiáng)度;

T——實(shí)際溫度;

Iscc——修正后的短路電流;

Uocc——修正后的開路電壓;

Imm——修正后的最大功率點(diǎn)電流;

Umm——修正后的最大功率點(diǎn)電壓.

2 逆變器模型

2.1 逆變器控制系統(tǒng)

光伏逆變器大多采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙環(huán)控制方式.對(duì)于機(jī)電暫態(tài)仿真，逆變器本身的模型可用慣性環(huán)節(jié)模擬.PWM逆變器由于采用了較高頻率的調(diào)制波，慣性延遲的時(shí)間常數(shù)很小，可將逆變器進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為純比例環(huán)節(jié)，其比例系數(shù)為逆變器的固定增益.電壓調(diào)節(jié)器采用慣性環(huán)節(jié)模擬.

2.2 逆變器保護(hù)系統(tǒng)設(shè)定

逆變器由于造價(jià)昂貴，且耐受電壓、耐受電流的能力較弱，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，逆變器配備有多重保護(hù).PSASP光伏模塊中模擬了相應(yīng)的保護(hù)模塊.根據(jù)2009年7月發(fā)布的《國(guó)家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》規(guī)定，對(duì)PSASP軟件環(huán)境下光伏電站模型中的電壓保護(hù)、電流保護(hù)、頻率保護(hù)、電壓不平衡保護(hù)以及光伏電站重合閘的設(shè)定如圖1所示，其中保護(hù)的延時(shí)定值按技術(shù)規(guī)定中要求的最低限值考慮.

電壓保護(hù)各設(shè)定值見圖1a，其中Ut和Un分別表示光伏實(shí)際輸出電壓和光伏額定電壓.光伏電站的電流保護(hù)設(shè)定值見圖1b，其中Is和In分別表示光伏實(shí)際輸出電流和光伏額定電流.大、中型光伏電站對(duì)西藏阿里電網(wǎng)的欠/過(guò)頻保護(hù)設(shè)定值見圖1c.其中f為電網(wǎng)頻率.

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行(僅對(duì)三相輸出)時(shí)，電網(wǎng)接口處的負(fù)序電壓不平衡度應(yīng)不超過(guò)2%，短時(shí)不得超過(guò)4%.其電壓不平衡保護(hù)設(shè)定值見圖1d.其中U1和U2分別為正序和負(fù)序電壓.

系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后，在電網(wǎng)電壓和頻率恢復(fù)到正常范圍之前，光伏電站不允許并網(wǎng)，當(dāng)電壓頻率恢復(fù)正常后，光伏電站需要經(jīng)過(guò)一個(gè)可調(diào)的延時(shí)時(shí)間后才能重新并網(wǎng).由于孤立電網(wǎng)中光伏電站將作為主要電源，為了能更快的恢復(fù)供電，重合閘時(shí)間取20 s.

圖1 光伏電站各保護(hù)的設(shè)定值示意

3 仿真算例

3.1 計(jì)算條件

針對(duì)西部某孤立電網(wǎng)，對(duì)光伏電站接入后的電網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真.其網(wǎng)絡(luò)接線圖如圖2所示.

圖2 孤立電網(wǎng)的接線示意

其中，水輪機(jī)容量為4.8 MW(3 ×1.6 MW)，柴油機(jī)容量為1.2 MW，光伏電站容量為2.4 MW，光伏容量占總?cè)萘康?0%.

針對(duì)該網(wǎng)絡(luò)在不同擾動(dòng)情況下對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，擾動(dòng)設(shè)定如表1所示.

表1 擾動(dòng)設(shè)定

3.2 穩(wěn)定判據(jù)

根據(jù)《DL_755－2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》，功角穩(wěn)定的判據(jù)［8］是系統(tǒng)遭受擾動(dòng)后，任意兩臺(tái)機(jī)組相對(duì)角度搖擺曲線呈同步減幅振蕩.電壓穩(wěn)定的判據(jù)是電網(wǎng)中樞點(diǎn)的母線電壓能快速恢復(fù)到額定值的0.8 p.u.以上.電壓波動(dòng)范圍在額定電壓的±5%內(nèi)視為電壓波動(dòng)不大.

根據(jù)《GBT 15945－2008電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》的規(guī)定，容量較小的電力系統(tǒng)，偏差限值為±0.5 Hz.對(duì)于孤立電網(wǎng)，實(shí)際運(yùn)行中頻率偏差較大;且孤立電網(wǎng)負(fù)荷多為普通生產(chǎn)和生活負(fù)荷，為保證安全可靠供電，對(duì)頻率質(zhì)量的要求可適當(dāng)放寬.穩(wěn)態(tài)頻率偏差在±0.5 Hz范圍內(nèi)認(rèn)為頻率質(zhì)量為合格;暫態(tài)頻率偏差超過(guò)－5.0 Hz和+2 Hz，則認(rèn)為系統(tǒng)已失去頻率穩(wěn)定.

3.3 仿真結(jié)果

通過(guò)仿真計(jì)算可得到如表2所示的結(jié)果.由表2可以看出，當(dāng)光伏發(fā)電接入到該孤立系統(tǒng)后，除擾動(dòng)6外，系統(tǒng)都會(huì)發(fā)生頻率失穩(wěn);在三相短路情況下，系統(tǒng)功角會(huì)失穩(wěn)，其他擾動(dòng)下功角能夠保持穩(wěn)定;所有擾動(dòng)下，各節(jié)點(diǎn)電壓都能保持穩(wěn)定.

3.3.1 光照強(qiáng)度突降

由表2可知，擾動(dòng)3和擾動(dòng)4出現(xiàn)了兩個(gè)正負(fù)頻率偏差最大值.

原因是光照強(qiáng)度下降后，光伏電站的出力減少，導(dǎo)致光伏電站逆變器低頻保護(hù)動(dòng)作而退出運(yùn)行，從而使頻率繼續(xù)下降達(dá)到負(fù)的最大偏差值;隨著水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器的一次調(diào)頻啟動(dòng)，水輪機(jī)組出力增加，頻率回升，當(dāng)其恢復(fù)到符合光伏電站并網(wǎng)條件時(shí)，光伏電站重新并網(wǎng)，系統(tǒng)頻率上升，達(dá)到正的最大偏差值，但又會(huì)導(dǎo)致逆變器過(guò)頻保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致光伏電站退出運(yùn)行.

擾動(dòng)3沖擊下系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)變化曲線和光伏電站功率輸出波形如圖3所示.

表2 各擾動(dòng)情況下穩(wěn)定性仿真結(jié)果 Hz

圖3 光照突降50%光伏有功出力和頻率曲線

光伏電站在退出運(yùn)行20 s后重新并網(wǎng)，頻率開始上升，此后不久高頻保護(hù)動(dòng)作，光伏電站又會(huì)退出運(yùn)行.隨后頻率下降，當(dāng)頻率恢復(fù)到正常范圍內(nèi)，經(jīng)延時(shí)光伏又重新并網(wǎng).頻率又上升，此后不久高頻保護(hù)動(dòng)作，光伏電站又會(huì)退出運(yùn)行.光伏電站出現(xiàn)頻繁投退.

3.3.2 柴油機(jī)退出運(yùn)行

當(dāng)柴油機(jī)退出運(yùn)行后，電網(wǎng)有功出現(xiàn)缺額，電網(wǎng)頻率開始下降.然后水輪機(jī)調(diào)速器開始作用，頻率開始上升.由于柴油機(jī)容量較小，所占電源比例小，因而柴油機(jī)切除后電網(wǎng)頻率下降較小，其值不足以觸發(fā)光伏的頻率保護(hù)，所以光伏電站不會(huì)退出運(yùn)行.圖4為光伏電站出力和頻率曲線.由圖4可以看出，在柴油機(jī)退出后光伏電站有功會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，而后逐漸平穩(wěn).

3.3.3 三相短路

由表2可知，電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)7(三相永久性短路故障)對(duì)阿里電網(wǎng)安全穩(wěn)定性沖擊很大.假定1 s發(fā)生三相永久短路故障，按電網(wǎng)線路保護(hù)的配置經(jīng)過(guò)1.1 s后跳開線路，電網(wǎng)將失穩(wěn)，主要表現(xiàn)在功角失穩(wěn)和頻率失穩(wěn)兩個(gè)方面，但故障清除后電壓恢復(fù)較好.功角失穩(wěn)表現(xiàn)為水電機(jī)組和柴油機(jī)組功角相對(duì)擺開.

圖4 柴油機(jī)退出后光伏出力和頻率曲線

4 結(jié)論

(1)光伏發(fā)電接入孤立電網(wǎng)后存在的穩(wěn)定問(wèn)題主要是頻率失穩(wěn).文中的7種擾動(dòng)，均存在頻率失穩(wěn)問(wèn)題，而功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定性較好.

(2)由于孤立系統(tǒng)頻率特性較差，如果按照通常的光伏并入電網(wǎng)的頻率要求來(lái)整定光伏保護(hù)系統(tǒng)，會(huì)出現(xiàn)光伏電站頻繁投切現(xiàn)象，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.

(3)系統(tǒng)發(fā)生三相短路，可能導(dǎo)致系統(tǒng)功角失穩(wěn)，應(yīng)快速切除短路故障，以避免系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化.

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