靳 希，張菲菲，王曉峰，張立鋒，厲 瑜，沙旦華，祁曉卿，曹 煒

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

近年來，太陽能作為一種可再生的清潔能源越來越受到人們的重視，而光伏發(fā)電已經(jīng)朝規(guī)?；筒⒕W(wǎng)型方向發(fā)展［1，2］.當光伏發(fā)電在電網(wǎng)中占有一定的比例時，就必須要考慮光伏接入對電網(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，負荷變化大等特點，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、隨機性，因此大容量光伏發(fā)電接入孤立電網(wǎng)后，勢必對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成不利的影響.文獻［3］通過仿真計算指出，當光伏容量占系統(tǒng)總裝機容量的3.6%時，光伏電站出力擾動對系統(tǒng)的沖擊已較為明顯.

電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)是由中國電力科學研究院研發(fā)的電力系統(tǒng)分析程序，是高度集成和開放的、具有我國自主知識產(chǎn)權的大型軟件包.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，根據(jù)光伏器件半導體的特性及其物理本質(zhì)而建立的.該模型能準確反映其物理特性，具有較高的仿真精度，但缺點是結(jié)構(gòu)復雜，模型參數(shù)與常規(guī)參數(shù)對應關系不明確，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的電壓與電流關系曲線.該模型忽略了光伏電池內(nèi)部特性，具有建模簡單，同時又能較好地模擬光伏的輸出特性.在進行光伏電站機電暫態(tài)仿真的時候可以采用基于外特性的光伏電池模型.其表達式為［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電流;

Um——光伏電池的最大功率點電壓.

為了計及日照和溫度的變化情況，需對上述4值進行修訂.

式中:S——實際日照強度;

T——實際溫度;

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電流;

Umm——修正后的最大功率點電壓.

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.對于機電暫態(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，慣性延遲的時間常數(shù)很小，可將逆變器進一步轉(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 逆變器保護系統(tǒng)設定

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

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

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運行(僅對三相輸出)時，電網(wǎng)接口處的負序電壓不平衡度應不超過2%，短時不得超過4%.其電壓不平衡保護設定值見圖1d.其中U1和U2分別為正序和負序電壓.

系統(tǒng)發(fā)生擾動后，在電網(wǎng)電壓和頻率恢復到正常范圍之前，光伏電站不允許并網(wǎng)，當電壓頻率恢復正常后，光伏電站需要經(jīng)過一個可調(diào)的延時時間后才能重新并網(wǎng).由于孤立電網(wǎng)中光伏電站將作為主要電源，為了能更快的恢復供電，重合閘時間取20 s.

圖1 光伏電站各保護的設定值示意

3 仿真算例

3.1 計算條件

針對西部某孤立電網(wǎng)，對光伏電站接入后的電網(wǎng)穩(wěn)定性進行仿真.其網(wǎng)絡接線圖如圖2所示.

圖2 孤立電網(wǎng)的接線示意

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

針對該網(wǎng)絡在不同擾動情況下對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析，擾動設定如表1所示.

表1 擾動設定

3.2 穩(wěn)定判據(jù)

根據(jù)《DL_755－2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》，功角穩(wěn)定的判據(jù)［8］是系統(tǒng)遭受擾動后，任意兩臺機組相對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)中樞點的母線電壓能快速恢復到額定值的0.8 p.u.以上.電壓波動范圍在額定電壓的±5%內(nèi)視為電壓波動不大.

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.對于孤立電網(wǎng)，實際運行中頻率偏差較大;且孤立電網(wǎng)負荷多為普通生產(chǎn)和生活負荷，為保證安全可靠供電，對頻率質(zhì)量的要求可適當放寬.穩(wěn)態(tài)頻率偏差在±0.5 Hz范圍內(nèi)認為頻率質(zhì)量為合格;暫態(tài)頻率偏差超過－5.0 Hz和+2 Hz，則認為系統(tǒng)已失去頻率穩(wěn)定.

3.3 仿真結(jié)果

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

3.3.1 光照強度突降

由表2可知，擾動3和擾動4出現(xiàn)了兩個正負頻率偏差最大值.

原因是光照強度下降后，光伏電站的出力減少，導致光伏電站逆變器低頻保護動作而退出運行，從而使頻率繼續(xù)下降達到負的最大偏差值;隨著水輪發(fā)電機調(diào)速器的一次調(diào)頻啟動，水輪機組出力增加，頻率回升，當其恢復到符合光伏電站并網(wǎng)條件時，光伏電站重新并網(wǎng)，系統(tǒng)頻率上升，達到正的最大偏差值，但又會導致逆變器過頻保護動作，導致光伏電站退出運行.

擾動3沖擊下系統(tǒng)頻率動態(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

光伏電站在退出運行20 s后重新并網(wǎng)，頻率開始上升，此后不久高頻保護動作，光伏電站又會退出運行.隨后頻率下降，當頻率恢復到正常范圍內(nèi)，經(jīng)延時光伏又重新并網(wǎng).頻率又上升，此后不久高頻保護動作，光伏電站又會退出運行.光伏電站出現(xiàn)頻繁投退.

3.3.2 柴油機退出運行

當柴油機退出運行后，電網(wǎng)有功出現(xiàn)缺額，電網(wǎng)頻率開始下降.然后水輪機調(diào)速器開始作用，頻率開始上升.由于柴油機容量較小，所占電源比例小，因而柴油機切除后電網(wǎng)頻率下降較小，其值不足以觸發(fā)光伏的頻率保護，所以光伏電站不會退出運行.圖4為光伏電站出力和頻率曲線.由圖4可以看出，在柴油機退出后光伏電站有功會出現(xiàn)波動，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7(三相永久性短路故障)對阿里電網(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)線路保護的配置經(jīng)過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)兩個方面，但故障清除后電壓恢復較好.功角失穩(wěn)表現(xiàn)為水電機組和柴油機組功角相對擺開.

圖4 柴油機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)定問題主要是頻率失穩(wěn).文中的7種擾動，均存在頻率失穩(wěn)問題，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)的頻率要求來整定光伏保護系統(tǒng)，會出現(xiàn)光伏電站頻繁投切現(xiàn)象，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行.

(3)系統(tǒng)發(fā)生三相短路，可能導致系統(tǒng)功角失穩(wěn)，應快速切除短路故障，以避免系統(tǒng)穩(wěn)定性進一步惡化.

［1］李春鵬，張廷元，周封.太陽能光伏發(fā)電綜述［J］.電工材料，2006(3):45-48.

［2］趙晶，趙爭鳴，周德佳.太陽能光伏發(fā)電技術現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］.電氣應用，2007，26(10):6-10.

［3］王一波，李晶，許洪華，等.考慮電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束的光伏電站最大安裝容量計算與分析［J］.太陽能學報，2008，29(8):1-5.

［4］周德佳，趙爭鳴，吳理博，等.基于仿真模型的太陽能光伏電池陣列特性的分析［J］.清華大學學報:自然科學版，2007，47(7):1 109-1 112.

［5］焦陽，宋強，劉文華.光伏電池實用仿真模型及光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真［J］.電網(wǎng)技術.2010，34(11):198-202.

［6］蘇建徽，余世杰，趙為.硅太陽電池工程用數(shù)學模型［J］.太陽能學報，2001，22(4):409-412.

［7］茆美琴，余世杰，蘇建徽.帶有 MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型［J］.系統(tǒng)仿真學報，2005，17(5):1 248-1 251.

［8］中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.DL_755－2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則［S］.中華人民共和國電力行業(yè)標準，2001［2011-07-01］.http://wenku.baidu.com/view/284 Tbcacdd3383c4bb4cd22d.html.