大规模光伏电站孤岛运行方式分析

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

2011年4月ProceedingsoftheCSU󰀁EPSAApr.󰀁2011

大规模光伏电站孤岛运行方式分析

战󰀁杰,马梦朝,张󰀁彦,赵义术

(国网技术学院电网检修培训部,济南250002)

摘要:为提高光伏电站并网运行情况下供电的可靠性,文中提出了在传统光伏电站主控与监测系统中扩展孤岛检测与能量管理功能的方法。当检测到光伏电站处于孤岛运行状态时,根据上一时刻采集到的并网电压推算逆变器参考电压相位,并调整逆变器控制策略,使光伏电站根据负荷情况调整电流输出。通过对大规模光伏电站接入的实际配电网络的仿真分析表明,该方法能够实现光伏电站由并网运行方式到孤岛运行方式的无缝切换,从而提高光伏电站并网运行情况下供电的可靠性。关键词:光伏电站;并网运行;孤岛运行;孤岛检测;能量管理

中图分类号:TM615󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁文章编号:1003󰀁30(2011)02󰀁0076󰀁05

AnalysisforIslandingofLarge󰀁scalePhotovoltaic

PowerStationOperation

ZHANJie,MAMeng󰀁chao,ZHANGYan,ZHAOYi󰀁shu

(DepartmentofGridMaintenanceTraining,StatesGridofChinaTechnologyCollege,

Jinan250002,China)

Abstract:ForimprovingthesupplyreliabilityofwholePVstation,anupdatedislandingdetectionandenergymanagementmethod,whichappliedintraditionalmastercontrolandmonitoringsystemofphotovoltaic(PV)powerstation,wasproposedinthepaper.WhentheislandingoperationofPVstationisdetected,theproposedmethodwillpredictphaseangleofinverterreferenceswithcollecteddata,andchangetheinvertercontrolstrat󰀁egy,sothatthePVstationcanadjustitsoutputcurrentaccordingtotheloadrequirement.Simulationsoflarge󰀁scalePVstationindistributionnetworkshowthattheproposedmethodcanachievetransformationfromgrid󰀁tiedoperationtoislandingoperationseamlessly,andimprovethePVstationoperationalreliability.Keywords:photovoltaicpowerstation;grid󰀁connectedoperation;islandingoperation;islandingdetection;en󰀁ergymanagement

󰀁󰀁太阳能作为一种清洁无污染、可再生的能源,目前越来越多地受到人们的关注。光伏发电技术是利用太阳能替代石油、天然气、煤炭等化石能源产生电能的一种新技术。在环境污染、生态破坏等一系列环境问题凸现的今天,光伏发电技术显现出更大的优势。目前的并网光伏电站规模相对较小,一般在kW级,因此电网更多地将其作为一个辅助电源甚至负荷来考虑。一旦电网出现故障,要求立即中止光伏并网发电系统对电网的供电[1~4]。然而随

着光伏发电技术的不断发展,光伏电站规模已经能够达到MW级甚至10MW级,而此类大规模光伏电站并入电网之后对当地配电网的影响至今未见文献研究,在这种情况下仍然将其作为电网中的辅

助电源甚至是负荷,是不太合理的,也体现不出紧急状态下大规模光伏电站对电网的支撑作用。因此,分析此类光伏电站孤岛运行状态下的特性,对于今后大规模光伏电站的发展与运行是非常有帮助的。

*收稿日期:2010󰀁11󰀁09;修回日期:2010󰀁12󰀁09

基金项目:山东电力集团公司重大科技项目(2010A󰀁102)

第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁战󰀁杰等:大规模光伏电站孤岛运行方式分析

󰀁77󰀁

1󰀁光伏电站并网运行方式

光伏电站可根据结构不同分为单级变换系统和两级变换系统[2~5],如图1所示。两种系统都需要经过并网逆变器出口,在外接电网运行时,逆变器监测电网侧的电压相位并对输入的直流电压进行正弦脉冲宽度调制SPWM(sinusodialpulsewidthmodulation),输出正弦波到电网侧。

在电网电压和频率恢复到正常范围后的20s到5min内,光伏系统不应向电网送电。此种方案虽有光伏系统接入,但并未提高当地负荷的供电可靠性。

图3给出了图2中逆变器并网运行控制的一种典型方式。它使用并网侧三相电压通过锁相环获得电压A相相位,并根据此相位产生于电网电压同频同相的正弦波信号与一高频三角波相比,输出控制逆变器三极管导通/关断的信号。

图1󰀁光伏电站结构分类

Fig.1󰀁StructuralclassificationofPVpowerstation

图3󰀁逆变器并网运行控制方式Fig.3󰀁Grid󰀁connectedinvertercontrolmode

󰀁󰀁目前光伏电站并网发电采用的电气系统连接图如图2所示(参见GB/T19939󰀁2005)。该接线方

式中,当光伏电站并网接口失压时,防孤岛保护应在2s内动作,将光伏系统与电网断开。

󰀁󰀁在此控制方式下,光伏电站只输出有功,有功功率输出由光照及温度决定,在网络潮流仿真中作为P=Pmax,Q=0的PQ发电节点,即负的PQ负荷节点。

2󰀁光伏电站孤岛运行方式

为提高光伏电站接入后系统供电可靠性,并在紧急或灾变情况下为系统重要负荷或系统恢复提供电源支撑,本文提出一种光伏电站孤岛运行模式。为实现所提光伏电站孤岛运行,需在图2主控与监测系统中扩展孤岛检测与能量管理子系统。

孤岛检测与能量管理子系统的主要作用包括:1)孤岛检测与控制,通过监测电网侧和光伏电站侧的电压、电流、频率、开关状态等有关量,对电网是否故障、是否掉电、光伏电站内是否故障等

图2󰀁传统型光伏并网电气系统连接图

Fig.2󰀁Traditionalconnectiondiagramof

grid󰀁connectedPVpowersystem

及时作出判断,在故障或电网掉电情况下,及时跳开并网控制断路器,并启动后续有关功能;

2)信息中继,完成光伏电站与上、下级调度或有关控制系统的信息通讯;

3)光伏电站发电负荷预测;

4)能量管理与控制,在光伏电站并网运行方

式下,接收和执行调度或有关控制系统指令,确定光伏电站有功控制策略,比如执行最大功率跟踪、按定值有功控制等;在孤岛运行方式下,实现有功发电与负荷的匹配、有功备用设置、低压减载、频率控制等;

󰀁󰀁采取以上措施意在避免损害故障电网电力线

路、造成设备检修的工作人员伤亡事故以及防止电网恢复供电时由于电网和光伏电站出口的输出电压相位存在较大差异,在一瞬间产生很大的冲击电流而损坏设备。光伏电站出口的防孤岛运行检测通常采用,如电压监视、相位监视、频率偏移监视等被动检测方法,以及有功无功扰动法、主动频率偏移法等主动检测方法[6~8]。

󰀁78󰀁

电力系统及其自动化学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第23卷

5)无功电压管理,在光伏电站并网运行方式下,接收和执行调度或有关控制系统指令,确定光伏电站无功控制策略,比如定值无功控制等;在孤岛运行方式下,实现无功发电与负荷的匹配、无功备用设置与自动投切等。

孤岛检测与能量管理子系统一旦检测到光伏电站处于孤岛运行状态,保护装置动作,只跳图2中的开关1,同时光伏电站进入孤岛运行模式。此时不是将光伏电站退出运行,而是根据上一时刻采集到的并网电压推算逆变器参考电压,保持继续运行,并不再控制电流与电压同相位,使光伏电站根据负荷情况调整电流输出。对于只有一个并网节点(对应一台或一组逆变器)的光伏电站(一般容量较小),在仿真分析和控制中该节点作V󰀁节点处理,此节点注入并网点的有功功率和无功功率由能量管理系统根据潮流计算或有关控制装置的输出确定;对于大型光伏电站,一般由多组光伏方阵、分别通过各自逆变器并网运行,在孤岛运行方式下,由能量管理系统确定一个较大型光伏阵列作V󰀁节点,选择尽量少的部分节点(对电网电压有支撑作用)作PV节点,其余部分做PQ(Q=0)节点,以实现对太阳能的最大利用。在配置储能设备的光伏电站供电系统中,可首选储能设备并网点为V󰀁节点。孤岛运行方式下,光伏电站同时发出有功功率和无功功率,能量管理系统实现有功和无功的匹配控制,按照负荷不高于可用发电能力的一定比例(比如有功负荷不高于可用发电能力的90%)控制。留有一定比例的发电能力做备用,满足负荷随机波动变化的需求。在此方式下,可实现对重要负荷的不间断供电,也可为电网停电后的黑启动等提供所需部分功率,储能设备不是必须条件。

在孤岛运行方式下,监控设备不断监测电网的状态,在电网状态恢复到正常状态后的20s到5min后,能量管理子系统调整光伏电站控制策略,控制逆变器的输出电压的幅值和相位,实现与电网电压的同期后,闭合开关1,恢复光伏电站并网运行。

本文对所提出的孤岛运行控制方式下的逆变器工作情况进行了仿真,其原理如图4所示。仿真中使用了较为快速的电压/频率监视法,即采集光伏电站出口的电压有效值和频率值,并和设定值比较,如果发现电压/频率超出范围,即认为光伏电站处于孤岛运行状态,但此时可以不将光伏组件退出运行,而是根据上一时刻采集到的并网电压推算逆变器参考电压相位,保持继续运行,并不再控制电流与电压同相位,使光伏电站根据负荷情况调整电流输出。

图4󰀁逆变器孤岛运行控制方式Fig.4󰀁Island󰀁operatinginvertercontrolmode

󰀁󰀁从运行仿真结果图5、图6中可以看出,由并网运行方式转入孤岛运行方式后,逆变器输出电压略微有所降低,相位基本连续,而输出电流相位发生了突变,说明逆变器根据负载的情况调整了输出电流。

图5󰀁逆变器输出电压波形

Fig.5󰀁Voltagewaveformoutputbyinverter

图6󰀁逆变器输出电流波形

Fig.6󰀁Currentwaveformoutputbyinverter

3󰀁仿真分析

本文针对光伏电站并网运行方式及所提出的孤岛运行方式,结合一个实际的110kV网络进行仿真分析。仿真工具使用了MATLAB的电力系统分析工具箱PSAT(powersystemanalysistoolbox)。

仿真用的配电网络结构如图7所示,共35个节点,有110kV、35kV、10kV及0.4kV四个电压等级,共有负荷有功30MW、无功10MVar,总容量10MW的光伏阵列分散接入0.4kV母线,如表

[9,10]

第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁战󰀁杰等:大规模光伏电站孤岛运行方式分析

󰀁79󰀁

1所示。并网运行时,光伏电站只输出有功功率,总输出曲线及网络中几个节点电压如图8、9所示。

负荷,切除某一35kV母线上的20MW负荷之后,光伏阵列转入孤岛运行状态(表2),110kV母线上

的功率为负值表明此时网络可以向外输出功率。

表1󰀁光伏电站接入系统各点容量情况Tab.1󰀁CapacitiesofPVstationconnected

tothedistributiongrid

序号123456

变压器7#变压器7#备用变历城2#变5󰀁1#变压器5󰀁2#变压器6#变压器

接入容量/

MW

220.40.40.40.9

序号7101112

变压器历城1#变水箱厂变3#变压器2#变压器4#变压器1#变压器

接入容量/

MW

0.40.40.420.50.136

图8󰀁光伏阵列输出变化曲线Fig.8󰀁PVarrayoutputcurve

图7󰀁10MW光伏电站接入电网系统图

Fig.7󰀁10MWPVstationconnectedtothedistributiongrid

󰀁󰀁假设在光照强度700W/m2,太阳能电池板温度324K(51󰀁)下,110kV母线突然失电,由于光伏阵列最多供给10MW功率,所以必须考虑切除

图9󰀁节点电压变化曲线Fig.9󰀁Node󰀁voltagecurves

表2󰀁孤岛运行下母线状态

Tab.2󰀁Busstateinislandoperationmode

母线1󰀁0.41󰀁102󰀁0.42󰀁103󰀁0.43󰀁104󰀁0.45󰀁1󰀁0.45󰀁2󰀁0.45󰀁106󰀁0.46󰀁10T1_110

V(p.u.)11.040811.011.04361.04361111.0411.04451

Phase/rad0.0430.144030.32950.025210.150220.150220.374771.05050.982670.141740.756620.151790.00013

Pgen(p.u.)0.00136

00.0120000.0050.0120.01200.009

0

-0.04063

Qgen(p.u.)0.00033

00.00132

0000.000490.004810.00436

00.00235

0-0.00031

Pload(p.u.)0.0021000000.0020.00140.00200.00200

Qload(p.u.)0.00081

000000.000770.0000.00077

00.00077

00

󰀁80󰀁

电力系统及其自动化学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第23卷

󰀁󰀁如果在孤岛运行状态下配电网内部再次发生故障,则配电网还可以进一步解列为每个光伏阵列对自己10kV或0.4kV母线上的负荷进行供电的

模式,此时相当于光伏电池运行,各子网络之间不再有电气联系,潮流仿真结果如表3。

表3󰀁解列运行下母线状态

Tab.3󰀁Busstateinsystemsplittingmode

母线1󰀁0.42󰀁0.44_0.45󰀁1󰀁0.45󰀁2󰀁0.46󰀁0.4动力车间历城1󰀁0.4历城2󰀁0.4水箱󰀁0.4水箱厂永宁车间特麻负荷办公楼1车间1车间27󰀁1󰀁0.4车间3办公楼2车间4

V(p.u.)1111110.96108

1110.977060.918360.913850.935970.944520.91836

10.927260.995210.91836

Phase/rad000000.00216

0-0.01217

000-0.007190.0270.0260.019990.01735-0.027

00.022710.00153-0.027

Pgen(p.u.)0.002270.001040.002160.001470.0000.00216

00.000130.003390.00061

0000000.00962

000

Qgen(p.u.)0.000940.000410.0000.00059

00.000

05󰀁10󰀁50.001380.00024

0000000.00395

000

Pload(p.u.)0000000.0010000.00060.0020.00210.00320.00140.00200.0090.000130.002

QIoad(p.u.)

000000.00038

0000.000230.000770.000810.001230.0000.00077

00.003465󰀁10󰀁50.00077

󰀁󰀁潮流仿真显示,在孤岛运行情况下光伏电站可以为外部提供有功及无功输出,维持重要负荷的供电。

从稳态运行仿真的结果可以看出,利用大规模光伏电站的孤岛运行,可实现对电网的支撑作用。但在由并网运行向孤岛运行状态转移的过程中,需要配置较大容量的储能装置,实现由并网运行向孤岛运行的无缝切换。或者在经历极短时间的停电后,通过与储能或其它分布式发电形式,如冷热电联供微型燃气轮机或内燃机的相互配合,来实现孤岛运行。

行方式的无缝切换,从而提高供电可靠性。

参考文献:

[1]󰀁赵晶,赵争鸣,周得佳(ZhaoJing,ZhaoZhengming,

ZhouDejia).太阳能光伏发电技术现状及其发展(TechnologystatusanddevelopmentofsolarenergyPVgeneration)[J].电气应用(ElectrotechnicalAppli󰀁cation),2007,26(10):6-11.

[2]󰀁赵争鸣.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学

出版社,2005.

[3]󰀁MastersGM.RenewableandEfficientElectricPow󰀁

erSystems[M].Hoboken:Wiley,2004.

[4]󰀁IEEESTD929-2000,IEEERecommendedPractice

forUtilityInterfaceofPhotovoltaic(PV)Systems[S].

[5]󰀁程军照,李澍森,张腾飞(ChengJunzhao,LiShusen,

ZhangTengfei).多路并网光伏发电系统的仿真与分析(Simulationsandanalysisonamulti󰀁branchgrid󰀁connectedphotovoltaicsystem)[J].电力系统及其自动化学报(ProceedingsoftheCSU󰀁EPSA),2009,21(4):58-62.

4󰀁结语

本文分析了光伏电站并网运行方式,提出了一种光伏电站的孤岛运行控制方式,认为大规模光伏电站在接入地配电网失电的情况下可以不必停止

运行,而是按照孤岛运行方式为当地重要负荷提供功率支撑。同时对一个实际的110kV配电网络接入总容量10MW光伏阵列的情况做了正常运行状态下和故障状态下孤岛运行的潮流仿真,证明了该方法能够实现光伏电站由并网运行方式到孤岛运

(下转第91页)

第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁杨旭昕等:应急电力物资综合调配方案模型设计

工程理论与实践(SystemsEngineeringTheory&Practice),2009,12(9):52-55.

[10]何建敏,刘春林,曹杰,等.应急管理与应用系统一选

址、调度与算法[M].北京:科学出版社,2005.[11]陈大宇,肖峻,王成山(ChenDayu,XiaoJun,Wang

Chengshan).基于模糊层次分析法的城市电网规划决策综合评判(AFahp󰀁basedMadmmethodinurbanpowersystemplanning)[J].电力系统及其自动化学报(ProceedingsoftheCSU󰀁EPSA),2003,15(4):83-88.

[12]刘盛松,蒋传文,侯志俭(LiuShengsong,JiangChua󰀁

nwen,HouZhijian).基于最优潮流的最大传输能力计算(Optimalpowerflowbasedtotaltransfercapa󰀁bilitycalculation)[J].上海交通大学学报(JournalofShanghaiJiaotongUniversity),2004,38(8):1233-1237.

作者简介:

󰀁91󰀁

[13]刘焕志,李扬,陈霄(LiuHuanzhi,LiYang,ChenXi󰀁

ao).基于连续潮流的输电网可用输电能力计算(Availiabletransfercapabilitycalculationbasedoncontinualpowerflowfortransmissionnetwork)[J].电力自动化设备(ElectricPowerAutomationEquip󰀁ment),2003,23(12):5-9.

杨旭昕(1988-),男,本科,主要从事电力系统稳定与控制方向研究。Email:yangxuxin@gmail.com

刘俊勇(1963-),男,教授,博士生导师,主要从事电力市场、分布式发电、灵活输电与电力系统可视化等方面的研究。Email:scdxliu@ehdc.com.cn

季宏亮(1970-),男,高级工程师,工程硕士,主要从事继电保护,自动化方向研究。Email:sck2101@163.com

(上接第80页)

[6]󰀁袁玲,郑建勇,张先飞(YuanLing,ZhengJianyong,

ZhangXianfei).光伏发电并网系统孤岛检测方法的分析与改进(Analysisandimprovementofislandingdetectionmethodforgrid󰀁connectedphotovoltaicin󰀁verters)[J].电力系统自动化(AutomationofElectricPowerSystems),2007,31(21):72-75.

[7]󰀁吴理博(WuLibo).光伏并网逆变系统综合控制策略

研究及实现(ResearchandImplementationofControlStrategyinGrid-connectedPhotovoltaicSystems)[D].北京:清华大学电机系(Beijing:DepartmentofElectricalEngineeringofTsinghuaUniversity),2006.

[8]󰀁禹华军,潘俊民(YuHuajun,PanJunmin).并网发电

逆变系统孤岛检测新方法的研究(Studyonnewis󰀁landingdetectingmethodforgrid󰀁connectedpowersystem)[J].电力系统及其自动化学报(ProceedingsoftheCSU󰀁EPSA),2005,17(5):55-59.

[9]󰀁MilanoFederico.Anopensourcepowersystemanal󰀁

作者简介:

战󰀁杰(1981-),男,讲师,研究方向为新能源发电并网技术、电力系统继电保护。Email:zhj94793@163.com马梦朝(1983-),男,工程师,研究方向为新能源发电并网技术。Email:mmc6324@163.com

张󰀁彦(1985-),女,工程师,研究方向为新能源发电并网技术、电力电子。Email:zhangyanchina@126.com

ysistoolbox[J].IEEETransonPowerSystems,2005,20(3):1199-1206.

[10]王一波,伍春生,廖华,等(WangYibo,WuChunsh󰀁

eng,LiaoHua,etal).大型并网光伏发电系统稳态模型与潮流分析(Steady󰀁statepowerflowanalysesoflarge󰀁scalegrid󰀁connectedphotovoltaicgenerationsystem)[J].清华大学学报(自然科学版)(JournalofTsinghuaUniversity(ScienceandTechnology)),200949(8):1093-1097.