并网光伏发电系统对配电网影响的研究

华北电力大学（保定）硕士学位论文并网光伏发电系统对配电网影响的研究姓名：石振刚申请学位级别：硕士专业：电气工程；电力系统及其自动化指导教师：王晓蔚2011-03华北电力大学硕士学位论文摘要随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展成为人类必须采取的措施。太阳能是当前世界上最清洁、最现实、大规模开发利用最有前景的可再生能源之一。太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势。但随着大容量光伏系统的并网，将会对电力系统产生较大影响，同时给系统的运行带来一列技术问题，本文主要研究光伏系统对配电网潮流、电压分布以及继电保护产生的影响。本文首先对并网光伏发电系统并网模型进行了研究，在MATLAB/simulink中建立了包括光伏阵列、最大功率跟踪模块、逆变模块在内的并网光伏发电系统模型，并通过仿真结果验证了光伏阵列模型、最大功率跟踪控制算法以及整个系统模型的有效性；然后分析了光伏系统并网后对配电网潮流和电压分布的影响，利用电力系统分析综合程序PSASP仿真研究了光伏系统在不同容量和接入位置及不同运行工况下对系统潮流、电压分布的影响规律，并根据影响规律提出了无功调节、电压调节的技术措施和控制策略；最后研究了故障情况下光伏系统对短路电流产生影响的程度，分析了光伏系统不同接入位置、不同容量以及不同故障点位置对配电网短路电流和线路保护所产生的影响，并根据影响确定不同的策略。关键词：并网光伏发电系统；配电网；电压分布；继电保护I华北电力大学硕士学位论文AbstractWithagraduallyseriousproblemoftheglobalenvironmentalpollutionandenergyshortages,exploitingnewenergysourcesisnecessarytocoverthefuturedemands.Solarenergyisoneofthemostabundant,clean,andlargescaleregenerationenergyresources.Photovoltaicgrid-connectedtechnologyhavebecomethemainformofthePVapplication.Withthegrowingcapacity,PVsystemhasaneffectonexistingpowersystems,MeanwhileincorporatingPVsystemwillbringaseriesoftechnicalproblems,ThepaperdiseussestheimpactofPVsystemonpowerflow,voltageprofileandrelayprotection.Fristly,thegrid-connectedmodelisstudiedinthispaper,thegrid-connectedPVsystemwhichincludesphotovoltaicarray,maximumpowerpointtrackingmodule,invertermoduleisestablished,andsimulationresultsshowtheeffectivenessofthePVarray,MPPcontrolalgorithmsandthesystemmodel;theimpactofPVsystemonpowerflowandvoltageprofileofdistributionnetworkareanalyzed,theimpactruleofpowerflowandvoltageprofileaccordingtothedifferentpositions,capacityandworkingstatesarestudiedbysimulationusingthePSASP,thetechnicalmeasuresandcontrolstrategiesareproposed.AnalysingthecharacteristicsofPVsystem,thedegreeoffaultcurrentsarestudiedbysimulationusingthePSASP,andtheimpactofdifferentinterconnectinglocations,differentcapabilitiesanddifferentfaultpointsofPVsystemonshortcurrentandrelayprotectionareanalyzed,thedifferentstrategiesaretakenforthis.Keywords:grid-connectedphotovoltaicsystem,distributionnetwork,voltageprofile,relayprotectionII华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《并网光伏发电系统对配电网影响的研究》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文使用授权书《并网光伏发电系统对配电网影响的研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以下相应方框内打“√”）：保密□，在不保密□年解密后适用本授权书作者签名：导师签名：日期：日期：年年月月日日华北电力大学硕士学位论文第1章绪论1.1选题背景及其意义在能源形势日益严峻和环境污染问题日益严重的今天，开发利用绿色可再生能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施，分布式发电成为世界各国争相发展的热点，其中太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。随着太阳能电池研究进程的加快和转换效率的不断提升，光伏发电成本呈现出快速下降趋势，社会普遍认同光伏发电作为可再生能源的作用与应用前景，开展光伏发电（Photovoltaic（PV））的应用推广也更具有现实意义。同时光伏发电正在由边远农牧区和特殊场合应用向并网发电规模化方向发展，由补充能源向替代能源方向过渡。光伏并网发电已经成为太阳能光伏利用的主要方式之一。开展并网光伏发电的研究，对于缓解能源和环境问题，研究高性能光伏发电系统，合理正确利用太阳能光伏发电，不仅具有理论意义同样也具有重大的现实意义[1]。光伏发电作为分布式发电的一种，其工作特点是利用并网逆变器将太阳能电池组件产生的直流电转换成符合电网要求的交流电，并入公共电网，光伏系统产生的电能除供给交流负载外，将剩余电能反馈给电网。可任意组合光伏系统的容量，分散使用最佳，可作为大电厂、大电网集中式供能的重要补充，也是新一代能源体系的重要组成部分。从电网角度而言，光伏发电将拥有越来越大的市场份额，并将与现有的电力系统结合形成一个高效、灵活的电力系统，提高整个社会的能源利用效率。光伏发电等分布式发电具有多方面的优点，然而其并网也会给电力系统运行和稳定性带来许多负面影响[2-5]。大量分布式发电系统接入电网，将对传统电力系统产生巨大的影响。其主要表现在以下几个方面：1）对网损的影响；2）对线路上潮流的影响；3）对电压的影响；4）对系统保护的影响；5）对故障电流的影响等。另外，由于国内的管理标准和技术规范不够全面、明确，可操作较差，电网企业就很难全面评估光伏并网系统的可靠性、电能质量以及安全性，从而使光伏发电系统并网变的困难和复杂。光伏发电是一项复杂的技术，不可以在电力系统随心所欲的利用，需要对其接入系统容量和接入位置合理规划和设计，并选择合适的类型以及并网时间，同时满足一些技术约束条件，才能使系统获得更高的可靠性，其环保性和经济性才能得到充分发挥。因此，研究光伏发电对电力系统产生的负面影响，协调光伏发电与传统电力系统之间的关系，充分发挥它对系统的补充优势，具有重要的理论指导意义和实际应用价值。-1-华北电力大学硕士学位论文本文选题基于以上背景，并依托国家电网公司资助的河北省电网公司重点科技项目“太阳能光伏并网关键技术研究”中的重点子课题“并网光伏发电系统对配电网影响的研究”，主要进行光伏系统对配电网影响的研究。1.2光伏发电技术研究现状目前，国内外对于光伏发电技术的研究主要集中在光伏发电系统本身的研究，即对光伏发电系统组成以及控制策略进行了细致的研究；光伏发电系统对电网的影响和电网对光伏发电系统的影响研究有待进一步深入。1.2.1光伏发电系统1.光伏发电系统的组成和分类[6]通常光伏发电系统可分为两大类：一是独立光伏发电系统，二是并网光伏发电系统。独立光伏发电系统主要应用于偏远的无电力供应地区和特殊领域的供电问题，以单组中小系统居多。独立光伏发电系统由光伏阵列、蓄电池组、充电控制器、逆变器等组成，其工作原理为:将光伏阵列接收到的太阳辐射能量直接转换成电能供给直流负载或利用逆变器将直流电能转换为交流电向交流负载供电，并利用充电控制器将多余电能以化学能形式在蓄电池组中存储，在系统无法获得电能时，利用逆变器将存储在蓄电池中的能量转换为负载可用的交流电。独立系统结构图如图1-1所示：太阳能光伏阵列直流逆变器交流交流负荷蓄电池图1-1独立光伏发电系统结构图太阳能利用的主要形式是并网光伏发电，并网发电系统是通过控制逆变器，直接将太阳能光伏阵列产生的直流电转换为交流电，并入公用电网。并网光伏发电系统利用最大功率跟踪模块可以使光伏阵列始终工作在最大功率点上，光伏阵列所发出的全部电能全部由公用电网来吸收，因此提高了光伏发电的效率，另外由于取消了蓄电池组，降低能量的损耗及维护费用，减少了其带来的间接污染，降低系统成本，供电的稳定性和可靠性也得到了提高。本文的主要对象的是光伏并网发电系统。-2-华北电力大学硕士学位论文从能量变换的角度来分类，并网光伏发电系统可依照级数划分为单级式能量变换和双级式能量变换[7]。图1-2为单级式能量变换结构图。太阳能光伏阵列光伏并网逆变器滤波电路电网光伏阵列电压、电流检测PWM驱动信号电网电压、频率检测逆变器控制系统图1-2单极式并网光伏发电系统结构图其主要组成部分为光伏阵列、控制器、DC/AC光伏逆变器等。工作原理为利用DC/AC光伏并网逆变器将光伏阵列所产生的直流电转换为交流电输送到公用电网。光伏阵列通过串联将直流电压提升到足以保证光伏逆变器正常工作所需的直流母线电压。同时，通过控制光伏逆变器并网功率来实现对光伏阵列最大功率点的跟踪。单极式并网光伏发电系统的优点主要有：系统所需的器件较少；结构简单；相对多级式拓扑，能量变换环节少，效率高；无储能环节，降低成本；主要缺点有：由于直流侧母线电压不可控，为了安全并网，须增加直流母线电压保护；光伏逆变器控制部分同时实现并网和最大功率跟踪(MPPT)，对控制器要求较高。双级式并网光伏发电系统结构图如下所示：太阳能光伏阵列DC/DC变换器光伏并网逆变器滤波电路电网光伏阵列电压、电流检测DC/DC输出电压PWM驱动信号电网电压、频率检测MPPT控制器逆变器控制系统图1-3双极式并网光伏发电系统结构图其主要组成部分为光伏阵列、DC/DC变换器、控制器、DC/AC光伏并网逆变器等。工作原理为利用DC/DC变换器将光伏阵列所产生的直流电变换成另一个电压等级的直流电（一般为升压变换），然后再利用DC/AC光伏并网逆变器转换为交流电馈送到电网。DC/DC变换需要同时实现对光伏阵列的最大功