光伏DG接入配电网及微电网的过电压自动调节方法研究

第43卷第22期 2015年11月16日 电力系统保护与控制 Power System Protection and Control 、，0143 NO22 NOV162015 光伏DG接入配电网及微电网的过电压自动调节方法研究 李瑞生， (许继集团有限公司， 翟登辉 河南许昌461 000) 摘要：针对光伏DG接入配电网因过电压而导致渗透率低的问题、微电网离网运行期间过电压问题，以及微电网 在非计划孤岛状态下并网转离网暂态过电压问题，提出一种P厂LJ下垂调节方法。当光伏DG接入配电网，该方法 能避免光伏DG因过电压而退出运行。当光伏DG接入离网运行微电网，因负荷减少、DG出力增加等因素而导 致过电压时，该方法可以实现无通信互连线的稳态离网能量平衡。当含光伏DG的微电网在并网转离网期间，该 方法能够解决暂态过电压问题。首先推导电压偏差公式并分析过电压产生机理。其次介绍PU下垂调节方法原理。 最后为验证方法可行性，以光伏DG接入配电网为算例分析对象，搭建MatlabSimulink仿真模型，并在逆变器样 机上进行试验验证。结果表明PU下垂调节方法可行有效。 关键词：渗透率；分布式光伏发电；Pu下垂；配电网；微电网 Research on over-voltage automatic adjustment method of distributed photovoltaic source accessing to distribution network or microgrid LI Ruisheng，ZHAI Denghui (xJ Group Corporation，Xuchang 461000，China) Abstract：For the problem of low capacity penetration caused by over voltage，over voltage during the operation of islanded DG and the transient over voltage between transition of DG both from islanded operation mode to grid-connected operation mode when photovoltaic DGs access to distribution network，this paper puts forward a kind ofPU droop control method，which carl avoid photovoltaic DG exiting operation due to over voltage when it accesses to distribution networkWhen the load is reduced，the DG power increases and other factors causing over voRage in islanded DG including photovoltaic DG the method can achieve the steady energy balance of islanded MG without control interconnections and also can solve the transient over voltage between transition of MG both from islanded mode to gridconnected modeFirstly,the vokage deviation formula is given and over voltage generation mechanism is analyzed Secondly,the P-U regulating method is introducedAnd then in order to verify the feasibility of the method，taking photovoltaic DG accessing to distribution network as the object of analysis，the MatlabSimulink simulation model and experiment are presented from the platform of photovoltaic inveerThe results show that PU droop control method is effective Key words：capacity penetration；distributed photovoltaic generation；PU droop；distribution network；microgrid 中图分类号：TM615 0引言 分布式发电(Distributed generation，DG)接在用 户侧附近，采取就近发电，就近并网，就近使用的 原则，通过公共连接点(PCC)连接到一个区域电力系 统(Area EPS电网)的发电设施。分布式光伏发电是利 基金项目：国家能源应用技术研究7Lx_程示范(NY20150302) 文章编号：16743415(2015)22-006207 用太阳能的一种分布式发电(以下称光伏DG)，采用 就近将太阳能转换为电能，就近并网，是一种新型 的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用模式L1。 光伏DG接入配电网会对配电网规划、配电网继电 保护、电能质量、电压波动造成影响。尤其是电压 电能质量是光伏DG技术应用中的一个主要难题， 是限制光伏DG接入的容量渗透率提高的主要障碍。 光伏DG接入对于配电网来说是不可控的，电网扰 李瑞生，等 光伏DG接入配电网及微电网的过电压自动调节方法研究 一63 动及故障时造成电压频率异常，要求光伏DG立刻 退出运行，避免光伏DG接入对配电网造成影响。 为解决光伏DG接入配电网的矛盾，充分发挥 光伏DG优势，Lasseter B提出了微电网 (MicroGrid，MG)的概念 J，MG是指由DG(含光 伏、风机等DG)、储能装置、负荷和控制装置等组 成的具有自我控制、管理和保护的自治系统，既可 以与配电网并网运行，也可以孤岛离网运行，MG 技术是有效利用光伏DG发电的技术途径。 光伏DG接入配电网时，为尽可能的较多接入， 提出了光伏DG接入总容量与系统总负荷之比，即 渗透率(Capacity Penetration，CP) qJ的技术要求。 在即将完成的IEEE15477和IEEE15478标准中专 门补充IEEE1 5474标准没有考虑光伏DG接入配 电网对渗透率的要求，开展高渗透率光伏DG接入 对电网影响等方面研究【4J。德国采取的做法是：充 分考虑在光伏DG渗透率较高情况下，光伏DG支 撑配电网的可靠性和稳定性，要求光伏DG应具有 一定的有功和无功控制能力，参与电网电压、频率 调节【4；美国采取的做法是：根据不同配电网架构， 其接纳光伏DG渗透率作为判断标准，及时公布合 理渗透率及剩余光伏DG接纳空间【5】；日本采取的 做法是：确保光伏DG接入配电网安全运行情况下， 尽可能提高光伏DG渗透率，并于2004年修订了分 布式发电并网关键技术指南【6J，2011年，日本福 岛核电站危机发生后，日本政府计划到2030年将可 再生能源发电的比例提高到30。 我国对DG接入配电网制定并发布的主要标准 是GBT 293192012光伏发电系统接入配电网技 术规定、 ，即光伏DG总容量大于总负 j=k j=k 荷功率时，则 ；若光伏容量过大，则 会 超过配电网电压偏差所允许的上限值 ，使得逆 变器因电压异常退出运行，从而降低了光伏DG接 入配电网的渗透率。 12光伏DG在MG离网运行时电压分析 图2为光伏DG在MG离网运行等效电路图， EL8是逆变器的开路电压，J是逆变器的输出电 流， Z0是MG主电源电压，由于在低压微电网 中，线路电阻R较大，暂忽略感抗X影响。 图2光伏DG在MG离网运行等效电路图 Fig2 Equivalent circuit diagram of PV island mode including photovoltaic generation 图2可得逆变器输出电流J的表达式为 ：EZ8-UNZO：墨 一旦 (3) 则逆变器的输出复功率 为 S= ， =P+jQ (4) 由式(3)和式(4)可得有功功率P和无功功率Q 的表达式 r r P= (E一 ) (5) r， Q= (-BE) (6) 上【 由式(5)可知，电压E随着尸的增加而升高。 与光伏DG接入配电网原理基本一样，考虑微 电网离网运行存在就地负荷，分析光伏DG电压公 式，暂忽略无功功率的影响，其实际潮流分布如图 3所示。 接入点 图3含光伏DG的离网MG线路图 Fig3 Line load distribution of off-grid MG including photovoltaic generation 图3中，假定光伏逆变器以单位功率因数运 行，只发出有功功率 ，则 = 甜+尸 (7) 因光伏出力、负荷因素引起的接入点电压 变化的关系见表1。 表1光伏出力、负荷引起的接入点电压变化 Table 1 Access point voltage change caused by photovoltaic powerandload 与 关系 变化情况 = 一 = + 若 不变， ，则P1、， 1、 若 不变， 个，则P个， 。个 由表1可知：当epv 甜时，表明光伏发电大于负载消耗，则 净；瑞乍，等 光伏DG接入配电网及微电网的过电压自动调节方法研究 65一 U 、U ，此时接入点电压高于额定电压；亦即在 光伏发电突然增加或负载突然减小引起Pp 时，可能引起过电压。 13 MG并网转离网暂态过电压问题 如图4所示，并网运行MG在非计划孤岛状态 卜的 网转离=i；9瞬问，若光伏DG发电过多，就会 现暂念过 现象。 图4光伏DG接入并网运行MG Fig4 Photovoltaic generation access in gridconnected MG 图4 ll，尸n 为光伏DG出力： 为负荷功 牢； 为MG与电网的交换功率，定义MG向电网 送电为正，IU网向MG送电为负：Pb为蓄电池功at 钲，定义放电为正，充电为负。 5为MG在非计划孤岛下并网转离网的能 流向图。 图5并网运行MG的能量流向图 Fig5 Energy flow chart of gridconnected MG 2 PU下垂调节原理 针对光伏DG接入配电网、MG并转离及MG 离 运行可能造成的过电压问题，光伏逆变器采用 PU下垂调节方法以抑制过电压。 图6表示P-U下垂调节区间及控制折线， 为参考功率限值， 。 为参考功率，Up 为光伏DG 接入点电压，ku为下垂调节系数。 U |、 I35： I N fN l0 N IIU V fb)PU谰1T折线 图6 PU下垂调节控制折线及区间 Fig6 P-U curve and time zone of P-U regulation 图6(a)中，横轴为时间t，纵轴为 。，_羊【l 都为PU下垂调节时间区问；图6(b)中，横轴为 c，。 。，纵轴为 _t区间表示正在进行MPPT跟 踪，区间表示MPPT停止跟踪，区间表示PU 下垂分段调节。 与 i 关系满足式(8)。 i = f U 。 108UN f 108UN11UN 产生r过电压。图9(a)表明无电压调节，U 一直 过电 ；图9(b)图9(d)表明有电压调节，下垂系数 k 分别为005、02、2，调= 时间At分别为036 S、 015 S、002 S。 j 10 幽09 08 O 7 0,6 05 l O 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 2 j l O 萤0,9 O 8 07 06 05 1 0 豳09 删 0,8 O 7 06 0 5 ts (a)无电压调节 f l 1 l ： ：r、 一一一 L二二 。二 f一 ： ： I ： 0 02 0 4 0 6 0 8 l 0 S (c)有电压调节， =o2 tklIl： y 一 0 2 04 0 6 0 8 (d)有电压调节，七u 2 图9接入点电压 与额定电压 波形 Fig9 Voltage wave of c and 6 节 啊 李瑞， )匕伏DG接入 电 及微电 的过电压rI动州节办法ttt：il 仿真结 农ujJ：PU i,-垂调节办法可行有效， 系数k 越人，调节时问越短，即调节速度越快； 符k 过大，系统会发生振荡。 4 试验验证 为进步验 PU卜 调节方法的实用性搭 建光伙逆变器样机试验、 台，直流侧采用PV模拟 ，负荷Loadl Ji 功率消耗，Load2朋于负荷投 切试验，用J 馍拟过电 现象，如I割10所示。 表3试验主要参数 Table 3 Main parameters oftest 项H PV侧最大功率 线路模拟阻抗R 主电源电压 Loadl l oad2 参数值 图10过电压试验平台 Fig1 0 Test platform of over voltage (1)试验I 况1， 合K1、K2，逆变器正常 作段时间 惭歼K2，试验波形见 11。 图1 1并网电流和并网点电压波形 Fig11 Waveforna of gridconnected current and voltage 1 1农 ，负荷Load2切除U=256 V，发 乍了过电 现缘，逆变器进行 垂调节，大约1 S ， =25l v，满足标准要求的 常范围，逆变 器继续并网运行。 (2)试验l 况2，闭介K1、K2，逆变器正常工 作一段It,iIHJ 断开K2，人敛40 S后闭合K2，并网 U流波FOrl 12。 图12并网电流波形 Fig1 2 Waveform of gridconnected CUl rent 图12表明，负荷Load2再次投入后，逆变 进行PU下垂调节，恢复MPPT跟踪，人约25 S 后功率达到最大。 5 小结 (1)分析光伏DG接入配电 及MG离网运 过 电压原理及影响因素，给lI1 PU下垂渊 法； (2)通过MatlabSimulink仿真及实验验 ， 明PU下垂调节方法可靠有效： (3)针对光伏DG接入配电网 呵能引起的过 电压现象，光伏逆变器采用基 Pu F乖的调1 乃 法来抑制过电压，在接入配电网时小会出现过I K 使光伏DG退m运行，提高光伏DG接入配电 的 渗透率。 (4)针对MG离网运行期问lj现的过电压、I卜 汁划孤岛F MG并网转离 瞬间ltl现的暂态过lU 压，Pu F垂悯节方法同样适_Hj， 其町以做剑 依赖MG的能量管理系统来实现稳态I也 的能 、 衡，做到MG无通信互连线的自丰 ：联运行，吱现 真正意义上的MG即插即用。 参考文献 1 撖奥洋，邓星，义明浩，等商渗透 大电阳心埘微 网接入的策略J电力系统n动化，2010，34(1)：78 82 HAN Aoyang，DENG Xing，WEN Minghao，et a1 Stregy of large power system coping with accession of microgrid with high penetrationJAutomation of Electric Power Systems，20 1 0，34(1)：7882 12 J LASSETER BMicrogrids-distributed power generationC】 Proceedings of the Power Engineering Society Winter Meeting：IEEE，200 1 3 绳分 式电源接入 Iu网渗透半技运 lJj、调优化 研究【D】北京I罔也力科学研究院，2014 CHENG ShengResemvh on penetration ratio and coordinated optimization algorithm of distribution power system with distributed generationsDBeOing：China w v w m 68 电力系统保护与控制 Electric Power Research Institute，2014 4 鲍薇，胡学浩，何国庆，等分布式电源并网标准研究 【J】电网技术，2012，36(1 1)：4652 BAO 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