大型分布式电源建模分析与并网特性研究.pdfVIP

第 4 5卷第 1 1 期 2 01 1年 1 1月 电 力 电子 技 术 P o w e r E le ct r o n ics Vo 1 4 5，No 1 1 No v e mb e r 2 0 1 1 大型分布式电源建模分析与并网特性研究 郑海涛 ，杨德 州 ，王利 平 ( 1 甘肃省电力设计院 ， 甘肃兰州7 3 0 0 5 0 ；2 甘肃省电力公司，甘肃兰州7 3 0 0 5 0 ) 摘要： 详细分析了大中型光伏电站并网原理 ， 确立 了光伏逆变器的数学模型和电网分布参数模型， 从而进一步 分析其并网特性。研究了大型光伏发电系统和薄弱电网并列运行的特性 ， 着重分析了大中型光伏电站在薄弱 电网环境下输 出电压、 电流谐波等 电能质量特性。根据采用传统控制算法的三相光伏逆变器仿真结果和实际 运行数据 ， 提出基于空间矢量理论的三相光伏逆变器控制算法， 可有效降低光伏并网输 出电压 、 电流谐波 ， 增 强光伏并网可靠性。理论分析和部分运行结果证明了并网特性的正确性。 关键词： 分布式电源 ；光伏 电站 ；三相逆变器 ；并网特性 中图分类号 ： T N8 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 一 lo o X( 2 0 1 1 ) 1 1 - 0 0 3 4 0 3 M o d e lin g a n d An a ly z in g o f La r g e - s ca le Dis t r ib u t e d P o we r S u p p ly S t u d y o f Gr id co n n e ct e d Ch a r a ct e r is t ic Z HENG Ha i- t a o ，YANG De z h o u ，W ANG L i p in g ( 1 G a n s u E l e ct r i c P o w e r D e s i g n I n s t i t u t e ，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ) A b s t r a ct ： T h i s p a p e r a n a l y z e s t h e p o w e r g ri d co n n e ctio n f o r a la r g e a n d m e d i u m p h o t o v o h a i c ( P V)p la n t ， a n d i t e r e - a t e s a ma t h e ma t ic mo d e l for P V in v e r t e r a n d a p a r a me t e r mo d e l for p o w e r d is t ri b u t io n T h e p a p e r a ls o d o e s s o me r e s e a r ch o n t h e d co n n e ct e d ch a r a ct e r b e t w e e n la r g e P V g e n e r a t io n s y s t e m a n d w e a k g r i d， a n d i t f o cu s e s o n o u t p u t v o l t a g e a n d cu r r e n t h a r mo n ic w h i l e co n n e ct e d De p e n d in g o n t h e s imu la t io n r e s u l t a n d r e a l o p e r a t i n g d a t a o f t h r e e - p h a s e P V i n v e r t e r ， wh ich fou n d e d o n t h e t r a d i t io n al co n t r o l li n g a lg o ri t h m， t h e p a p e r p r o p o s e s a b r a n d n e w wa y Th e me t h o d b a s e d o n t h e s p a ce v e ct o r t h e o r y， a n d i t ca n v al id l y d e cr e a s e t h e P V g r id co n n e ct e d o u t p u t v o h a g e a n d cu r r e n t h a r mo n ic ， a n d imp rov e t h e r e lia b ilit y T h e t h e o r e t ical a n a ly s is a n d p a rt ial o p e r a t io n r e s u lt s p rov e t h e co r r e ct n e s s o f g r id co n n e ct e d f e a t u r e s Ke y wo r d s： d i s t ri b u t e d p o we r s u p p l y；p h o t o v o h a ic p l a n t ；t h r e e - p h a s e in v e r t e r ；g ri d co n n e ct e d ch a r a t e r i s t i c 1 引 言 2 光 伏发 电系统原理 当今 ， 能源和环 境 问题 备受关注 ， 太 阳能 、 风 能等作为一种洁净的可再生能源在许多 国家得到 迅猛发展【 卜 。然而我 国适宜建立大型光伏 电站 的 地 区多为西北偏远地区 这些 区域远离主 网 短路 容量 小 、 电网薄 弱、 承载能力差 ， 因此研 究适用于 我 国西北地 区薄弱 电网环境下三相并 网光伏逆变 器 的控制算法具有迫切的现 实意义 此 处详 细分析了适用于薄弱 电网下三相光伏 逆变器 的控制算法 ，对 电力系统 的安全运行和发 电企业 的经济效益最大化等意义重大 为中国乃 至全世界的节能减排、保护环境等工作将具有深 远 的影响。 定 稿 日期 ：2 0 1 1 0 7 0 4 作者 简介 ： 郑 海涛 ( 1 9 6 9 一) ， 男 ， 浙 江浦 江人 ， 硕 士 ， 高级 工 程师 ， 研 究 方向 为智能化 变 电站 、 新 能源并 网技术 等。 3 4 图 1示 出光伏发 电系统原理 图。该系统主要 包括光伏 电池系统、直交转化系统 、交流并 网系 统 、 控制系统和滤波 系统 5大部分 。 光伏 电池系统 利用光伏 电池 的光生伏打效应将光能转化为直流 电能 ：直流 电能经直交变换 电路转化为并 网交流 电能 ：交流并 网系统主要解决光伏 电站 的并 网问 题 ：控制系统则为光伏 电站提供所需 的控制信号 及保护措施 ：滤波系统包括直流滤波环节和交流 输 出滤波环节 从硬件上减 小 了直流 电压 输入扰 动和交流 电流输 出谐波。 图 1 光伏发 电系统 原理 大型分 布式 电源建模 分析 与并 网特性研 究 3光伏 逆 变器 数学 模型 光伏 逆变器承担着将直流 电能转化 为交流 电 能和 并网的任务 ，即图 1中 的直交转化系统和交 流 并网系统 。光伏系统 并网即逆变器与 电网并联 运行 ， 滤波支路容量相对较小。 线路阻抗主要呈感 性 。逆变器输 出视在功率 为 ： ： P 1+ jQ l = 华 i n 8 + j f TE ,E co s6 - E 2 ) ( 1 ) 式中： X为逆变器输出阻抗； 6为逆变器输出电压矢量 E。 与 电网电压矢量 E之间的夹角 ； 。 为输出电压幅值。 逆变器输 出有功和无功功率为 ： P ： 华 si n 6 ， Q ： TE ,E c o s6 - E 2 ( 2 ) A A 则 P受 6的影 响 ， Q决定于 。因此 ， 逆变 器 输 出电压 的相位 、幅值 与 P和 Q近 似线性耦 合。 逆变器输 出电压幅值可直接控制 。而相位 可通 过 调节输出频率来实现 ； 通过调节 即可达到调节 Q的 目的， 通过调节频 率可 以达 到调节 P 的 目的。 从直流侧来看 光 伏 电池阵列工作 点处 的 电 压决定其输 出电流 ， 即决 定了逆变器输 入功率 ； 从 交流侧 来看 电网可视 为恒压 电源 并 网功率可 由 并网 电流的大小来体现 。 4光伏 逆变 器 并 网特性 光伏发 电利用 电子矩阵 电路将两相直流 电能 转化 为交流 电能 ， 其过程可表示为 ： l i l I co s O s i n O 1 l J i d l = 吾 l c o s ( 12 o o ) - si n ( 2 0 。 ) 1 l (3 ) L i 。_ J co s ( O + 1 2 o 。 )一 s i n ( O + 1 2 0 。 ) 1 A L i 0 J 三相 逆变 器输 出相 电压 矢量 U C 与开 关状态矢量 a b c1 的关系为 ： I A l I 2 1 1 l l 0 I l “ e l 2 (4 ) L u cJ L 一 1 一 l 2 J L c J 式中： 为直流母线电压 ， 或称总线 电压。 由式 ( 3 ) ， ( 4 ) 可见 ， 光 伏逆 变 并 网为 电流 源 并 网， 光伏逆变器输 出电压主要受系统 电压 、 直流 母线 电压和功率开关管开关状态共 同决定 。 光伏逆变器输 出谐波 电流经其 出 口侧 滤波 电 感滤除后含量较小 ，主要受直流侧母 线功率波动 和 并网无功功率决定。 为减 小输 出谐波 ， 需适 当增 大滤波 电感容量 ， 提 高开关频 率。 事实上考虑到转 化效 率 ， 开关频率 需适 当降低 ， 滤波 电感又不能太 大 ， 然 而开 关频率太 低 ， 输 出 电流谐 波会很大 ， 噪 声污染严重 ， 因此 ， 光伏逆变器开关频率和 滤波 电 感 的容量 需协调配合 。 光伏逆变器输 出谐波 电压主要受系统 电压和 直流母线电压波动 的影响 ， 因此对于理想系统 光 伏逆变器并 网谐波 电压影响较 小。 5 系统特 性对 光伏 并 网的影 响 图 2为电网等效模型。光伏并网是经过光伏 逆 变器 将直 流 电能转 化 为交 流 电能后 再经 各级 变 压器 、 输 电线 路并入无穷大 电网。电 网环境越 薄弱 ， 光伏并 网特 性越差 ， 即等效于电网分布参数 改变 了光伏逆变器出 口侧滤波 电感、 电容数值。 可 见 ， 输 电线路、 变压器等 电力系统分布参数对光伏 逆变器并网影响巨大 。因此有必要研 究适用于薄 弱 电网环境下的三相光伏逆变器控 制算法 。 另外 ， 该方法 同样适用 于其他分布式逆变 并网电源。 箱 变 、升 压 变 输 电 线 路 鬻、 藤葛霜 图 2 电网等效模型 6 空间矢量 理论 空 问矢 量 P WM 是实现三 相功率 6个功率 开 关管控制 的一种方法 。此方法能够保证三相逆变 电流中产 生较少谐波。 与 正弦调制相 比 ， 能够提高 电源 利用 率。 图 3为一个典型 的电压型 P WM逆变器 。 利用 此逆变器 功率开关管 的开关状态 、顺序组合及 开 关时间的调整 。以保证 电压空 间矢量 圆形运动轨 迹为 目标 就可产生谐波较少且直流 电压利用率 较高 的输 出。图 3中 ， V T V T 6 为 6个 功 率开 关 管 ， 0 ， b ， c 分别代表 3个桥臂 的开关状态。规定如 下 ： 当上桥 臂开关 管“ 开” 状态 时 ( 此时下 桥臂 为 “ 关” 状态 ) ， 开关 状态 为 1 ； 当下桥 臂开关管 “ 开” 状态时( 此时上桥臂为“ 关 ” 状态 ) ， 开关状 态为 0 。 3 个桥臂仅有 “ 1 ” 。 “ 0 ” 两种状态 ， 因此 0 ， b ， c 形成 0 0 0 ， 0 0 1 ， 0 1 0 。 O 1 1 ， 1 0 0 ， 1 0 1 ， 1 1 0 ， 1 1 1共 8种 开 关 模式。其 中 0 0 0 ， 1 1 1 开关模式使逆变器输 出电压 为零 所 以称这两种开关状态为零状态 。 图 3 三相电压型逆变电路 可推 导 出 。三 相逆 变 器输 出 的线 电压矢 量 3 5 第 4 5卷第 1 1 期 2 01 1年 1 1月 电 力 电子技 术 P o w e r E le ct r o n ics Vo 1 4 5，No 1 1 No v e mb e r 2 0 1 l 【 M A B B c cA 】 T 与【 n b c】 T 的关系为： u s c=U三 1 -1 三 相 光 伏 逆 变 器 并 网 输 出 谐 波 含 量 可 成 倍 地 降 低 ，电 网 扰 动 时 光 伏 逆 变 器 更 加 稳 定 。 (5) 9 工 程 应 用 实 例 及 实 测 数 据 分 析 7空间矢量逆变器控制算法 图 4为基于空 间矢量理论 的三相光伏逆变 器 控制算法 ，如第 4节分析 。光伏逆变为 电流源并 网 因此采样取 得三相交流 电流 后 经过 3 2 P a r k 变换转化 为 d ， q ( 直 、 交轴 ) 分量 ， 同时引入直流 电 压 闭环控制环节 ：再经过 2 3 P a r k逆变换转化为 三相交流 电后 。 引入交流 电流 闭环控制环节 ， 即得 到三相光伏逆变器的控制信号。 相比于三角载波、 滞环 比较等控制算法， 基于 空间矢量理论的三相光伏逆 变器控制算法 可减小 开关频率 、 提 高直流母线 电压利用率 、 减小谐波输 出含量 ， 即增加 了光伏转化效率 ； 同时 由于采用对 称的三相控制算法， 可降低三相不平衡度， 减小系 统对光伏逆变器的影响。 8 仿 真分 析 以某型 5 0 0 k V A光伏逆变器为例 。 图 5 a为薄 弱 电网环 境下传 统 的三 角载 波三 相 光伏 逆 变器 并 网 电流 、 电压波形 ( 开关频率 1 0 k Hz 、 滤 波 电感 O 0 4 mH) ， 图 5 b为空间矢量三相光伏逆变器并网电 流 、 电压波形( 开关频率 3 k Hz 、 滤波电感 0 2 mH) 。 萋 圈萋 叠 茎 应 匦 一 ( ： 鬲 一 图 5 仿真 波形 同样薄弱 电网环境下，采用传统算法和空间矢 量算法并网点三相谐波 电流总含量分别 为 5 3 6 5 2 1 ， 5 4 9 和 4 7 7 ， 5 3 8 ， 5 3 7 ， 并 网点三相 谐波电压的总含量分别为 1 1 8 1 2 2 1 2 0 9 和 2 0 4 ， 1 9 6 ， 0 8 3 。 由图可见 ， 采用 空间矢 量控制算法后 。三相光伏逆变 器可有效降低开关 频率 ， 从而降低 开关损耗 ； 同时可 以大幅减小 电网 分布参数对光伏逆变器 的影响 薄弱 电网环境下 随着甘肃酒泉国投及中广核敦煌 2 0 M Wp光 伏发 电特 许权 示范项 目成功并 网后 ， 甘肃金 昌、 武 威 、白银等 2 0 MWp光伏 发 电特 许权项 目也逐步 投入建设 在此背景下决定先期在甘 肃河西各地 区建设多个 1 0 MWp光伏发电项 目，以检验光伏发 电的各种特性。该工程 以河西武威某两个 1 0 MWp 光伏 电站为例 两个光伏 电站打捆 以一回 3 5 k V 线路接入某 公网 1 1 0 k V变 。线路长度 1 2 k m， 导 线型号 L G J 一 2 4 0 ： 该公 网变距最 近 3 3 0 k V枢 纽变 超过 3 0 k m。导线 型号 L G J 一 1 5 0 ，短路容量小、 电 网薄弱。 经过详细论证和各 级评审 ， 其中一家发 电 企业采用的光伏逆变器采用这里提及 的空问矢量 控制算法后各项响应指标均满足要求 ：另一家企 业采用的三 角载波控制算法光伏逆变器 多项指标 均不满足要求 需装设更 为昂贵的动态 无功补偿 设备等 以增强光伏 电站整体响应性能 。对于存在 的各种并 网风险需 由业主 自行承担 ； 目前 两个光 伏电站的前期建设及调试工作已经完成，将于近 期开始并 网发 电。 图 6为两家采用不 同光伏逆变器 的光伏 电站 响应特性 。 由图可见 ， 根据甘 肃薄弱 电网特性改进 的采用空间矢量双闭环控制算法的光伏逆变器对 系统电压有更好的跟踪特性，电网异常情况下可 不减小其有功 出力 ， 无功出力增 幅更小 ， 从而增强 了弱 电网环境下 的响应特性 低 电压耐受 能力更 强 ， 脱 网概率可大幅降低 。 巨车箱 o 4 1 寸 。 o E 三 = = 二 辜 = 一 0 92 十 t s ， s ( a ) 传 统三 角载 波控 制算 法 ( b ) 空 间矢 量控 制算 法 图6 不 同控制算法下的光伏逆变器响应特性 实测 了某 光伏 电站 2 4 h出力 曲线 。可知 ， 晴 朗天气 状况 下光 伏 电站 出力接 近 理想 的正 弦半 波 。 图 7为该光伏 电站逆变器侧实测 电流波形 ， 可 见，采用适合薄弱电网环境控制算法的光伏逆变 器在西部较为薄弱 的电网环境下输 出电流波形接 近理想 的正弦波 。实测三相 电流谐波含量分别为 0 9 3 2 ， 0 9 6 ， 0 9 2 2 。在 阻抗大 、 短路容量 小、 分布式电源承载 能力差 的电网环境 ( 下转第1 2 3页) I G B T并联动 态不 均流 温度特 性研 究 热器 ( 类型相同， 散热剂流量、 温度相同) 3 ， 缓解 由于温度差造成的不均流影响。 由于 I G B T动态不 均流 受温度 影 响存在 正反 馈 ， 电流 不均会 增加模块 之 间温度 差 ， 因此 ， 除减 小模块之 间的温度 差外 ， 还要考虑其他 影 响 I G B T 并联 动 态 不 均流 的 因素 。文 献 【 4 5 】 表 明 ， 影 响 I G B T开关时间的主要 因素除温度外还有栅极驱 动信号、 外部电路的布局、 并联模块本身特性。可 采用 以下措施缓解 I G B T并联动态不均流： 尽量 选取 内部特性一致的器件进行并联。最好是同一 型号、 同一批次的产品； 选用相同的驱动电路 ， 尽 可 能 降低 驱动 电路 的输 出阻抗 和 回路 寄 生 电 感 ：设计和安装时尽可能使电路布局对称和引 线最短， 以减小寄生参数的影响； 若工作环境恶 劣 ， 为保证器件安全 ， 应当降额使用。 6 结 论 I G B T总的不均流包括 由器件本身不一致造 成 的不均流 。以及 由主 回路参数 和驱动 电路参数 不一致造成 的不均流 。其 中器件 本身引起 的不均 流与温度相关 故总 的不均流也表现 为与温度相 关。现有研 究表 明， I G B T静态不均流 受温度影响 。 存在正反馈和负反馈两种情况 I G B T动态不均流 也会 受温度影响形成 正反馈 。 由于动态不均流和 静态 不均流表现 为不 同的温度特性 因此总 的温 度特性将 由起主要作用 的因素 决定 。表现为正反 馈或 负反馈 ， 反馈的大小 由器件特性决定。 参考文献 1 】 乔尔敏， 许海平， 温旭辉 基于 I G B T并联技术的大功 率 P E B B模块研制 J 电力电子技术， 2 0 0 6 ， 3 1 ( 3 ) ： 1 2 0 1 2 2 2 T a n g Y o n g ， C h e n Mi n g ， Wa n g B o N e w M e t h o d s f o r E x t r a ct i n g F i e ld - s t o p I GB T Mo d e l P a r a me t e r s b y E l e ct ri ca l Me a s u r e m e n t s A I E E E I n t e r n a t io n al S y m p o s iu m O n I n - d u s t r i al E l e ct r o n i cs C K o r e a ， 2 0 0 9 ： 1 5 4 6 - 1 5 5 1 3 】 赵正元， 谢吉华 I G B T并联特性的研究与仿真【 J 】 电气 应用 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 2 0 ) ： 6 4 6 7 4 】 赵宏涛 ， 吴峻， 常文森 门极 电压控制 I G B T并联时 静态均流可行性研究 J 电力电子技术， 2 0 0 7 ， 3 2 ( 9 ) ： 1 011 03 【 5 孙强， 王雪茹， 曹跃龙 大功率 I G B T模块并联均流 问题研究 J 】 电力电子技术， 2 0 0 4， 2 9 ( 1 ) ： 4 - 6 ( 上接第3 6页)下 ，通过采用