（电力电子与电力传动专业论文）安多100kwp独立运行光伏发电系统暂态稳定性分析.pdf

a b s t r a c t b e c a u s eo f t h ep r o b l e m si nt h ew o r k i n gs t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i cp o w e r s y s t e m s ， t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r so ft h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gm o d eo ft h i sk i n do f p o w e rs y s t e ma n dj u d g e dw h i c hk i n d so f t h e s ep r o b l e m sb e l o n gt o c h o o s i n gt h e 1 0 0 k w ps t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e mw h i c hw a sb u i l ta ts i t s a n ga n d u o c o u n t ya st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n du s i n g t h em e t h o d sw h i c ha r eu s e di na n a l y z i n gt h e n o r m a lp o w e rs y s t e m ，w ed e t e r m i n e dt h a tt h ep r o b l e m sw h i c hh a p p e n e dw h e nt h e l o a dw a sl a u n c h e di n t ot h es y s t e mc o u l db ec l a s s i f i e d a st h et r a n s i e n t s t a b i l i t y p r o b l e mo fp o w e rs y s t e m a f t e rm o r er e s e a r c h ，w ef o u n dt h e m a i nr e a s o no ft h i s p r o b l e m i st h eu n b a l a n c eo f r e a c t i v ep o w e ri nt h i sk i n do f p o w e rs y s t e m a n a l y z i n g t h ep r o b l e ma n dt h ec h a r a c t e r so ft h es t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i cp o w e r s y s t e m ，w ec a n c h o s et h em u n e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di nt i m e d o m a i nt oa n a l y z et h e t r a n s i e n ts t a b i l i t yo ft h ep h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m a n dw ec h o s et h ep o w e rs y s t e m t o o l - b o xo ft h em a t l a bs i m u l i n ka so u rs i m u l a t i o nt o o l st or e a l i z et h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no f t h es t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m h e r ew eu s et h e c o n c e p to f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rw h e nw es i m u l a t et h es y s t e m ，w ec a nu s e t h e mt oa n a l y z eh o w t h e ya f f e c tt h ep o w e rs y s t e m s s t a b i l i t y t ov a l i d a t et h ea n a l y s i s ，r e f e r r i n gt h er e a lp h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m ，w em a d ea s i m p l ee x p e r i m e n ts y s t e mw h i c hi n c l u d e da ni n v e r t e r f r o mt h er e s u l t so f s i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t s ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h eu n b a l a n c eo f r e a c t i v ep o w e ri st h em a i n r e a s o nw h i c hi l a k e t h es t a n d - a l o n e p h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m s u f f e rt r a n s i e n t s t a b i l i t yp r o b l e mw h i c hb e h a v e da s t h ev o l t a g ew a v i n g s oa d d i n gs o m ek i n do f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t si sag o o ds o l u t i o nt ot h ew o r k i n gs y s t e m s a n di nt h ef u t u r ed e s i g no ft h es t a n d - a l o n ep h o t o v o r a i cp o w e rs y s t e m ，o nt h eb a s e d o fa n a l ) 7 z i n gt h er e a c t i v ep o w e r , w ec a r l d e a lw i t ht h i s p r o b l e mb yr e a s o n a b l y a r r a n g i n g t h el o a da n di ns o m es i t u a t i o na d d i n gs o m ek i n do fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t s i nt h i sw a y , w e c a na r i s et h es t a b i l i t yo ft h i sk i n do fp o w e r s y s t e m a n dm a k et h e mw o r kb e t t e r k e y w o r d s ：s t a n d - a l o n ep h o t o v o l t a i ep o w e rs y s t e m ；t r a n s i e n ts t a b i l i t y ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o di nt i m e d o m a i n ；i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r ；r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n 中目科掌院电】琦究两颚士掌位孛龟文安多1 0 0 k w p 独立运行光伏发电系统暂态穗定性分析 第一章概述 一课题背景 随着常规的能源的日益消耗及其对环境的危害等因素的加剧，使人们迫切的 需要找到替代的能源。广泛利用清洁的可再生能源，不但可以缓解因为传统不可 再生能源的日益枯竭所带来的对能源需求的压力，而且还可以根本解决能源消费 过程中产生的对环境的危害，实现人类社会的可持续发展。可以说，对可再生的 新能源技术的研究和利用，是未来人类能源技术的重要发展方向。 在可再生新能源的应用研究中，太阳能光伏发电技术是较早发展起来的，并 应用比较广泛相对成熟的一种新能源利用形式。近年来，国际上太阳能光伏发电 技术在许多方面取得了突破性的发展。太阳能电池的性能和可靠性有了很大的提 高，成本售价不断下降，有经济效益的应用范围不断扩大。而我国太阳能资源十 分丰富，具有利用太阳能的良好条件。在我国如西藏等偏远地区，由于建立联网 的电力系统受成本和建设维护困难等条件的约束，长期以来无法实现对这些地区 的电能的供应，严重制约了这些地区的发展。另一方面，这些地区，又是我国太 阳能分布最丰富的地区。因此，在这些地区，建立独立运行的太阳能光伏发电系 统，是解决这些地区电能供应的十分适合的并切实可行的手段。而且，实际上在 这些地区已经建立起多个该类型的独立运行的光伏发电系统( 如图1 - 1 所示) ，它 们在解决这些地区发展所需的电能的供应问题中，发挥了重要的作用。 但是，在这些独立运行的光伏发电系统的设计和建设过程中，因为系统相对 比较简单，因此只对系统有功功率的容量与负载估计等因素作了相关的讨论，而 没有对该类系统的稳定性问题，尤其是暂态稳定性问题考虑进行深入的分析和研 究。但随着这类系统的容量进一步加大。结构不断的完善和复杂性的提高，尤其 是电力变压器和输配电系统的加入( 如图1 2 所示) 。导致在实际系统的运行过 程中，不确定负荷条件下，尤其是系统中出现满载投切操作时，系统的暂态稳定 性的问题就突出的表现出来，严重时造成系统操作失败。这些现象的出现，影响 了系统的正常运行，制约了独立运行光伏发电系统的进一步普及应用。 本文以安多1 0 0 k w p 独立运行光伏发电系统为具体的研究对象，该系统因为 客观的原因造成系统存在限时供电的运行方式，而这种运行方式导致安定系统存 在频繁的带负荷的投切操作。在这种操作的过程中，系统的电压存在波动的现象， 中国科掌院电工研究所硕士掌位论文女，l o o k w p 独立运行光伏发电囊航暂态稳定性分析 图1 - l 简单独立运行光伏发电系统结构图 图1 - 2 带升降压环节的独立运行光伏发电系统结构图 中嘲嗣掌瑚：电工研冀啪 硕士掌位论文 安劳1 0 0 k w p 独立强行光伏裴电_ 泶统暂怒糙定性分析 严震时导致系统操作失败。这种问题的存农影响系统的正常运行，因此有必要对 该类系统存在豹瓣蘧送行遂一步懿分辑。瑟对安多蓉绞这秘特豫运行方式下导致 的稳定性问题的分析，对于以后针对该类独立运行的光伏发电系统在一般运行方 式下的稳怒往润蘧瓣分褫稳其有撩每意义。 针对该类系统的特点，结合已建成的系统的实际情况，采用合理的分析方法， 分祈系统缀成，搭建系统分析模型，良诧为基础分析独立运行光茯发电系统的鬻 态过程。分橱在不阍的负载条件下，该类系统的有功功率和无功功率的流动和分 布情况，以及系统各组成部分不同节点处的电压电流等参数的情况，给出系统投 秘过程孛瓣营态过程豹鞍撵缨分辑。并菝攒分辑缮列驹结袋，结合鬻翘的掇窟电 力系统暂杰稳定性的方法，和该类系统的实际特点，给出解决这类系统存程的问 藤戆方法，驮瑟稳篱系统稳警态稳定性。 二、国内外研究现状 嚣为鬻援豹独立电力系统具鸯系统结枣鼋相对麓单的特点，镀对它鹣稳定性阉 题的讨论，经常被忽视。但是近年来，随鬻这种独立电力系统，出现的稳定性问 憨静壤蠹瑟，霞乡 瘦掰传统戆邀力系统誓态稳定往分辑方法，钟对数立电力系统熬 稳定性问题的特点，还是做了很多的研究工作。 军在7 0 年代，随着计算梳技术应霜稻普及，就毒璃了针对独立电力系统蠡 单发电机一负荷系统的稳定性数值计算的研究工作。厝来，随簧如e m t p 、 p s p i c e 、s a b e r 等仿真软件的出现，并皮用于该炭电力系统的分析，针对独立 电力系绞诗算摸溅、系统仿真分橱等方葱的研究工作被开展起来。其中有代表性 的有：英国阿伯丁大学的蕾：s s i m t h 和重庆大学l r e n 合作应用小信号模溅并结 合s a b e r 仿奏软释赞辩鼯遂变嚣熬独立毫力系绞熬毫毯穗定蛙戆疆究；r i f f a t ， r a s h e e k m 的应用e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i et r a n s i e n t sp r o g r a m ) 的独立工业电力系 统的暂态稳定谴盼研究。 国内在这一领域也逃行过类似的研究工作，如：武汉交通科技大学的何志渔、 王霞所作的小型独立电力系统仿嶷技术研究。以及，知船舶电力系统的动态仿真 簿方瑟研究工作。 上面的研究工作，对独立电力系统暂态稳定。陡问题的分析，做了很多有益的 中嗣科掌隗电工研尊埘十硕士掌位论文 寄多l o o k w p 独立运行。光伏裳电瓶统暂患糙定性分析 尝试，得到了很多值得借鉴的结聚。但是同这里要讨论的问题相比，还有许多不 同之处。蓠先，蓠稀提到静磅究工侔，主簧是针对淤发毫穰为电源懿系统，来列 有限直流源加逆变器的电力系统的情况讨论，而这里的光伏系统就是这种情况。 其次，过去的独立系统中一般不龟括输配魄系统，对变压糕的讨论也较少。而这 些是影响独立系统暂态稳定性的爨要因索。 另一方面，在对太阳能光伏发电系统的研究上，尤其怒太阳能光伏系统的稳 窥蛙磺究王母# 方嚣，因为潮乡 该类系统主簧均发震趋势是劳网运行，在联嬲运季亍 及其对常媲电网的稳定性影响方丽做了大懿的研究工作，但讨论这种独立逡行的 先铰发毫系统夔文章缀少。 三、谋题方案的选取 琰骞豹电力系统甏态稳定性分辑( t r a n s i e n ts t a b i l i t ya s s e s s m e n t ) 的方法可 以分为两大类，一类是传统的方法即时域( t i m e d o m a i n ) 分析的方法，这种方法是 窀分饔将魄力系绫各缝藏帮分模型化兹蒸疆土，联立毫力系统懿状态方程，应用 数值计算的方法，在时域范围内计算系统备节点备状态量如电压u 、电流i 、有 功功率p 和无功功率q 随时闻交往静情凝，并校据褥到静这些狄态量结合一定 判据，判龋电力系统的稳定性。时域法是最早出现的t s a 的实用方法，并在实 际中被广泛采用，具有适用范围广，精度商等优点，但计算量大耗时较长，适合 予离线分辑鄂系统设计，键不适翅予系统鲍在线分辑。另类是j # 传统豹分辑方 法，主要有直接法( d i r e c tm e t h o d s ) 和自主学习法( a u t o m a t i cl e a r n i n gm e t h o d s ) 。 纛接法是疲瘸l y a p u n o v 荚专二稳定经懿理谂，嚣绕系统挠动嚣豹稳态运行点壹接 计算出系统的稳定域，通过计算临界清除时间，作为暂态稳定判据，判断系统的 稳定往。鲁主掌麓法是廒翔入工裤经隧终逢论，建立系统模鍪，邋过蠡主学露， 建立系统稳定的判据，从而判断系统稳感性。总体而言，这类方法都是从减少计 算量为出发点，以减少分析的时阊。因此，适用于在线的电力系统暂态稳定性分 掇，但在适翔范潮彝精确性等方甄还有不完善的地方。 区别于传统的电力系统的分析，这里讨论的怒容量有限的独立的电力系统的 稳定缝翊题，嚣曼又是太强戆光锬发逮系统，囊墩这类系统鹣分掇方法毒是己斡 特点。其中，最突出的就是，在传统的电力系统稳定性分析中，都是从一个无穷 4 ! 粤料多院电工研究所硕士掌位论文安争l o o k w p 独立运行光伏裳电幕航暂态稳定性分析 第二章独立运行光伏发电系统的稳定性问题 第一节光伏系统介绍和独立光伏系统 一、太阳能光伏发电技术 太阳能发电是指无需通过热过程直接将太阳能转变成电能的发电方式。它包 括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电 池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电 方式，是当今太阳发电的主流。现在，人们通常所说太阳光发电就是指太阳能光 伏发电。 1 太阳能发电系统的构成 由于太阳能光伏发电系统，是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将 太阳能直接转换成电能的，也叫做太阳能电池发电系统。光伏发电系统主要由以 下几个基本的部分构成：光伏组件阵列、控制器、蓄电池组、直流一交流逆变器 等部分组成。 光伏组件阵列 太阳能电池单体是光电转换的最小单元，它的工作电压为0 4 5 - - 0 5 0 v ，工作 电流为2 0 2 5 m a e m 2 ，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串 联、并联并封装后，就成为光伏电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦， 是可以单独作为电源使用的最小单元。光伏组件再经过串联、并联并装在支架上， 就构成光伏组件阵列。 常见的太阳能电池主要是硅太阳能电池，目前世界上有三种已经商品化的太 阳能电池，即单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。 防反充二极管 防反充二极管又称阻塞二极管，其作用是避免由于光伏组件阵列在阴雨天和 夜晚不发电时或出现短路故障时，蓄电池组向光伏组件阵列放电。防反充二极管 串联在太阳能电池方阵电路中，起单向导通的作用。它必须能承受足够大的电流， 而且正向电压降要小，反向饱和电流要小。一般可以选用合适的整流二极管作为 防反充二极管。 蓄电池组 蓄电池的作用是储存光伏组件阵列受光照时所发出的电能，并随时向负载供 中回科掌院电工研究所硕士掌位论文 z 2 - ：萤- 1 0 0 k w p 独立运行光伏发电系统暂态稳定性分析 电。光伏发电系统对所用蓄电池组的基本要求是：自放电率低，使用循环寿命长， 深放电能力强，充电效率高，可以少维护或免维护，工作温度范围宽，价格低廉。 目前与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池。 充放电控制器 充放电控制器是能防止蓄电池组过充电和过放电的设备，一般还具有简单的 测量功能。蓄电池经过过充电或过放电后会严重影响其性能和寿命，所以充放电 控制器一般是不可缺少的。充放电控制器，按照其开关器件在电路中的位置，可 分为串联控制型和分流控制型；按照其控制方式，可分为开关控制( 含单路和多 路开关控制) 型和脉宽调制( p w m ) 控制( 含最大功率跟踪控制) 型。开关器 件，可以是继电器，也可以是m o s 晶体管。但脉宽调制( p w m ) 控制器，只能 用m o s 晶体管作为开关器件。 逆变器 逆变器是将直流电变换成交流电的一种设备。由于太阳能电池和蓄电池发出 的是直流电，当应用于交流负载时，逆变器是不可缺少的。逆交器按运行方式， 可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的光伏发电 系统，可为独立负载供电；并网逆变器用于并网运行的光伏发电系统，将发出的 电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆 变器的电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不 高的系统；正弦波逆变器的成本高，适用于各种负载情况。 测量设备 对于小型光伏发电系统来说，般情况下只需要进行简单的测量，如测量蓄 电池电压和充、放电电流，这时测量所用的电压表和电流表一般就装在控制器上。 对于大型工业电源系统和大型太阳能光伏电站，则往往要求对更多的参数进行测 量，如测量太阳辐射能，环境温度，充、放电电量等，有时甚至要求具有远程数 据传输、数据打印和遥控功能。 2 太阳能光伏发电系统的分类 光伏发电系统，一般分为独立运行系统和并网运行两大类，如图2 - 1 所示。 独立运行系统如图2 - 1 ( a ) 所示，它由光伏组件阵列、储能装置、直流一交流逆变 中豳科学院电工研辩所硕士掌位论文繇劳1 0 0 k w p 独立运柠光伏裳电幕航暂急稳定性擀析 装置、控制装置与连接城置等组成。并网运行系统如图2 - l ( b ) 所示。 剧l u j 控制装置f 砖 il j 光伏组件阵i ；刭广 l i 直流交流l 一谴糟牯罾l 毙扶维终蓐| 纛 1 爱菱囊釜r 1 适袋装置 f 列广流 i 一。，。j l l i 输 电 | 系 习医习 统 |l l 光伏组件阵l 一 翻 l 滕 ( b ) 闰2 - 1 光伏发电系统 ( 氇 菝立炎茯系统( 坊著鼹运行蠢恢袭统 所谓独立运行光伏发电系统，是指与常规电力系统不发生任何联接的闭合系 统。它遴常用做使携式设备的电源，向远离现有电网的镳区或设餐供电，淤及舔 于任何不与电网发生联系的供电场合。独立运行光伏系统，按其用途和设备场所 环境的不同分类。图2 - 2 给出独立运行的光伏发电系统的构成分类。 中囡科学院电工研究所硕士掌位论文 安多l o o k , , v g 毒虫立运行光伏裳电系统蕾态稳定性分析 图2 - 2 独立运行光伏发电系统分类 1 ) 带有专用负载的光伏发电系统 带有专用负荷的光伏发电系统可能是仅仅按照其负载的要求来构成和设计 的。因此，输出功率为直流，或者为任意频率的交流。 2 ) 带一般负载的光伏发电系统 带一般负载的光伏发电系统是以某个范围内不特定的负载作为对象的供电 系统。作为负载，通常是电器产品，以工频运行比较方便。如果是直流负载，可 以省掉逆变器。当然，实际的情况可能是交流、直流负载并存的情况。一般要配 有蓄电池储能装置，以便把太阳能电池板白天发的电储存在蓄电池中，供夜间或 阴雨天使用。一般负载可用光伏发电系统，还可以分为就地负载系统和分散负载 系统。前者作为边远地区的家庭或某些设备的电源，是一种在使用场地就地发电 和用电的系统。而后者则需要设置小规模的配电线路，以便为光伏电站所在地以 外的负载供电。 并网运行光伏发电系统实质上与其它类型的发电站一样，可为整个电力系统 9 ! 里竺乡院电工孽究所硕士学位论文鲁多i o o k w p 独立运行光伏戋电系航暂志稳定性分析 提供电能。即通过并网逆变器，将光伏发电系统发出的电能，转换成工频电，送 入整个电力系统使用。 3 光伏发电系统的特点 光伏发电系统区别于其他传统发电系统，具有其自身的特点。 1 ) 能量密度低。总量丰富，但分布分散，造成能量密度小。太阳能虽然总辐射 量非常大，而且分布具备普遍性，但其分布也具有分散性的特点。即使在晴 朗白昼的正午，在垂直于太阳光方向的l m 2 地面面积上能接受的太阳能，平 均只有1 2 k w 左右。 2 ) 受所在地纬度、高度影响。 3 ) 系统的效率同规模关联不大，系统可大可小。既可以建设小容量系统如户用 系统，作为分布系统使用，容量小使用灵活，不受地域等限制。也可以建设 集中的太阳能光伏电站。 4 ) 集中供电光伏电站，占地面积大，存在站内接线损耗。 5 ) 太阳能作为能源，具有随机性和间歇性等不稳定的特点，受气候、季节等影 响较大，而且存在昼夜交替的变化。太阳能光伏发电系统为了提供稳定的电 能供应，一般需要储能装置如蓄电池组。 6 ) 为了保证系统的稳定运行，在光伏系统中还要求安装如柴油发电机等作为备 用系统，以保证电能供应的安全稳定。 7 ) 光伏系统在系统的内部都包括有直流系统部分。 8 ) 在不考虑备用系统的前提下，光伏发电系统的主要部分，不存在机械旋转部 件。 二、独立运行光伏发电系统 从前砸的介绍可以看到，光伏发电系统主要分为独立运行的光伏发电系统和 并网运行的光伏发电系统。作为光伏发电技术的一个重要应用，在边远地区缺少 电能供应，没有常规电网或建设有困难的地区建立集中的光伏电站，被人们作为 解决这些地区供电问题的重要手段。独立光伏发电系统与为供电用的输配电系统 以及负载共同构成一个完整独立的光伏系统。这种系统不与大的电网相联，独立 运行，具有其自身的结构和运行方式。为了区别于其它类型的独立运行的光伏系 1 0 ! ! 里科璺院电工研究所硕士掌位论文安多i o o k w p 独立运行光伏置电系统暂志稳定性分析 统如户用光伏系统，本文仍沿用独立运行的光伏发电系统的说法。 1 独立运行光伏发电系统的基本结构 作为一个相对完整的独立的电力系统，独立运行的光伏发电系统同样具备发 电、输配电、和用电负载三个部分。而作为光伏发电系统，它的各部分又有其区 别于常规电力系统的构成。下面将简单介绍一下独立运行光伏发电系统的各部分 的组成。 a ) 发电系统 独立运行光伏发电系统的发电部分，就是一个独立的光伏发电系统。这一部 分在前面的章节已经有简单的介绍。下面着重介绍一下，应用在这种独立运行光 伏发电系统中的光伏发电系统的结构。在独立运行光伏发电系统中，因为系统的 容量相对较大，所以采用集中的光伏电站作为系统的发电设备，采用集中供电的 方案。这种光伏电站，主要由以下几部分构成。 光伏组件阵列 作为光伏电站用的光伏组件阵列，是由功率较小的光伏组件通过串并联构成 的。在设计过程中，按照系统的要求和容量及技术条件，计算光伏组件的串联、 并联数。 储能蓄电池组 蓄电池组是光伏电站中的储能装置，它的作用是将光伏阵列从太阳辐射能转 换来的直流电能转换成化学能存储起来，以备使用。光伏电站中与光伏组件阵列 配套使用的蓄电池组通常在半浮充电状态下长期工作，它的电能量比用电负荷所 需的电能量要大，因此多数时间工作在浅放电状态。必要时，在光伏组件阵列对 其充电不足时，由备用电源如柴油发电机组为蓄电池补充充电，保持其浅放电工 作状态。固定式的铅酸蓄电池性能优良、质量稳定、容量较大、价格较低，是当 前主要采用的光伏电站用储能设备。 逆变器 独立运行光伏发电系统中的光伏电站，为了向独立系统中的分布负载供电， 考虑到直接以直流形式供电的局限性，尤其系统中如果存在升降压的配电系统的 要求，必须将光伏组件阵列或蓄电池组输出的直流电转换成交流电。这就需要光 伏电站中装备将直流电变换成交流的逆变器。同时为了保证供电的质量，逆变器 中豳料掌院电工研究所唧壮掌位论文 安多1 0 0 k w p 独立运行光伏裳电骶统暂态剩l 定性分析 还要求具有输出稳服稳频交流电的功能。应用在独立运行光伏发电系统中的逆变 爨，一般兔三耪辕爨豹歪弦泼遂交器。 控制监测装置和备用电源 为了最大限度舞蠡和甭蓄电淹静懿能帮便群寿命，必须对崧静充、放电条件船 以规定和控制。因此，光伏发电系统的充、放电控制器是必不可少的。而作为光 伏嗽站，对熬个发电系统需鬻一个稔测和保护装置。为了保证供电质量，尤箕是 当搬饫组傍终列发魄不足对为了保妒蓄电池组，以及在蓄电潋组电爨不足时保证 正常供电，系统需要个备用电源柴油发电机缀。备用电源的投切，也要有 藕疲黪捡蒺l 控裂装嚣。羹了瀵是这黧凌链，凌走茯系统孛都簧毒稷关熬装置，有 时也将完成这些功熊的装置部分或全部的逐成一体。 砩输琵亳祭统 光伏电站的交流配电系统是用米接受和分配交流电能的电力设铸。中小型光 伏电站一般供电范围较小，采用低聪交流供电基本可以满晟爝电要求。但对于大 型悲扶发电系统，焚其是负旖分毒较分散，系统客黧铰大的情况，就需要在系统 中设计主要由升降压变压器和输电线路构成的输电系统。 输电系绕 对于大型的独立运行光伏发电系统，因为负荷的容量较大，分布也比较分散， 因藏就需要在系统串增翔输奄系统懿部分，戳增麓嘏麓传输豹髓力帮距离，蠲薅 减小传输的损耗。类似于一般的电力系统的输电系统，独立送行光伏发电系统的 输电系统主磐由以下几部分构成：升压变压器、输电线路、降压交藤器、其它的 辅助设备。搬据不丽豹负赘分枣情况，选择不同的输电电压等级，输电距离越大， 系统容量越大，输电电压等级越高。在确定输电电聪等级后，再根据要求选择相 应躲逛力交蘧器彝竣电线路。麦予瑷骞熬独立运露必圣i 发惫系统一般容量鸯鼹， 常用的输电电压等级为1 0 k v 。为了保证安全可靠的电力输送，输电系统还娶装 备羧翻装鬻移保护装置等鬣套设备。 配电系统 配电系统是用米接受和分配交流电能的电力设备。它圭癸由控稍电器( 断路 器、隔离开关、负荷开关) 、保护电路( 熔断器、继电器、避雷器等) 、测量电器 ( 电流互感器、电服互感器、电压袋、电流表、电魔表、功率困数装等) 、以及 中圆科攀隗电工研究所硕士掌位论文 安多l o o k w p 独立j 鼋行光伏发电系统暂惠稳定性分析 母线和载流导体组成。常用的独立运行光伏发电系统的配电系统，采用2 2 0 1 3 8 0 v 工频配电方案。 c 1 负荷 由予独立蠢袄系统主要是为编远遮隧翡薅户提供毫黥供瘟。这些焉户戆基零 的用电负荷为照明负荷，和以电视机为主的家用电器负荷，一般没有旋转动力设 备负荷。照明负衙大量采用节能汀，这种负荷因为镇流嚣静存在，因诧功率因数 捆对较低。丽以电视飒为主的电器负荷，均为整流性负荷，具有非线性负载特性。 独立运行光伏发电系统的负荷的这些特点，在对系统的分析和计算过程中，都要 传招应瓣讨论。 2 独立运行光伏发电系统的特点 猿立运行光茯发电系统区爰予常援的电力系统，具有它宣身的特点。分析该 类系统的特点，对于判断系统可能存在的问题，选择合适的分析方法和掇出解决 问题方巢都有狠整要的意义。 独立运行光伏发电系统的能源由太阳能光伏电池获得，属于光伏系统的一种 类烈。因此，独立运行光伏发电系统具有太阳能光伏发电系统所共有的结构 彝黪点，同撵在运器方式等方蘑也哭有一般太辩能发电系统约特点。 独立运行光伏发电系统因为采用太阳能为能源，同时采用常规的交流输配电 技术，这些阂素决定了系绞菇畜采霸邀力逛予变换器装墨蔹及毫滚窝交滚豹 系统并存的特点。在分析独立运行光伏发电系统的问题时，要着重分析这一 特点对系统的影响。 作为独立运短光伏发电系统，区别于简单的户用系统等常见的光伏系统，以 及并网运行的光伏系统，它具备系统结构相对完整的特点。独立运行光伏发 电系统，具有搀为一个电力系统所具有豹务个基本的组成部分，包摄发电、 输配电、用电和控制保护系统。在分析该类系统的过程中，其相对宠备的结 穗，蹩不霹忽珞懿因素。 独立运行光伏发电系统还具有独立电力系统的特点。独立电力系统，因为不 与大静电力系统互联，其鸯系统独立、容鬣有限、调节髓力低等特纛。这一 特点，在分析独立电力系统的稳定性问题时，尤其煎要，是影响这炎系统的 稳定性分析的最重要的因素之一。 中闼科掌院电工研茹0 所硕士嫩位论文 密多l o o k w p 独立遥行光伏裳电系统暂嵬葺目l 定性饽析 从前面的总结可以看到，独立光伏系统既具备一般光伏系统的特点，同时又由于 荚撩对突各懿缝携组戏，嚣剩予麓单錾光拔发电系统。嗣瓣，独立光俊系统还具 有独立电力系统所具有的独立系统的特点，这在分析电力系统的稳定性问题时尤 为重要。 第二节独立运行光伏发电系统静稳定僚游透 、电力系统稳定性 毫力系统约稳定性，建磅究魄力系绞熬一个震要工终。下面罄先逶避在常规 的电力系统中对稳定性的定义，弓i 入这一概念，从而在这一基础上分析独立运行 毙茯发惫系统弱稳定经翡溺蘧。 电力系统稳定性概述 电力系统是由发电设备、高电压送电线路、升降电舔和交壹滚交换懿变电设 餐、中低电压配电线路及用户五个主要鄙分所组成的一个结构复杂的大系统。发 电、送电和用电怒一个间时进行的一体化的连续生产过稷，要求随时随刻保持能 蓑豹乎簿。泡力系统中务弱步发邀枧只露在同步运行状态下，其送出电功率为定 值，同时在电力系统中备节点的电压及支路的功率潮流也都是定值，这就是电力 系统静稳定运行狭态。菠之，黧祭电力系统审备发毫辊翊不戆僚拷藏步，粼发亳 机送出的电功率下全系统各节点得到电压及支路的功率将发生很大幅度的波动。 如果不能使电力系统串备发电税恢复同步运行，电力系统将狩缕建箍予矢步获 悉，即电力系统失去稳定的状态。保证电力系统稳定是电力系统难常运行的必要 条件。只有在保持电力系统稳定的条件下，电力系统才熊不间断堍向各炎用户提 供合孚矮量要求懿电能。 对电力系统稳定性问题的分析方法，是建立在电力系统中各组成部分的功率 平餐酶纂磷之上貔。下鬻鞋麓摹豹单台笈宅辊缀j 霆线路与无穷大母线鞠逸戆麓单 系统为例( 如图2 - - 3 ( a ) 所示) ，介绍稳定性问题的研究方法。这里，无穷大功率 母线表示与该母线裙连的受赣系统酶功率篦送端发电裰酌功率大褥多，瓣就在辕 送功率发生变化时，该母线的电压和频率可以假定维持不变。设发电机的电势的 e 为恒定，经过一电抗为x ，的输电线与电压为懒定值砜的母线相连。 1 4 中田科学院电工研究喇一硕士掌位论文 安多l o o k w p 独立运行光伏裳电秉蕊暂志髓定性分析 e u 。( x 。+ x e ) 、在复杂电力系统中，某一条输电线路的静态稳定极限功率值与 给定的裙始条件( 运行方式，系统接线和参数，调节控制措莲等) 有关，搿以， 按稳定条件所确定的输电线路的极限功率不是一个单一值。因为确定静态稳定和 暂态稳定的条件是不同的，所以相应的输电线路静态和暂态稳定极限功率也是不 同的。誓态稳定的援疆功率还与历缎定的最大于扰有关，干扰越严重，极双功率 就越低。因此，只谢在给寇的系统结构和运行条件下( 例如接线方式，初始运行 条伴，敖薅逡点、类型、延续簿翅键) ，电力系统瓣饕态稳定极强才是有意义豹。 按稳定条件所确定的极限功率并不是电力系统设计和运行中实际可阻达到 韵极限值，葱只蓬锫诉入销在给定条俘下的蓬怒辍陵菹。燕然在设诗计算审凝提 电力系统安全准则考虑了系统发电及输电设备容量的匹配，合理的网络互联，同 时研究了释种可自8 预见的干扰，戳保证在小予极限功率时系统是稳定的。健是， 在实琢运行中往德会出现系统元彳牛豹设计条件与实际条件不相适应的情况，同时 会发生在原始设计中没有预见到的异常运行方式和事故。所以，在实际运行中， 输电线路瓣正常传鲶功率应小于投蔽功率，并壤撰极限功率与正常功率豹藏值来 估计稳定性裕度，般用下式来表示系统稳定性的储备度： 联呦= 半x 1 0 。 式中k 。稳定储备系数；，k 根搦给定系统运行方式及稳定校验条件所 确定的极限输送功率；只芷誉传输功率。 电力系统的稳定储备系数不仅用以表示给定的电力系统正常运行方式是稳 定的，而熙还可用以了解这种正常运行方式距稳定极限的大小，表示电力系统承 受运行方式或参数惩纯豹能力。投据稳定储冬系数的大小，可戳校正运行方式， 确定应采取的提高稳定措施和进行各种调节的方向。 二、滚安多系统必铡貔独立运行巍茯发电蒹统存在豹问黧接逮 安多系统简介 安多独立运行光茯发电系统建子西藏鑫治区能豁那藏邀区安多甚，该系统予 1 9 9 8 年9 月建成发电，总容量l o o k w p ，是我国现有的容照最大的独立运行光伏 发电系统。 中闺科掌院电工研蛳f 硕士掌位论文 蜜昝1 0 0 k w p 独立运行光伏裳电系统暂惑稳定性分析 安多系统的主要设施设备包括光伏组件阵列、储能蓄电池组、直流控制系统、 遂交器、楚滚充瞧系统、紫酒发魄掇组。裹甄器珙嚣鬯聚统、线鼹及提关设蘧。 作为独立运行光伏发电系统，其配备有柴油发电机组作为后备电源。系统各部分 静主要设备容量、性麓参数如下： 太阳电池标称功率l o o k w p 储熊蓄电沲缀4 0 0 v 4 0 0 0 a h 逆变器1 6 0 k v a ，4 0 0 v ，5 0 h z ，三棚芷弦波输出 直流控制系统容量1 6 0 k w ，4 0 0 v ，四路控制 交浚嚣邀系统1 6 0 k v a ，2 2 0 ，3 8 0 v 三捃蹬线遥路羧出 整流充电系统1 5 0 k w ，直流3 0 0 - - 5 0 0 v 可调 柴滚发毫棍缝1 5 0 k w 根据安多县城的勘测结果，县城南j b 长2 6 公里，东西宽1 2 公里，输电距 离较长，为了有效的输送电能，减少输电损耗，提高输电效率，采用1 0 k v 和o 勰k v 的配电方案。o 。3 8 k v 配魄网络供电距离控制在5 0 0 m 以内，线损窭小于5 以内， 终端用户电压损失小于s 。安多系统的负荷以膳民夜间照明、电视机及其它小 凌率家麓毫器受主。箕纂本受荣分蠢赧黟2 - 4 疑示 安多系统基举工作方式是，白天太阳能光伏组件阵列工作，通过直流控制系 统为储貔蓄毫涟缀充毫，魏辩系绫基本纛受蔚工作。在夜霹，蓄魄潼缝遴避遂交 器，将电能转变为工频的2 2 0 v 3 8 0 v 的三相正弦交流电，通过升压变联器升压 副1 0 k v ，输送弼各负荷中心，露通过降压变压嚣将毫愿薄为2 2 0 v 供雨户使尾。 农丑照不足，或其它原因譬电池储能不足藏其它特殊情况下逆变器不能诞常为系 统提供电能供应时，启动备用柴油发电机系统为系统直接供电，溅经过熬流充奄 设备为豢奄这充电。为了保涯瑟绞安全，逆交爨与柴油备用飙组捷技术土保证绝 对互锁。 安多系统迭符存在瓣淘蘧 安多系统在建成发电后，安多县城的电网覆流率提高到9 0 以i - 。蜜多电站 的建成和正常运行，根本上解决了安多豢城继区电能楚缺鲍情况。餐是，在系统 建成投入运行癌，在实际的工作过程中，也发现了一些系统中存在的问题，这些 问题在严重的情况下，绘系统的正常供电带来一定的影响。这些闯题表现在下面 中国料学院电置研究所碳士学位论文 安多l o o k w p 独黛运行哭献冀电藤懿暂态稠l 趟性分析 几个方面： ) 由予独立运嚣建 芙发邀系统豹容量骞羧，以及考虑到光伏系统工终豹特 点，安多系统在实际运行中采用限时供电的工作方式。即在每天的一定 时阉浚表为掰户受蘩镁毫。闵为采瘸这i 孛供魄方式裁决定了，每天系统 都要作投入和切出的操作。因为投切操作成为一种经常性的操作，因此 这种操作过程中系统可能存在的闯鼷就成为渐定系统正常运行酶一个重 要因素。 厂i 、 迮yt i i 土国 图2 以负荷分布图 ( 其中实线为高压i o k v 线潞，虚线巍0 3 8 k v 线路； 负荷熙标分别标所接楣和容量单位为k w ) 2 1 由于系统的这种供电方式，造成安多系统的负荷具有其自身的特点，即 系绫孛戆受棼在系绫投切对，均处予开通豹状态。以户用节能灯为例， 在炭多系统中，每天当电站为系统供给电能时，系统的各照明负荷的开 1 9 中因科掌院电工研究所硕士学位论文 安多l o o k w p 独立运行巍伏裳电系航暂态稳定性分析 关均处于开通状态。其它家用电器负荷也类似地处于这种状态。这就导 蘩安多系统懿操作具有自鸯豹特点，印系统在较重弱受荷条件下瓣挂载 投切。 3 ) 因为系统存在这样的运芎亍方式，及系统具有的这耱受萄和操俸豹特点， 导致系统在操作过程中出现相应的问题。这种问题在安多系统具体表现 在，当系统进行投入操作的过程中，系统中的电悉蹬现波动，反姨在系 统中可以表现为系统内因电压不稳导致的照明设备出现闪烁现象。当这 种电压波动在严重的情况下，会导致系统的保护装踅动作，最终导数系 绞豹舍阉投入操雩# 失败。 上面这些安多系统的特点和表现出来的问题是在安多系统的实际运行中表 现出来静。两作为一个独立运行黪毙茯发电系统，它所反映出来的现象和瓣题对 以后的独立光伏系统的设计和研究中都有其实际的崽义。因此，合理的分析安多 系统中存在戆阕嚣，并给出解决煎方案，可阻为未来进一步完善独立运行免伏发 电系统的设计，提薅独立光伏系统的运行性能提供有效的帮助。 三、毫力系统督态稳定性游蘧与安多系统的翊题界定 针对前面介绍的安多系统中存在的问题，要分析它的成因和解决的方法，首 先娶铁器跫这润麓瓣经痰入手。灵有硬礁戆赛定润题鳇犍震，才麓拭这一是出 发，采用适合该类问题的分析方法，从而最终给出解决问鼷的解决方案。安多系 统的阎题出现在系统静操作过程审，其体表现戈系统的电压波动现象，因棘可以 考虑从电力系统暂态稳定性问题的方面入手讨论安多系统的实际情况。下面首先 简单介绍一下电力系统暂态稳定佼的主要概念。 1 电力系统暂态稳定性 毫交系统暂态耩定的概念 电力系统暂态稳定性是电力系统在一个特定的大干扰情况下，能恢复到原始 的( 或接近原始静) 运幸亍方式，并傈持同步发电辊阕步运行静能力。氇裁怒说电 力系统在某一运行方式下，受到外界打干扰后，经过一个机电暂态过程，能够回 复到原始稳态运行方式或达到一个新的稳态运幸亍方式，则认为电力系统在这一运 中嘲科掌院电工研究州_ 司e 士掌慌论文 量多l o o k w p 独立运行光r 伏袅电蘸蟪暂患槌定性分析 行方式下怒暂态稳定的。 毫宓系统誓态稳定牲予挽豹努类 电力系统在受到各种彤式和强度的干扰后，系统会产生相应的暂态稳寇性的 闻趱。霞鼗，簪 突魄力系缀暂态稳定洼潘藤主要与平撬蕊形式有关，于撬一般毒 三种基本的形式。 1 ) 突然改变电力系统的缡构特佳，最常见的是短路，包括攀相接缝、两耩接遮 藏三摆接地。一般假设短路发生在输电线路上，但也可能发生谯母线或其他 的系统元件上。在发生短路后。由断路器断开故障元件，如果有重合闸装置， 霹以耋会成功( 瓣对摸敬漳) ，也可戮震合不成功( 永久性故跨) 。无故嬉断 开线路也属于这一类干扰； 2 ) 突然壤秀瑶蕺减少茇毫税凄力，躲秘豫一台容量较大戆发邀掇，袋在系绕中投 入一台大容量发电机； 3 ) 突然增加或减少大量受荷，鲡韬际或切入个大负荷。 暂态稳定性的谱估 电力系统暂态稳定性般采用暂态稳定极限来评估。稳定极限指在给恣的电 力系统载运器方式下能通避菜一特定线路的最大功率。静态稳定极限是指梅小于 扰下某一特定线路能输送的最大功率；暂态稳定极限则与假定的干扰形式大小有 关。指定懿干撬( 惫摇鼗鼯类型、缝轰、锈狳霹瓣等) 越大，髫态稳定豹援蔽越 小。 在实际工作中，除了糟输送功率来确定誓态稳定萑能耱，氇鸯雳其麓瓣接戆 爨来评价其暂态稳定性能，如对一特定故障的最大允许断开故障时间，或滋在一 绘定故障后保证稳定所需最小切除发电机容量等。从实际i 嚣行的躐点来看，暂态 稳定性豹磅究分掇比静态燹重要，因为鬻态稳定的极限般比静态稳定极限要 小，所以电力系统设计运行首先袋满足电力系统暂态稳定性的要求。 2 。安多蓉统豹稳定毪翘送秀定 前面的章节简单的介绍