光伏发电并网系统对继电保护的影响研究.doc

摘要摘 要进入21世纪，化石燃料的储量越来越低，新能源的开发和研究越来越得到人们的重视。由于太阳能具有环保、无污染、可持续发展等优点逐渐成为新能源领域中开发水平最高，最成熟，应用程度最广泛的可再生能源。光伏发电已经成了各国争相发展的新能源，其技术的发展和革新带动了光伏产业上游技术的快速发展。由于光伏发电的不连续性，常常并网运行或作为微电网补充运行。光伏电站并网运行对整个配电网带来较大的影响，系统的正常运行随之出现一系列的技术问题和技术瓶颈，本文对光伏系统接入配电网后的电压分布、自动重合闸、配电自动化以及因此而改变线路保护的整定值设置、保护元件的增设做了详细的分析和论述。本文首先对光电池（光伏电站）的形成、分类、并网方式以及目前发展状况进行了简单的分析和论述。根据光伏电站的特点，建立了光伏发电并网系统模型，通过MATLAB/SIMULINK软件平台搭建了光电池、最大功率点跟踪模型、逆变模块等仿真模型，通过仿真结果分析了各自的特点，并根据特点和影响规律制定了相应的解决方法和控制策略；由于光伏电源的接入，改变了10kV配电网的电流分布及流向；对电网的运行电压的分布也有较大的影响。研究了光伏电站系统在不同位置、不同容量及不同用电负荷对配电网电流流向分布和电压分布的影响特点，并根据影响特点制定相应的技术措施和控制方法，例如增加无功补偿电路、电压检测控制电路等；最后分析了光伏电站对存在故障的配电线路的影响，并论述了故障电流与保护整定值之间的关系；并在此基础上，通过数据仿真详细论述了光伏电站的并网位置、电站容量以及不同馈线拓扑方式对短路电流的分布和流向所造成的影响，提出了自适应线路保护的控制方案及修改整定值的方法。 关键词： 光伏发电并网系统；配电网；继电保护；配电自动化52AbstractAbstractEntering the 21st century, fossil fuel reserves are getting lower and lower, new energy development and research more and more attention. As the solar energy with environmental protection, pollution-free, sustainable development and other favorable advantages of gradually becoming the new energy field in the development of the highest level, the most mature, the most widely used renewable energy.Solar photovoltaic power generation is the worlds largest application of distributed power. With the photovoltaic power generation and the network, the total distribution network to bring a greater impact, the normal operation of the system to bring a series of technical problems, this paper on the distribution of photovoltaic power system voltage distribution, automatic reclosing, electrical automation and the impact of relay protection made an analysis and discussion.In this paper, the concept of photovoltaic power generation, classification, and the way and the current research and development of the status quo were combed. The grid-connected photovoltaic power generation system model is established. The photovoltaic power generation grid-connected system model is built up by MATLAB / SIMULINK software platform, including photovoltaic cell, maximum power point tracking model and inverter module. The simulation results show the effectiveness of the photovoltaic cell, the maximum power tracking algorithm and the system model. The influence of PV grid-connected system on the power flow and voltage distribution of distribution network is analyzed. The influence of PV system on the distribution network voltage and current distribution in different positions and capacities and operating conditions was studied. The technical measures and control strategies of reactive power regulation and voltage regulation were put forward according to the law of influence. Finally, the influence of PV system on short-circuit current under fault condition is studied. The influence of different access position, different capacity and different fault location of PV system on short-circuit current and line protection are analyzed.KEY WORDS: PV grid-connected system; distribution network; relay protection; distribution automation1 绪论目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 选题背景及其意义11.2 光伏发电技术研究现状21.2.1光伏发电系统21.2.2 光伏发电系统对配电网影响研究现状71.3 论文的主要工作82 光伏发电系统模型102.1 光伏发电发展现状102.2 光伏发电仿真模型研究112.2.1 光伏阵列仿真模型的研究112.2.2 最大功率跟踪方法152.2.3 MPPT实现电路（DC/DC 电路）152.2.4 逆变器控制原理及方法162.3 本章小结183 10kV配电网继电保护193.1 传统10kV配电网继电保护193.1.1 无时限电流速断保护203.1.2 限时电流速断保护203.1.3 过电流保护213.2 光伏电源接入位置对配电网继电保护影响理论分析223.2.1 配电网末端母线接入光伏电源223.2.2 配电网下游母线接入光伏电源243.2.3 配电网上游母线接入光伏电源253.3 光伏电源输出功率对继电保护的影响分析263.4 光伏电源接入对自动重合闸的影响283.4.1 自动重合闸保护283.4.2 光伏电源对自动重合闸的影响303.5 仿真计算313.6 本章小结354 含光伏电源的继电保护方案研究374.1 自适应整定保护原理374.1.1 光伏发电系统拓扑结构374.1.2 在线自适应整定保护分析384.2 仿真验证414.3 光伏发电系统下继电保护的配置444.4 本章小结475 结论与展望485.1 结论485.2 展望49参考文献50致 谢53 1 绪论1.1 选题背景及其意义化石燃料的使用带来大量的废气、固体垃圾，环境污染也伴随着产生。绿色能源的开发和利用成为人类能源利用的热点领域，电力资源具有其方便性成为社会发展的重要资源。分布式发电成为一种新型资源，具有干净、灵活多变的利用方式，成为世界各国争相发展的热点和新宠，太阳能发电无疑是分布式发电的重要组成部分。随着光电池技术的发展以及光电转化效率的提高，人类对太阳能的应用和研究也越来越深入。世界各国对光伏发电的示范作用和应用前景越来越认可，光伏发电（Photovoltaic（PV）在改善能源结构，减少环境污染等方面具有不可替代的作用1-5。光伏应用的主要方式为光热转化、光伏并网发电、光伏发电微电网运行等，其中以光伏并网发电应用最受关注。开展光伏并网发电的研究，对于新能源替代和环境污染问题，开发利用高稳定性能光伏电站，逐渐提高光伏发电的质量问题，在缓解能源危机方面具有不可替代的现实作用 1-5。光伏电站作为太阳能利用最重要的方式之一，其工作特点是：利用光电池阵列将太阳能转换电能，通过汇流箱等直流设备汇集和控制直流电能，再通过逆变设备将直流电转换为符合用电需求的交流电，用于负载使用，如有盈余，则通过配电线路馈送到电网。根据实际用电需求和用电位置可任意组合光伏电站的容量、光伏电站的设立位置。光伏电站具有分散使用的优势，通常作为电厂、电网集中式能源的重要补充，也可作为厂矿企业、边远地区电力供给能源。随着光伏发电等分布式电源在电网中占有市场份额的提高，并与传统电网形成了资源互补，电网拓扑形式灵活多变，降低环境污染，提高新能源利用程度，改善能源结构。光伏发电具有许多优点，大面积的并网运行为整个配电网运行的安全性和稳定性带来了负面影响6-9。大容量、多接入点的光伏电站并入电网，将对配电网的安全运行带来新的问题。主要表现在以下方面：1）改变了配电线路的损失；2）供电电流的分布和流向；3）电能质量的改变； 4）馈线配电自动化；5）自动重合闸等。由于光伏发电并网技术发展的不成熟性，电站管理水平的差异、行业及运行规范不够成熟、全面，电站操作人员的水平尚不统一，给供电网络提出了新的要求和技术挑战。电网的电能质量、运行安全以及线路保护都造成了新的影响，进而使并网技术成为新的瓶颈。光伏并网是一项新技术，涉及到电网的运行安全问题，不能随心所欲的胡乱利用。需要合理规划和设计电站并网容量和接入点、选择合适的拓扑形式和并网区域，并满足相应的线路保护条件和技术要求，才能使配电系统稳定、安全运行，其经济性和社会效益才能得到充分发挥。因此，研究光伏并网对配电系统产生的不利影响，让光伏发电与传统配电系统达到有机结合，充分发挥它对系统的补充优势，克服光伏发电的不利因素，使光伏发电系统具有良好的操作性和资源互补性。1.2 光伏发电技术研究现状当前，世界各国主要侧重于研究光伏发电技术，即优化光伏发电系统结构、能量传递效率、控制策略及光伏发电并网技术等。但对光伏电站与配电网之间的影响以及各自对对方的影响研究尚待进一步深入10-13。1.2.1光伏发电系统1. 光伏发电系统的组成和分类光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统、并网光伏发电系统和分布式光伏发电系统 14。独立太阳能光伏发电是太阳能经过光电池进行能量转换后，直接给用电器使用。其特点是都含有储能装置或备用电源，以保证夜晚或无太阳能时用电器能够继续工作。独立太阳能光伏发电在民用领域主要为白天采用太阳能供电，夜晚使用电网供电，可以用于多电源用电器；在工业范围内主要用于电讯、卫星电池帆板、太阳能水泵、太阳能热水器，在具备地热发电和潮汐发电的地区还可以组成混合发电系统，如太阳能热电联产系统。主要由光伏阵列、储能装置、逆变器、监控系统、用电设备组成。结构如图1.1所示：图1.1 光伏发电结构图（独立）并网光伏发电是太阳能经过光电池转化为电能，经过逆变器转化为交流电能，经过升压后，由馈线接入电网，可作为电网的补充能源。该种利用方式不需要储能装置。民用光伏发电多以家庭为单位，并网电压等级一般为380V，主要利用屋顶或建筑物的自然受光面作为电池板的安装位置。主要由光伏阵列、并网逆变器、公共电网、监控系统组成。分布式光伏发电又称分散式发电或分布式供能，用电负载靠近大型产业聚集地带，并在该聚集区配置与负荷相适应的光伏电站，以适应该地区的用电需求，支持现有配电网的补充运行，或者同时满足这两个方面的要求。其运行特点是在太阳能充足的情况下，采用直流汇流装置将各个电池板的电能汇集起来，经过直流配电系统提升直流电压等级，再经过换流设备转换为交流电能，电能供自己负荷使用，如有多余电能则馈送到公共电网上，其电能也可通过公共电网统一调度使用。其系统结构主要由光伏电池板、直流汇聚设备、直流配电设备、并网逆变器、交流配电设备、负载、公共电网、控制设备等组成。在光伏发电并网系统中，通常采用一定的控制方法使光伏阵列的输出功率与太阳能的最大功率相匹配，即提高并网系统能够完全吸收并转化太阳能，进而提高光伏电站的转换效率；由于取消了储电池组和充电控制器，降低了环境污染、供电系统的危险，为系统的正常运行提供了保障。由于光伏发电系统的能量不能直接被电网吸收，系统中存在多个转换器 15-17。图1.2为单级式光伏并网系统结构图。图1.2 光伏发电系统结构图(单级式)其系统组成可分为：光伏阵列、并网逆变器、逆变控制系统、无功补偿系统。工作原理为：利用光电池阵列将太阳能转换电能，通过直流设备控制直流电能，再通过DC/AC光伏逆变器将直流电转换为符合配电网要求的交流电并入公共电网。由于配电网的交流电压较高，需要通过光伏阵列将光电池的直流电压升高到某一特定范围才能使并网逆变器正常工作。同时，通过逆变控制系统实时跟踪最大功率点 1018 ，提高并网系统的效率。单级式光伏并网系统需要大幅度提高直流侧电压，必须保证直流侧的供电安全，一般常用监控系统来提高系统的安全可靠性；由逆变控制系统实时跟踪最大功率点。但因系统简单，损耗较少，能量转化效率高等优点，应用较为广泛。如图1.3所示：图1.3 光伏发电系统结构图(多级式)其系统组成可分为：光伏阵列、Boost升压变换器、升压控制器、并网逆变器、逆变控制系统和监控系统等。工作原理为：利用 Boost升压变换器提高直流电的电压等级，再利用并网逆变器转换为相应等级的交流电，由升压变压器和高压配电系统馈送到电网。Boost升压控制器实现对光伏阵列的最大功率跟踪功能19。并网逆变器通过控制开关型元件将直流电转换为交流电，提供给相应电压等级的负载使用；如有盈余，则馈送到电网。逆变控制系统控制光伏阵列的直流输出电压，实现最大功率转换。在双级式光伏发电并网系统中，由于有Boost升压变换环节，光伏阵列的输出电压不必严格要求，只需保证Boost升压变换器的输出电压处于相同范围内即可；Boost升压变换器还可以独立实现最大功率点跟踪。DC/AC能量变换环节中，并网逆变器将直流电转换成交流电，输出电压与电网电压的同频同相，由控制系统实时控制电流畸变系数，保证以最大功率输出，尽量减少向电网输送无功功率。在双级式光伏发电并网系统中，Boost升压变换及并网逆变两个变换环节具有独立的控制系统和策略，独立工作互不干扰，实现各自的控制功能，降低系统的复杂度。2.最大功率点跟踪(MPPT)研究现状20-23供电系统一般常用数学模型来描述其运行特性，但光伏发电系统输出特性较为复杂。太阳光强度由于受到自然环境、季节性、时间性的影响，光伏发电系统的稳定性较差且随机性较大。其系统的控制方面要综合考虑各种影响因素，控制结构也要复杂得多。在传统配电网络中，一般使负载电阻与电源（电气系统）相匹配来获取最大功率。由于传统供电网络（电源）的内阻不随时间和空间的改变而改变，较容易实现内阻于外阻相等。然而，由于光伏发电系统输出特性复杂，将其等效为一个固定内阻来获取最大功率是无法实现的。光电池正常工作时，其输出特性受到地域温度、时令季节、光辐射强度及温度等因素的影响，例如开路电压在30时只有25时的95%；其短路电流随光辐射强度增大而降低。因此，其功率还随着光照角度和时间而发生变化。光电池输出特性受到电池表面温度、负载大小、光辐射强度、光照角度等因素影响，很难抽象出数学关系。通过控制各个影响因素，例如在环境温度、光辐射强度不变、负载大小恒定、在稳定光伏电池输出电压的情况下，光电池才能输出最大功率值，不同的输出电压对应着不同的功率值，进而形成 P-V曲线。P-V曲线上的最大功率点，称为电池的最大功率点（Max Power Point，MPP）。据此可知，通过控制系统实时调节和控制光伏阵列的输出电压和电流，实现能量变换器的最大效率，光伏电池始终工作在P-V特性曲线的最大点，这种控制方式即为最大功率点跟踪（ Max Power Point Tracking，MPPT）。国内外文献报道了许多最大功率点跟踪控制方法，如恒电压法，扰动观察法，间歇扫描法，电导增量法等24-27。1)恒电压跟踪法（Constant Voltage Tracking，CVT）由光电池P-V特性曲线可知，忽略环境温度变化时，光伏电池在不同的光照强度下的最大功率输出点电压Um 基本保持恒定，这样只要在光伏阵列与负载之间通过一定的阻抗变换，并控制光电池的输出电压稳定在Um 附近，就能保证电池输出最大功率，进而实现最大功率点跟踪。由上面的分析可简化光伏发电系统 MPPT的设计，即通过DC/DC变换控制系统实时调节光伏阵列输出电压并使之位于 Um处。该种控制方法忽略了环境温度对最大功率点的影响。为了减轻使用场所的环境温度变化对光伏阵列输出电压特性影响，在恒电压跟踪法的基础上采用手动调节的方式以调节 Um，该方法可以达到要求，但实际可操作性较差。2)扰动观察法扰动观察法（Perturb&Observe algorithms，P&O）是实现 MPPT应用中算法最简单的一种，其原理为：通过一定的设备按照算法的步骤，在光伏阵列的输出电压上增加一个变量，运行一段时间后，再次检测光伏阵列的功率输出，并改变变量之前的功率进行比较，如果功率增加，这需要按照该方式继续增加变量，直至功率变化量小于零；反之，则需要减小变量值或增加负的变量，再次检测其功率输出，比较功率值的变化量，并判断是否大于零，以此往复26。该种控制方法具有以下特点：电路简单，比较容易实现，但由于光伏阵列的输出电压一直处于变化之中，干扰的步长和间隔都存在偶然性，光伏阵列的输出功率也在某一特定区间进行波动，为后级电路的设计增加了难度；扰动的步长和时间间隔也存在响应速度慢，能耗损失大等缺点，当光照强度快速变化时，该控制方法有可能会失效，甚至会出现系统崩溃。3)电导增量法电导增量法（Incremental Conductance Algorithm）是 MPPT控制应用中使用最广泛的一种28，通过计算光伏阵列的导纳和瞬时电导来实现控制光伏阵列的功率输出的。通过光伏阵列P-V输出曲线可得到 Pmax处的斜率为零，则有：P=VI （1.1） （1.2） （1.3）式（1-3）为控制系统实现MPPT时，系统参数应满足的条件。除了上述的 MPPT控制方法外，还有定电压跟踪、功率回授法、模糊逻辑控制法、神经网络法、变步长扰动观测等控制方法 29-32。3.并网光伏系统控制方法研究现状33-35并网逆变器作为并网系统的能量转化器件，将直流电转换为符合一定要求的交流电。通过实时跟踪配电网的电压，使逆变器的输出电压与配电网电压同频同相，控制输出电流的畸变系数，减少输出无功功率。光伏发电系统的供电质量由逆变器的电流谐波系数决定。因此，在光伏逆变系统中，输出电流控制成为改善电能质量的控制方法之一。输出电流控制策略有电流滞环控制、PI控制、空间矢量控制、重复控制、无差拍控制等36-38。PID控制方法具有完善的算法设计、控制效果较好、应用也较为广泛，整个控制系统稳定，响应也较为迅速。在光伏发电系统中，常采用以电流作为内环控制变量、电压作为外环控制变量来设计PID控制系统，进而实现稳定直流输出电压，减少并网电流的谐波系数。以往的PID控制系统中，由于开关元件的响应速度较低，当电网负载出现较大波动、有电源接入或撤出时，逆变器输出电流与电网电流存在较大的滞后性，进而造成配电网的电能质量下降、电流畸变较大，甚至造成电流方向发生改变。文献36采用电流瞬时值和电流有效值作为PID控制系统的控制变量，系统采用双闭环控制方式，以电网电流作为控制变量，实时修正和改变逆变器的输出电流相位。该控制方法采用双电流闭环控制算法，在控制输出电流的畸变系数上具有很好的效果，输出电能质量较高、动态响应速度快。总个控制系统算法简单，很容易在软件上得到满足和实现，控制效果效果好等优点。空间电压矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。以三相电压的空间矢量来替代电流脉冲宽度调制的方法,采用逆变器的开关模式相对应的矢量磁通去取代圆周磁通量，根据计算结果来控制逆变器的开关器件。此法从矢量磁通出发,以三维矢量去拟合二维矢量，通过不断的分割和逼近，使逆变器输出近似正弦磁通。在闭环控制过程中，以磁通的大小和变化的速度作为反馈变量，计算出磁通误差，根据误差的方向决定下一个电压矢量，进而实现PWM波形39-41。1.2.2 光伏发电系统对配电网影响研究现状在文献报告中，分布式电源对配电系统的研究较多，研究光伏系统对配电网络的影响及相应控制策略报道较少42-45。当光伏并网系统接入电网后，电网的电流分布发生了改变，由原来的单一放射形式变为部分双电源配电网。潮流方向也发生了改变，由单一流向变为随负荷而发生改变的流向方式。配电网络拓扑方式的改变，对电网电流分布、保护机理、配电自动化都产生较大的影响43，44。1.光伏电源对配电网电压分布的影响虽然分布式电源不改变配电网络的电压，但当电网电压出现波动时，逆变器输出电流也会随电压变化而产生波动，其有功功率、电能质量都受到影响；光伏电站接入会使电网的电压发生波动、电流流向也会发生改变。文献23重点分析了分布式电源接入电网后，对电网电压稳定所造成的影响，并给出了相应的解决方法。文献24分析了分布式电源接入点的位置、装机容量大小、负载情况以及输出功率对配电网的影响，并制定了相对应的解决方法及控制策略。2.分布式电源对继电保护的影响由于配电网新接入分布式电源，配电网的拓扑方式和电流的流向均发生了改变；当某处发生故障时，电流由单一流向变为多点流向，大小和潮流分析也变为复杂；对电网的安全运行和继电保护也提出了新的要求。相关文献也报道了分布式电源为配电网带来了巨大影响，例如分布式电源的接入位置、装机容量对线路保护的定值的设置与修改，线路保护的响应时间，线路保护的保护距离等情况作了大量的分析和论述44-47。也有文献通过数据仿真来研究逆变型电源对电网运行的影响 44-47。1.3 论文的主要工作本文分析了光伏发电系统的特点以及并网后给配电网所带来的影响，以光伏电站接入10kV电网作为研究切入点，抽象出数学模型并通过软件仿真，进而分析和论述了配电网的电流流向分布和继电保护的定值设定。论文包括以下内容：（1）从并网光伏发电系统的特点出发，分析了其运行规律。根据其运行特点建立了光伏阵列的数学模型，研究了基于升压斩波电路（Boost）的光伏阵列最大功率跟踪点算法，制定了以实时电流和输出电流为研究变量的PID控制策略，并在MATLAB/SIMULINK中建立了相应的仿真模型；（2）在光伏电站并网后，由于电源分布的改变，系统分析了配电网的潮流分布，以及对线路保护的影响；并在MATLAB/SIMULINK中建立了对应的数学仿真模型，结合仿真结果详细分析了光伏电站的容量大小、不同接入点以及运行工况对配电网的影响，总结归纳影响规律及特点。（3）以光伏并网电站接入10kV等级配电网作为研究对象，分析了由于光伏电站的接入，当电网出现故障时，光伏电站对系统短路电流分布、方向的影响；光伏电站与故障点的距离、电站容量大小以及接入位置对短路电流及三段式保护的影响，并根据各自特点制定控制方案和约束方法。2 光伏发电系统模型2 光伏发电系统模型2.1 光伏发电发展现状20世纪50年代末，人类发明第一块光伏电池板。经过60多年的发展，光伏产业经历了大面积的广泛应用阶段，应用的形式也由单块独立应用到建站发电使用，光伏发电应用也由屋顶分布式并网发电到电站并网发电。19962006年，光伏电池产量增加为原来的22倍，年增长率超过36%。截止到2007年，中国、欧洲、日本和美国的硅光电池产量分别为1.1GW，1.062GW，0.92GW，0.266GW，中国在21世纪初期光伏产业发展尤为迅速。 “十一五”期间，在屋顶光伏发电方面，以2008年为例，国家体育馆102.5kW、五棵松体育馆100kW、鸟巢226.8kW发电系统建成并投入使用，上海世博会3MW屋顶发电系统实现并网并运行良好48。在电站级的光伏发电系统，以敦煌10MW、昆明石林166MW最具有代表性，青海地区将建立GW级光伏电站。随着光伏技术的发展，光伏电站装机容量从几十KW发展到GW，电压等级也从10kV发展到500kV。光伏发电是通过光生伏特效应将太阳能转化为电能，通过配电网络将能量传递给负荷。光伏发电系统一般由光伏阵列板、直流配电设备、电能存储设备及DC/AC逆变器等环节组成。按其是否并网，光伏发电系统可分为两大类49：微电网系统和光伏电站并网系统。微电网系统通常指没有与配电网络相连、独立运行的光伏发电系统，该系统常用于单一使用电能的用电设备或用电量较小的负载，如通信基站，卫星设备用电，太阳能气象站，管道保护及带有利用储能装置实现昼夜充放电运行的微电网系统。光伏电站并网系统是通过逆变器将直流电能转化为交流电能并通过配电网络将电能提供给配电网，电能由配电网统一调度使用。该系统又可分为带有直流储能装置的和不带直流储能装置的，带有直流储能装置的并网光伏系统具有实时可调度性，根据负荷大小并入或退出电网，还可作为备用电源使用，当电网因故停电时可实现紧急照明。带有直流储能的并网光伏系统可以安装在产业园的房顶；不带直流储能的并网发电系统不能调度，通常具有占地面积大、容量较大、传递功率大等特点50,51。集中式光伏电站装机容量较大，通常为几百MW，将所发出的电能通过升压变压器提升电压等级后，直接馈送到电网，纳入统一调度管理，但存在着输出电压等级高、系统复杂、电网功率波动较大等缺点，目前应用较很少。屋顶分布式光伏电站具有建设周期短、接驳或退出电网方便、电压等级较低、对配电网网络影响较小、技术较为成熟、易于管理等优点，成为当今光伏发电的主要应用方式。2.2 光伏发电仿真模型研究并网光伏发电系统通常由光伏阵列、并网逆变器、交流配电电路和逆变器控制电路四部分组成51。光伏阵列将光电池的直流电提升电压等级；并网逆变器进行能量转换，通过交流配电电路、升压变压器升压后馈送到配电网。逆变器控制电路要完成功能：实时跟踪最大功率点；控制输出电压与电网电压同频同相；控制电流畸变，尽量输出有功功率。图2.1并网三相光伏发电系统组成2.2.1 光伏阵列仿真模型的研究光伏电池是光电能量转换的最小单元，其输出电压低，一般不直接使用。将单体光伏电池通过串并联提高到工程电源所要求的电压后并封装成为光伏电池组件。光伏电池的I-V特性受到温度T和光照强度S的影响，即 I=f(V,S,T)。在工程计算和工程模型中，技术人员需要使用尽可能少的参数来求解复杂模型的输出特性。以光伏电池为例，技术人员只需要光伏阵列厂家提供Isc、Voc、Im、Vm、Pm等这些参数，来求解光伏阵列的温度 T、光照强度S下的 I-V输出曲线52。根据光生伏特效应，等效图为如图2.2所示：图2.2 光伏电池的等效电路图由于光伏系统的时间常数较大，对分析结果影响较小，在实际等效分析时不再考虑结电容 Cj。假定参数的正方向如图2.2所示， I-V特性方程为 （2.1）式中： IL为光电流，A；I0为反向饱和电流，A；T为绝对温度，K；A为二极管参数；Rs为串联电阻，；Rsh为并联电阻，。式(2.1)是以光伏电池的物理特性为基础所得到解析表达式,已经得到业界的认可和验证。但表达式中的 IL、I0、Rs、Rsh和 A受到多种因素的影响，在实际计算中很难量化。由于光伏电池供应商能够准确提供这些参数，但分析计算复杂，计算结果实际意义有限，故很少应用到工程计算中。工程上的数字模型需要较高的实用性和简便性42。工程计算中需要较少的输入参数和准确的关系式，计算结果却达到一定的精度，以提高运算和分析效率。对于光伏电池模型而言，根据光伏阵列厂家所提供的参数，再通过计算和模型近似就能准确反映光伏电池的IV特性。根据影响的程度，忽略有关项，表达式（2.1）可以简化为:1 (V+IRs)/RshIL，可近似处理;2二极管导通时，Rs0，由模型可知：IL=Isc，并统一约定:1) 光伏电池不接负载时,I=0,V=Voc;2) 通过上述的近似条件， I-V方程可近似为： （2.2）光伏电池输出最大功率时，电压取Vm，电流取Im，可得： （2.3）在室温25时， expVm / (C2Voc ) 1,近似简化后解出C1：C1=(1Im/Isc)expVm / (C2Voc ) （2.4）当光电池没有负载时，开路电流I为0，电压为开路电压Voc，并把式(2.4)代入(2.2)并近似为：C2=(Vm/Voc1)/ln1Im/Isc （2.5）因此，通过式(2.4)、(2.5)，由电池厂家提供的参数 Isc、Voc、Im、Vm，由计算可解出C1和C2，在通过式（2.2）得到I-V曲线图。硅光电池 I-V特性曲线随着温度变化而出现显著的下降趋势，而光照强度直接影响到电池的输出功率。在上面的计算和工程近似中，却没有当作影响因素加入考虑。在某一特定区域内，光照强度的变化区间也是一定的，温度也在某一特定区间变化。为了便于计算，通常做出一些假设和近似并作为标准，例如考察温度和光照强度对光电池输出特性的影响时，选用Tref=25，Sref=1000 W/m2。通过比对参考值与实际值的差别，以及工程近似模型，较好的解决尚未考虑到的影响因素。通过工程近似得到数据模型，在环境温度Tair，辐射强度S下的光伏电池温度为T，通过大量的数据拟合后，式(2.6)满足工程数学模型的精度：T()=Tair()+K(m2/W)S(W/m2) (2.6)实验测定的 T(S)直线的斜率可确定 K值。K值受到电池板的倾斜角度和太阳高度角，通常可取 K=0.03(m2/W)。利用 Im、Vm、Isc、Voc(电池厂家所提供的标准参数)推算出 Im、Vm、Isc、Voc（该地区的环境下，特定的温度T，光照强度S），最后代入式（2.2）获得新的I-V特性曲线： (2.7) (2.8) (2.9) (2.10) (2.11) (2.12)以上公式可以解释光电池的输出特性特点，当需要用到光伏阵列时，需要对上述公式进行变换和扩展。则光伏阵列的输出特性可以表述为： (2.13)为了验证了上述公式的正确性及使用范围，在Matlab/Simulink建立光伏阵列模型，如图2.3所示：图2.3 基于Simulink的光伏发电仿真模型图2.4 光伏阵列I-V特性曲线图2.5 光伏阵列P-V特性曲线图在Matlab/Simulink仿真模型中，仿真模型的输出结果如图2.4，图2.5，图2.6所示，并与光伏阵列的实际输出特性相吻合。图2.6 光伏阵列P-V特性不同温度曲线图2.2.2 最大功率跟踪方法扰动观察法是对光伏阵列的输出电压通过固定步长实时扰动，根据输出功率变化量的方法实现最大功率跟踪。根据计算结果调整扰动电压的方向和大小。扰动观察法具有实现简单，算法容易，没有涉及到复杂的计算而得到广泛的应用。但因步长和参数设置的影响，输出功率不能稳定在某一点上，只在其附近波动。程序流程图如图 2.7所示。图2.7 程序流程图（电压扰动法）2.2.3 MPPT实现电路（DC/DC 电路）在工程应用中，光伏阵列受到安装位置的变化和时节的不同，输出功率也会随之发生改变，其等效内阻也不相同。由于直流升压变换器的存在，通过变换器的实时监测光伏阵列的电流电压数据并调节功率电路中的开关元件的导通占空比，实时改变总个能量变换系统的输出电阻，使总个光伏发电系统实现阻抗匹配，进而实现最大功率跟踪。直流变换器可分为： Boost升压电路、Buck-Boost升降压电路54。本文以Boost升压电路为例，其电路图如图2.8所示：图2.8 Boost升压电路示意图在Boost升压电路中，通过调节开关型器件S的导通时间来调节输出电压,以实现MPPT，占空比的调节分为恒频调节和恒占空比调节。在实际控制环节中，通常以Umppt作为参考电压，将实际电压与之相比较，经过PID放大在与高频三角波相乘，结果为真，关元件S导通；否则，关闭开关元件S，进而实现实时调节光伏阵列的输出电压Umppt。2.2.4 逆变器控制原理及方法随着兆瓦级光伏电站不断建成并投入使用，逆变器的功率等级也越来也大，逆变器的技术也得到进一步发展55。三电平逆变器(或多电平逆变器)的结构具有容忍电压范围宽、开关器件耐压得到进一步的降低、输出电能质量高等特点。随着高电压、柔性交流输电的发展,在电能变换、直流输电等技术领域中，人们越来越多的采用这种结构。三电平逆变器己经成为了高电压、大功率逆变器的一个发展方向53。三电平逆变器可用于兆瓦级的、电能质量要求高的特高压输电项目上。为了保证逆变器正常、安全的运行，防止同一支路的两个桥臂同时导通，需要在控制、PWM信号中增加时间间隔，使触发信号具有相反的导通时间，且导通时间间隔之和小于一个周期。为了保证并网逆变器输出最大有功功率，输出电流符合有关电力系统规范标准，需要选择合适的并网滤波器或无功补偿电路。并网滤波器通常有L型、LC型、型。根据滤波器的选择不同，逆变器的控制策略也作相应的变化。 含有Boost升压电路的光伏逆变系统具有适用电压范围宽，转化效率较高的特点。各组光伏阵列可以先通过Boost升压电路后再汇流到一个逆变器上，逆变成交流电馈送到电网。此种结构具有直流配电简单，各组光伏阵列使用独立MPPT控制，转换效率高，交流配电设备较少。将各组光伏阵列经过直流配电设备汇流后，通过Boost升压变换器进一步升压再与并网逆变器相连，逆变成交流电馈送到电网。多级逆变系统控制策略为：前级电路实现提升电压等级和最大功率点跟踪，后级实现DCAC变换和无功补偿。图2.9 光伏并网逆变器控制原理图图2.9为光伏并网逆变器的仿真示意图，该电路含有电流滞环控制环节。光伏电站一般有以下部分组成：光伏阵列、Boost升压电路、并网逆变器、交流配电电路（含PFC电路）和配电网。电流控制器是以电流滞环作为判决条件，控制和调节逆变器功率输出的控制比较器。将电流作为控制和反馈变量，通过控制器算法得到参考电流Iref，实施检测输出电流I0并与参考电流做比较。通过电流偏差的大小决定滞环控制器的输出，进而实现逆变桥臂的开关器件通断，实现能量转换。根据滞环控制原理，在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，仿真模型如图2.10所示图 2.10 并网光伏发电系统仿真示意图图2.11 并网光伏发电系统电压与电流波形通过仿真结果可知：所建立的数学模型能够很好的跟踪电网电压，逆变器的输出电流与电网电压具有较好的跟踪性，功率因数近似为1。仿真模型中参数如下：环境温度T= 30；太阳光辐射强度S=980 W/m2；系统工作在最大功率点时，U=320V；P=7536W，变换电路参数为：C1=200F，L=15mH， L1=2.7mH，C2=2200F。2.3 本章小结本章在分析了光伏阵列的电流电压输出特性，介绍了常用的MPPT实现方法。阐述了扰动观察法的工作原理，及逆变电路中的电流滞环比较器的控制原理。根据其特点，在MATLAB/SIMULINK中，建立了光伏阵列仿真模型。仿真结果表明该仿真模型能够较为真实反应光伏阵列的输出特性，具有一定的实用价值，验证了控制算法的准确性，为工程计算提供了方法。通过建立并网逆变器系统模型，介绍了电流滞环电路的控制原理，在仿真实验中取得了较为满意的效果，验证了模型的准确性。3 配电网的继电保护3 10kV配电网继电保护3.1 传统的配电网继电保护在配电网络中，通常都设有继电保护装置，通过继电保护装置来判断或者鉴定配电区域的工作运行状态和故障发生区域，并根据故障的情况执行相应的措施。保护装置通常根据配电系统发生故障前后发生改变的电气物理量来执行保护功能。配电网络或馈线发生故障常出现以下变化：（1）电流大小和方向出现变化； (2)电压降低；（3）无功功率出现突变（电流与电压的相位角突然变大） (4)测量阻抗发生变化。按照保护动作的原理可分为：过流保护、过压保护、距离保护、差动保护和过载保护等56。由于我国的电网采用单电源供电，配电网的拓扑结构为树干型，而中低压配电网大多采用分级别单电源供电，一般装设三段式电流保护，对本区域内起到主保护作用，并对下游起到后备保护的作用。在35kV以下级别的供电干线通常采用220kV（35kV）省调变电站的配电母线上直接引出57，馈线一般为面向负载用户提供电力（有时采用双电源自动切换），属于终端线路；当10kV作为配电电压时，由于一级负载用户较多，部分馈线采用同级变电站协调供电，属于非终端线路。对于含有同级协调配电的线路通常采用电流保护为主要保护，其他保护为辅助保护或后备保护。电流速断保护(I段)以线路末端发生短路故障时流过保护的短路电路作为保护参量，以三相电路同时发生短路故障的电流值作为整定值，如果大于整定值，保护瞬间动作切断故障线路，但不能保护整个线路。带时限电流速断保护(II段)以下一个保护元件速断保护动作时的电流值作为整定值，具有一定的滞后性，但可以保护整条线路。定时限过电流保护(III段)采用线路最大负荷的电流值作为整定值，并与相邻线路的过电流相结合的整定方法。通常作为邻近线路保护的后备保护，能够保护整条相邻线路。对于线路中含有多个电源或者需要其他电站协同配电时，线路保护需要考虑到多种保护的配合与协调；当线路为单电源且不含有同级协调配电的线路，不需要考虑同级协调线路的保护问题。为了减少保护装置的投入，常配备电流I段保护与电流II段保护，在配电自动化上增加一个三相一次重合闸装置。当线路含有架空裸导线时，三相一次重合闸可以防止因雷击（其他瞬时故障）引起的保护动作，馈线的瞬时故障解除后，整条配电线路迅速恢复供电。3.1.1 无时限电流速断保护电流速断保护是故障电流超过整定值时保护装置瞬时动作并切除故障线路，称为无时限电流速断保护。以线路靠近负荷的位置发生故障时所发生三相短路故障时的电流值作为整定值。保护装置的灵敏度通常以正常运行时线路上游两相短路电流值来设定。电流速断保护区域为本条线路的始端部分，不能完全保护整条线路，当整定值为发生三相短路故障时的电流时，保护线路的区域最大，为Imax；整定值为发生两相短路故障时的电流时，保护线路的区域最小，为Imin。在带有最小负荷运行下，速断保护区域的相对值应该大于(15%-20% ) ，才可满足要求。式中； (3.1) (3.2) (3.3)- 正常运行时，线路AB的电流值;K1rel- 可靠系数，可取1.2-1.3，- 正常运行时，线路AB发生三相短路的电流值;- 保护装置一次动作电流;Es- 系统基准电压;- 线路发生短路时系统等值阻抗。无时限电流速断保护没有设置延时装置，动作迅速，但因雷击（瞬时故障）易引起误动作。在配电系统中，在速断保护装置后面加装中间继电器，可以增大触点的数量和容量；继电器的延时一般大于管型避雷器的放电时间，可以避免因瞬时故障所引起的误动作。由于t=0，保护动作迅速，安全可靠，虽不能保护整条线路; 当线路运行方式变化较大时，也就无法确定线路的保