一种光伏发电并网对电力系统电压稳定的影响分析.pdf
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1、第 5 2卷第 1期 2 0 1 5年1月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i e a l M e a s ur e m e nt& I n s t r ume nt a t i o n VO I 5 2 No 1 J a n 1 0。 2 0 1 5 一 种光伏发 电并 网对 电力 系统 电压 稳定 的影 响分析 水 冯绍兴, 高金峰, 李肖 ( 郑州大学 电气工程 学院, 郑 州 4 5 0 0 0 1 ) 摘要 : 以可再生能源发电为背景 , 以光伏发 电并人电网后系统电压稳定研究为 目的, 提出将光伏发 电代替发电 机并人系统 的方法。该方法在建立光伏 和二阶等值发电机模型
2、条件下 , 分析 了单机无穷大系统电压随负荷变 化情况 , 据此对发电机 、 光伏模 型的系统电压随负荷 的变化情况进行了研究 , 并 由此对 比分析发 电机、 光伏的出 力对系统电压的影响 , 以充分 了解光伏发电对系统电压稳定的作用。最后分析 了当电压稳定时, 光伏单独出力 对系统的电压影响。结果表明: 光伏发电代替等值发电机并网后, 除有其 自身的特性外, 一样可以增强系统的 电压稳定性 。 关键词: 光伏发 电; 等值发电机 ; 电压稳定 ; 分岔理论 ; 单机无穷大系统 中图分类号: T M9 3 文献标识码 : B 文章编号 : 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5
3、) 0 1 0 0 9 7 0 4 I n flue n c e o f t he g r i d c o nne c t e d ph o t o v o l t a i c g e n e r a t i o n o n t he v o l t a g e s t a b i l i t y o f t he p o we r s y s t e m F e n g S h a o x i n g,Ga o J i n f e n g ,L i Xi a o ( S c h o o l o fE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g, Z h e
4、 n g z h o u U n i v e r s i t y , Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ,C h i n a ) Abs t r a c t :W i t h t h e r e n e wa b l e e n e r g y p o we r g e n e r a t i o n a s t h e b a c k g r o u n d a n d t h e e f f e c t o f t h e g r i d c o n n e c t e d ph o t o v o l t a i c g e n e r a t i o n o
5、n t h e v o l t a g e s t a b i l i t y a s t he r e s e a r c h p u r po s e,t h i s p a p e r p r o p o s e d a me t h o d wh i c h s ub s t i t u t e d p h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o n f o r t h e g e n e r a t o r t o c o n n e c t w i t h t h e p o w e r gri d I n t h i s me t h o d,
6、 t h e p h o t o v o l t a i c( p v )a n d s e c o n d o r d e r e q u i v a l e n t g e n e r a t o r mo d e l we r e e s t a b l i s h e d,a n d t h e v o l t a g e c ha n g e o f t h e s i ng l e ma c h i ne i n fin i t e s y s t e m wa s a n a l y z e d wh e n t he l o a d c h a ng e dBa s e d o
7、 n t h i s ,t h e s y s t e m v o l t a g e c h a n g e o f t h e g e ne r a t o r a n d t he pv mo de l wi t h t h e c h a ng e o f l o a d wa s s t ud i e d,a n d t h e i n f l u e n c e o f t h e o u t p u t v o l t a g e o f t h e g e n e r a t o r a n d t he p v o n t h e s y s t e m v o l t a
8、g e w a s a l s o d i s c u s s e d i n o r d e r t o f u l l y u n d e t a n d t h e r o l e o f p h o t o v o l t a i c p o we r g e n e r a t i o n o n t h e s y s t e m v o l t a g e s t a b i l i t y Fi n a l l y,t h i s pa p e r a n a l y z e d t h e e f f e c t o f t h e o u t p u t c a pa c
9、i t y o f t h e p v a l o n e o n t h e s y s t e m v o l t a g e wh e n t h e v o l t a g e wa s s t a b l e Th e t e s t r e s u l t s s ho we d t h a t t h e r e p l a c e me n t o f t h e e q u i v ale n t g e n e r a t o r wi t h p h o t o v o ha i c g e n e r a t i o n,e x c e p t for i t s o
10、wn c h a r a c t e r i s t i c s,c o u l d e nh a n c e t he s y s t e m v o l t a g e s t a b i l i t y Ke y wo r ds: p ho t o v o h a i c g e ne r a t i o n,e q u i v a l e n t g e n e r a t o r ,v o l t a g e s t a b i l i t y,b i f u r c a t i o n t he o r y,s i n g l ema c h i n e i n fi n i t
11、e s y s t e m 0 引 言 目前 , 随着能源危机和环保意识 的增强 , 清 洁和 可再生能源越来越受到青睐。清洁和可再生能源转 化为电能后与传统 电力系统并 网运行 已成 为常态 , 并 网后产生的各类 问题也受 到了广泛的关注_ l 。 文献 1 11 2 研究了含风电场并网后对 电力系统电 压稳定 的影响及控制研究情况 ; 文献 1 3 探讨 了小 基金项 目: 河南省教育厅科学技术研究重点项 目( 1 4 A 1 2 0 0 0 5 ) 水电并 网后的电压稳定性情况。 随着技术 的进步与制造 成本 的降低 , 各种容量 的光伏发电并网已是现实。由于光伏发 电具有能量 密度较
12、低 , 间歇性和随机性较强等特点 , 大多数情况 下都是作为备用或补充电源使用。而有关光伏 发电 并 网后对电网带来哪些影响较少有文献论及 。 文献 1 4 讨论 了含有 w ai v e电动机和恒功率负 荷 的单机无穷大系统并接一传统发 电机后系统的电 压稳定性研究情况 。传统发 电机接入后可 以增强单 - - - 9 7 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1期 2 0 1 5年1月 l O日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t I ns t r u me n t ati o n V0
13、I _ 5 2 N0 1 J a n 1 0, 2 0 1 5 机无穷大系统 的电压稳定性 。本 文则 以其 为参 照 , 研究使用光伏发电取代传统发电机后单机无穷 大系 统的电压稳定性情况 , 建立 了光伏发电机并 网模型 , 通过选取光伏发 电的有功输 出、 恒 功率 负荷 的有功 等参数 , 利用分岔理论 并借 助于 M A T L A B环境下 的 M a t c o n t 工具箱 , 探讨光伏并网后对 电力 系统 电压稳 定 的影响因素 , 得出了一些有一定参考价值的结论 。 1 系统模型 1 1 光伏发电系统并网结构 图 图 1 是用光伏发电取代传统发电机后并入无穷 大系统 的结
14、构图。图 1中, 负荷 由 Wa l v e 等值电动机 模型和恒功率负荷模型并联组成 , 光伏发 电并在 负 荷中心母线上 , 由等值线路阻抗连接到无穷大系统 , 不计光伏发电到负荷中心母线的阻抗。 图 1 光伏发电系统并网结构图的简化模型 F i g 1 S i mp l i fi e d mo d e l o f t h e s t r u c t u r e d i a g r a m f o r t h e g r i d c o nn e c t e d PV po we r g e n e r a t i o n 1 2光伏 发 电 系统模 型 图 1中, 光伏发电部分采用两级式
15、三相并 网系统 模型l 9 , 它是 由主电路、 MP P T、 电流内环电压外环等 组成 。描述光伏系统的模型为 : X :A +B ( 1 ) = + u ( ) 式中 : A A “A A A A i , 参数取值见文 献 9 。 1 3 负荷模型 负荷模型由文献 6 中介绍 的 Wa i v e电动机模 型与静态恒功率负荷模型等效而成 : f T k qw k pV d V = k pw q V I2 十 ( 一 |j ) 十 ( Q 0 +Q 1 一 Q ) 一 k q w ( 尸 0 + P 一 P ) ( 2 ) =一 : +QQ 。一Q 。 1 4系统 综合模 型 将光伏发电系
16、统模 型 与负荷模 型联立整理 , 得 到描述系统的综合模型用一般形式表示为: = ,A) ( 3 ) 式 中-厂 定义为光伏 发电系统 、 负荷 的动态行 为 , 为 一 9 R 一 相应 的状态变量 , A为控制参数 向量 , 且 : = A 一 p vi 1 u d U i d u i q i P q V0 。 文中采用 3 0 MW 的光伏发 电系统 , 整个 系统具 体参数见表 1 和表 2 。 表 1 光伏发 电系统参数 Ta b 1 P V p o we r g e n e r a t i o n s y s t e m p a r a me t e r s 参数 数值单位 辐照
17、强度 日照时 间 光伏组件温度 大气光学质量 AM 最佳工作 电压 开路电压 输 出电能 母 线电压 电网电压 表 2 M a t c o n t 输入模型参数值 T a b 2 I n p u t p a r a me t e r v a l u e s o f t h e mo d e l i n ma t c o n t 参数 数值 电网线电压 电网频率 E为母线 电压幅值 线路 L的电抗 负荷 系数 K 负荷时问常数 等值电动机负荷的恒定有功 P 。 等值电动机负荷 的恒定无功 Q 。 系统负荷 系数 k =0 4 ,k q = 一0 0 3 ,k : 0 3,k = 一2 8, z=
18、21 。 2 光伏发电出力对 系统电压稳定影响分析 2 1 单机 无穷大系统 负荷对 电压影响 为对 比, 本文采用 m a t c o n t 软件对建立 的光伏发 电、 二阶等值发电机模型进行了仿真 , 首先给 出了单 机无穷大系统不并接发 电机时负荷有功对 电压稳定 的影响, 图2表示单机无穷大系统电压 随 P 变化的 1 O 0 0 9 5 0 9 0 0 8 5 o 8 O 0 7 5 O 7 0 0 图 2 单机无穷大系统电压随 P 1 变化曲线 Fi g 2 Th e v o l t a g e c h a n g e c u r v e o f t h e s i n g l
19、e ma c h i n e i n fin i t e s y s t e m wi t h t h e c h a ng e o f P1 1 2 _ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1期 2 0 1 5年1月 l O日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t I n s t r u m e n t a t i o n VO I 5 2 No 1 J a n 1 0。 2 01 5 图 3分岔 点 的 电压 时域 曲线 Fi g 3 Th e t i me d o ma i n c u r
20、 v e o f t h e v o l t a g e a t t h e b i f u r c a t i o n p o i n t 曲线 , 图 3表示分岔点的电压时域 曲线 。 很显然 , 负荷有功在额定 范围之 内时, 电网线 电 压维持在额定运行值下 ; 当负荷增加 , 母线 电压下 降 直至到 达分岔 点 , 出现 电压 崩溃 , 这是众 所周 知 的 事实。 2 2 等值发电机接入单机无 穷大系统的影响分析 为了解传统发电机并 网后对单机无穷大 的系统 的影响, 图4 、 5 给出了传统发电机并网后负荷变化对 系统母线电压的影响情况 。 图4 含发 电机 系统电压 随负荷变
21、化 曲线 F i g 4 Th e v o l t a g e c ha n g e c u r v e s o f t h e e qu i v a l e n t g e n e r a t o r wi t h t h e c h a n g e o f l o a d l _ 0 O 0 9 8 0 9 6 0 9 4 O 9 2 0 9 0 0 8 8 图 5 含发电机 系统电压随负荷 变化 时域曲线 Fi g 5 Th e t i me do ma i n c Ur v e s o f t h e v o l t a g e c ha ng e o f t h e g e n e
22、r a t o r wi t h t h e c h a n g e o f l o a d 从图中可以看出, 在相同负荷情况下, 并人发电 机后 , 系统母线电压 的稳定性情况 明显改善 , 这也是 必然 的结果 。实际运行 中, 在此点接人发 电机可行 且有 必要 。 各种容量 的光伏 发 电 日益增加 , 新 出台的能源 政策允许 自用有余的光伏发电并人当地电力系统。 显然 , 研究光伏 发电并人 电力系统后所产生 的影响 同样有其重要的参考价值。 2 3 光伏发电接入单机无穷大 系统后的影响分析 将光伏发电按照图 1所示的并网方法接入系统 后 , 图 6 、 7给出了负荷母线电压随负荷
23、变化的曲线。 由图6 、 7中给出的结果可以看到: 在相同的条件 下 , 单机无穷大系统接人光伏发 电后 , 系统 电压稳定 性 同样有明显的增强; 进一步, 在所选定 的光伏发电 系统模型下 , 与等值传统发电机并入后 的情况 相 比, 对 电压稳定 的改善效果更加 明显。这一研究结果提 示 , 自用有余 的光伏发 电并入 电力系统 , 不仅不会对 系统电压稳定造成影响 , 且有改善作用。 图 6含 光伏 的 系统 电压 随 负荷 变化 曲线 F i g 6 T he c ur v e s o f t h e s y s t e m v o l t a g e c h a n g e i n
24、 c l ud i n g p v wi t h t he c ha n g e o f l o a d 图7 含光肤的系统电压随负 荷变化时域曲线 F i g 7 Th e t i me d o ma i n c u r v e s o f t h e s y s t e m v o l t a g e c h a n g e i n c l u d i n g p v wi t l the c h a ng e o f l o a d 2 4 光伏发 电、 等值发 电机 出力变化对 系统 电压的 影响分析 众所周知的事实是 , 光伏发 电在特定 E t 照 的情 况下 , 有相 应 的功率
25、输 出; 在 没有相 应 的储 能调节 一 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1期 2 0 1 5年1月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e nt a l i o n V0 J 5 2 No 1 J a n 1 0, 2 0 1 5 下 , 光伏发 电的出力会 随着 日照条件的变化和夜 晚 的出现发生剧烈 的变化 , 即光伏 发电的 出力是变化 的 , 研究光伏发电的出力大小对 电压稳定性 的影 响, 能够得到更多有益的提示 。 实际运行 中,
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