基于RTDS儲能對光伏發(fā)電PCC電壓影響研究

李 樂，栗文義

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010080)

0 引 言

文獻(xiàn)[4]針對光伏和儲能微電源，并網(wǎng)采用PQ控制方法，實現(xiàn)了含光儲微網(wǎng)并網(wǎng)運行的能量可控性及良好的動態(tài)調(diào)節(jié)性。文獻(xiàn)[5]分析了分布式光伏并網(wǎng)引起的PCC電壓變化機理，針對含儲能分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)提出有功/無功-電壓調(diào)節(jié)的系統(tǒng)控制方案，有效處理了光伏出力驟變、大容量負(fù)載投切、配電網(wǎng)自身擾動等引起的PCC電壓質(zhì)量問題。文獻(xiàn)[6]針對大型光伏電站對PCC電壓穩(wěn)定性造成的影響，利用特征結(jié)構(gòu)法分析大型光伏電站靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[7-9]重點研究儲能平抑光伏功率波動的控制方法，提出集中式、分段式控制思路。文獻(xiàn)[10-12]側(cè)重研究光儲系統(tǒng)中儲能控制、逆變器控制器設(shè)計及光伏電站配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)方法。文獻(xiàn)[13]認(rèn)為儲能設(shè)備兼具隨機負(fù)荷與分布式電源二者對配電網(wǎng)保護(hù)的影響特點，而現(xiàn)存保護(hù)是在傳統(tǒng)配電網(wǎng)運行方式下進(jìn)行的配置與整定，需考慮在原有保護(hù)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。上述文獻(xiàn)在光伏電站波動控制方面取得很多成果，但并未對引起波動的因素作具體分析，如環(huán)境條件以及鄰近負(fù)荷變化對PCC功率、電壓波動的影響程度，也未定量計算儲能對平抑電壓波動的貢獻(xiàn)。

本文基于實時數(shù)字仿真器(real time digital simulator,RTDS)，以內(nèi)蒙古某實際光伏發(fā)電站為例，分析光照強度、環(huán)境溫度以及負(fù)荷突變時對PCC功率、電壓波動的影響，用電壓有效值標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)表征儲能對光伏發(fā)電PCC電壓波動的影響程度。并分析在光儲發(fā)電系統(tǒng)中，PCC點電流保護(hù)設(shè)計中應(yīng)考慮的改進(jìn)措施。

1 光儲發(fā)電模型

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，主要由光伏陣列、逆變器、控制裝置、變壓器組成。光伏電站發(fā)電功率為Ppv，將光伏電池輸出的電流Idc作為輸入，經(jīng)變壓器向電網(wǎng)輸送功率，在電網(wǎng)側(cè)看來，相當(dāng)于接入了一個電流源。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.2 光伏組件數(shù)學(xué)模型

光伏組件數(shù)學(xué)模型如圖2所示。圖中等效電流源Is經(jīng)串聯(lián)等效電阻Rs接入逆變器，該電路從光伏發(fā)電的基本原理出發(fā)，準(zhǔn)確地描述了光伏電池的電壓電流特性[14]。

圖2 光伏組件數(shù)學(xué)模型

其中ID為流過二極管的電流

(1)

式中:I0為二極管飽和電流;n為理想因子；UT為光伏電池?zé)犭妷?；U+IRs為二極管兩端的電壓。

普通教室難以滿足微格教學(xué)的要求，需要在操作教室旁配備一個空教室，以便評論學(xué)生不當(dāng)著操作者面給出客觀的建議，同時有利于操作者在安靜的環(huán)境中觀看自己操作錄像的回放。

其中參數(shù)UT、I0可由式(2)、(3)計算。

(2)

(3)

式中：T表示攝氏溫度；k(1.380650×10-23J/K)為玻爾茲曼常數(shù);q(1.602176×10-19C)為電子電荷量;Nc為光伏電池單體數(shù)量；γ為溫度影響因素；其中Eg為半導(dǎo)體材料能帶間隙;A為飽和電流溫度系數(shù)可由式(4)、(5)求得

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：I0ref為二極管飽和電流參考值;Isc為短路電流值;S為實際輸入光照強度;JT為短路電流溫度系數(shù)。

1.3 鋰電池等效模型

儲能系統(tǒng)主要由鋰電池、逆變器、控制裝置、變壓器組成。鋰電池等效電路模型如圖3所示，性能參數(shù)主要包括輸出直流電壓Uoc和荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)[15]。

圖3 鋰電池等效電路

圖中參數(shù)均為荷電狀態(tài)的函數(shù)，在仿真模型中設(shè)置SOC=50%，Rtran_s、Ctran_s用于等效電池短期暫態(tài)過程的電阻與電容值，Rtran_L、Ctran_L用于等效電池長期暫態(tài)過程的電阻與電容值，數(shù)學(xué)計算如式(9)～(14)所示。

Uoc(SOC)=-1.031e-35·soc+3.685+0.2156SOC-

0.117SOC2+0.3201SOC3

(9)

Rse(SOC)=0.15622-24.37·soc+0.07446

(10)

Rtran_s(SOC)=0.3208e-29.14·soc+0.04669(11)

Ctran_s(SOC)=-752.9e-13.51·soc+703.6(12)

Rtran_L(SOC)=6.603e-155.2·soc+0.04984(13)

Ctran_L(SOC)=-6056e-27.12·soc+4475

(14)

1.4 光儲發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)框圖

如圖4所示，光伏電站為發(fā)電單元，負(fù)荷為用電單元，控制裝置為管理單元，儲能系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷和電網(wǎng)側(cè)功率需求，即可作為發(fā)電單元也可作為用電單元。

圖4 光儲發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)框圖

2 光儲發(fā)電系統(tǒng)控制策略

圖5 PQ控制策略

3 仿真分析

以內(nèi)蒙古某實際光伏發(fā)電站為例，建立了光儲系統(tǒng)并入IEEE9配電網(wǎng)仿真模型，光伏電站容量10MW，鋰電池組容量為6MW，經(jīng)35kV中壓網(wǎng)在節(jié)點6處接入220kV升壓站，算例系統(tǒng)接線如圖6所示[17]。

圖6 算例系統(tǒng)接線圖

光照強度為1000W/m2,溫度為25℃，負(fù)荷初始有功需求為5kW。儲能系統(tǒng)接入前后，光伏電站有功功率PVs和PCC有功功率PDG如圖7所示[18]。

圖7 光伏電站與PCC有功功率

當(dāng)各影響因素不變時，儲能系統(tǒng)接入后，PCC功率波動幅度降低，但變化并不明顯。因為：①IEEE9節(jié)點系統(tǒng)容量與儲能容量相比較大，接入儲能對PCC點功率平抑效果不顯著；②PCC點功率正常情況已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，接入儲能系統(tǒng)后，功率交換不明顯，無法體現(xiàn)出儲能的優(yōu)越性。PCC電壓波形以及電壓有效值波形如圖8、圖9所示。

圖8 PCC電壓波形

圖9 PCC電壓有效值

可見，儲能接入后電壓波動幅度已明顯減小，且波峰、波谷最大尖點均已有變平痕跡。

3.1 光照強度變化影響

當(dāng)光照強度由1000W/m2突變?yōu)?00W/m2時，光伏電站與PCC有功功率急劇波動，如圖10所示，因受光照強度突然下降影響，在無儲能系統(tǒng)接入時，光伏電站有功功率急劇下降，并網(wǎng)點功率也隨之大幅下降，瞬間轉(zhuǎn)為逆功率運行，因系統(tǒng)中發(fā)電機組具有調(diào)節(jié)功率穩(wěn)定的作用，故光伏電站出口處與PCC有功功率逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。儲能系統(tǒng)接入后，顯著降低了PCC有功功率波動，有利于穩(wěn)定并網(wǎng)點電壓，且PCC點功率從最小值-14MW提高到-4.4MW，表明儲能有助于抑制PCC逆功率運行。

圖10 光照強度減弱時光伏電站與PCC有功功率

PCC電壓有效值如圖11所示，儲能系統(tǒng)接入后，平抑效果顯著，0.1s以后電壓已穩(wěn)定。

圖11 光照強度減弱時PCC電壓有效值

當(dāng)光照強度由1000W/m2突變?yōu)?200W/m2時，光伏電站與PCC有功功率瞬時大幅波動，如圖12所示。儲能系統(tǒng)接入后，顯著穩(wěn)定了PCC有功功率輸出。

圖12 光照強度增強時光伏電站與PCC有功功率

PCC電壓有效值如圖13所示，儲能系統(tǒng)對PCC電壓穩(wěn)定效果顯著。

圖13 光照強度增強時PCC電壓有效值

3.2 環(huán)境溫度變化影響

當(dāng)溫度由25℃突變?yōu)?℃時，光伏電站與PCC有功功率急劇波動，儲能系統(tǒng)接入后，PCC功率基本穩(wěn)定，如圖14所示。

圖14 溫度降低時光伏電站與PCC有功功率

PCC電壓有效值如圖15所示。由圖可知，儲能系統(tǒng)有效降低了PCC的電壓波動幅度，提高了PCC電能質(zhì)量。

圖15 溫度降低時PCC電壓有效值

當(dāng)溫度由25℃突變?yōu)?0℃時，光伏電站與PCC有功功率如圖16所示，儲能接入后，PCC有功功率波動幅度降低。

圖16 溫度升高時光伏電站與PCC有功功率

PCC電壓有效值如圖17所示，電壓波動幅度較儲能系統(tǒng)接入前有所減小。

圖17 溫度升高時PCC電壓有效值

3.3 負(fù)荷影響

當(dāng)有功負(fù)荷突然由5kW變?yōu)?MW時，并網(wǎng)點有功功率急速下降，如圖18所示，儲能系統(tǒng)接入后可以提供因負(fù)荷突變所需的有功功率，所以下降幅度明顯改善。

圖18 光伏電站與PCC有功功率

PCC電壓有效值如圖19所示，明顯看出儲能系統(tǒng)有利于降低PCC電壓波動。

圖19 PCC電壓有效值

3.4 PCC電壓有效值數(shù)據(jù)分析

標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation)為一組數(shù)據(jù)平均值分散程度的度量，一個較大的標(biāo)準(zhǔn)差，代表大部分?jǐn)?shù)值和其平均值之間差異較大，即標(biāo)準(zhǔn)差可以很好地反映電壓的波動程度。上述各仿真的PCC電壓有效值標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，當(dāng)光照強度從1000W/m2突變?yōu)?200W/m2時，儲能可以有效穩(wěn)定并網(wǎng)點電壓波動約為36.17%；而從1000W/m2突變?yōu)?00W/m2時，儲能可以有效穩(wěn)定并網(wǎng)點電壓波動約為30.45%。環(huán)境溫度從25℃突變?yōu)?℃，儲能可以有效穩(wěn)定并網(wǎng)點電壓波動約為35.41%；從25℃突變?yōu)?0℃，提高為35.35%。當(dāng)有功負(fù)荷突然由5kW變?yōu)?MW,儲能可以有效穩(wěn)定并網(wǎng)點電壓波動約為31.31%?？梢?，儲能系統(tǒng)對并網(wǎng)點電壓瞬時波動平抑效果顯著，幅度達(dá)30.45%以上，且光伏出力越大，儲能系統(tǒng)對抑制并網(wǎng)點電壓波動效果越明顯。

表1 電壓有效值標(biāo)準(zhǔn)差

3.5 儲能接入對PCC電流保護(hù)的影響

儲能系統(tǒng)的接入會對PCC點的電流保護(hù)產(chǎn)生一定的影響，需在原有保護(hù)上加以改進(jìn)。儲能設(shè)備通過隨時切換充放電狀態(tài)實現(xiàn)對配電網(wǎng)的快速響應(yīng)與動態(tài)調(diào)節(jié)。在PCC點發(fā)生A-B相間短路故障時，PCC點A相CT波形IBURA如圖20所示，瞬間會使PCC點CT的諧波分量增大，故在PCC點的過電流保護(hù)設(shè)計時，應(yīng)考慮增加諧波突增判據(jù)措施，用以彌補電流保護(hù)靈敏度不足[19]。

圖20 PCC點A相CT波形

4 結(jié) 論

本文基于RTDS實時仿真平臺，建立了光儲系統(tǒng)并入IEEE9配電網(wǎng)仿真模型，分析改變不同因素時，儲能系統(tǒng)對光伏電站PCC電壓及功率波動的影響。結(jié)果表明：

① 所建模型能夠較準(zhǔn)確地分析光照強度、溫度以及負(fù)荷變化，儲能系統(tǒng)接入對光伏電站PCC電壓波動及逆功率具有平抑作用。

② 儲能系統(tǒng)接入可有效降低光伏電站PCC電壓波動，提高并網(wǎng)電壓電能質(zhì)量，且需改進(jìn)PCC原電流保護(hù)。

③ 儲能系統(tǒng)的接入對PCC電壓波動降低效果顯著，且光伏出力越大，儲能系統(tǒng)對抑制PCC電壓波動效果越明顯。

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