基于Matlab的分布式光伏并网发电系统对配电网电能质量的影响

《光伏发电与并网技术》课程学习报告题 目：基于 Matlab 的分布式光伏并网发电系统对配电网电能质量的影响姓 名：赵晨班 级：14 级自动化*班学 号：2014******指导老师：王伟提交日期：2016.1.18- 1 -目 录摘要 2一、背景与简介 3二、并网电能质量问题分析 32.1 电能质量概述 32.2 光伏并网发电系统入配电网电能质量问题分析 42.2.1 谐波问题 .42.2.2 直流偏置问题 .5三、电能质量分析方法 63.1 仿真软件 Matlab 简介 .63.2 仿真模型的搭建 63.2.1 引言 63.2.2 光伏阵列 .73.2.3 最大功率跟踪器 .93.2.4 逆变器及其控制电路 .93.2.5 滤波器 .103.3 基于 Matlab 的电能质量分析 .103.3.1 分析 .103.3.2 仿真实施 .113.3.3 并网位置对电能质量的影响 .143.3.4 并网容量对电能质量的影响 .16四、结论与展望 17五、参考文献 18- 2 -基于 Matlab 的分布式光伏并网发电系统 对配电网电能质量的影响摘 要：随着全球能源危机和环境污染的日益严重，开发和利用清洁的可再生能源势在必行。太阳能是当前世界上最清洁、最具有大规模开发前景的可再生能源之一。太阳能的利用因此受到世界各国的普遍关注，其中光伏并网发电是太阳能利用的主要发展趋势，必将得到快速的发展。而在光伏发电技术中，并网及其对电能质量的影响则是一个重要的研究领域。本报告首先搭建了基于 Matlab-Simulink 的分布式光伏并网发电系统和具体的配电网的仿真模型，然后在此基础上，从电压偏差和节点电压和负荷电流的谐波含量角度，定量分析了分布式光伏并网发电系统的并网位置和并网容量对配电网电能质量的影响。关键词：分布式光伏并网发电系统；Matlab；电能质量；电压偏差- 3 -一、 背景与简介随着全球能源危机和环境污染的日益严重，开发和利用清洁的可再生能源势在必行。太阳能是当前世界上最清洁、最具有大规模开发前景的可再生能源之一。太阳能的利用因此受到世界各国的普遍关注。在我国，光伏发电在电能生产中所占比重也正在不断上升。同时，光伏发电的广泛应用也对传统的电力系统产生很大的影响，包括配电网的电能质量、系统稳定性、潮流、继电保护等方面。因此，通过研究光伏发电对配网电能质量的影响将更好地指导我们如何更加充分地发挥光伏发电的优势，并对其进一步发展和应用有重大的帮助。配电网是整个电力传输的重要组成部分，其从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施就地分配或按电压逐级分配给各类用户的电力网，配电网是与用户关系最密切的部分，是向用户提供优质电力的直接保证。随着人们对于新能源发电的关注，大量的分布式发电系统接入配电网。分布式光伏并网发电系统运行中会向配电网注入谐波和直流分量，对配电网的安全运行和用电设备的正常工作造成的危害与影响不断增加，造成配电网质量问题日益突出。与此同时，电力用户对于电能质量要求不断提高，促进电力及相关部门采取积极有效的措施来保证配电网高质量电能的供应。因此，对于分布式光伏并网发电接入配电网引起的电能质量问题有待进一步研究。目前，很多文献对于分布式光伏发电系统接入配电网所产生的电能质量方面的影响进行了较为深入的研究。对于定量分析，研究方式主要是仿真，包括RTDS、EMTDC /PSCAD、Matlab 等。本报告基于 Matlab-Simulink，建立分布式光伏并网发电系统和具体的配电网的仿真模型，然后在此基础上，从电压偏差和节点电压和负荷电流的谐波含量角度，定量分析了分布式光伏并网发电系统的并网位置和并网容量对配电网电能质量的影响。二、并网电能质量问题分析2.1 电能质量概述目前，世界上对于电能质量的要求和定义都不尽相同，各国根据自己的实际- 4 -出发，对电能质量有着不同的理解与要求。但从供电企业的角度来看，电能质量是指电力企业提供的电能指标符合标准并满足供电的可靠性；从电力用户的角度来看，电能质量问题是指所有引起用户电力使用不正常的扰动；从工程实际应用的角度看，电能质量的定义可以进一步具体分解，其内容可以分解成以下几个方面进行解释：（1）电压质量。主要是反应实际电压与理想电压之间的偏差，以界定供电企业向电力用户分配的电能是否合格。电压质量主要包括偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压瞬变、波动与闪变现象、电压骤降、欠电压、电压谐波和陷波等。（2）供电质量。主要包括技术含义的方面和非技术含义的方面。其中，技术含义的方面包括：电压质量和供电可靠性；非技术含义的方面包括：供电企业对电力用户对于供电企业投诉反应速度和电力价格的透明度等。综上所述，对于电能质量的定义概括起来主要有以下几种：定义 1：合格的电能质量是指，提供给敏感设备的电力和为其设备的接地系统均适合于该设备正常工作。定义 2：造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题，其表现为电压、电流或者频率偏差。定义 3：电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是很顶频率和恒定幅值的正弦波电压和连续电压。2.2 光伏并网发电系统入配电网电能质量问题分析2.2.1 谐波问题（1）产生原因分布式光伏并网发电系统一般通过逆变器进行并网，逆变器在运行中，为了防止逆变器桥臂上、下开关管直通，一般都要在控制开关信号中加入死区进行控制，这样使得同一桥臂上的上、下两管在死区时间内两开关都处于关断状态，由于电感的存在，在死区时间内，逆变器的输出电压由电感电流决定。由于死区的存在，因此，逆变器输出的实际 PWN 波形与控制的理想 PWM 波形有一定的误差存在，两者之差是一组包络线为正负对称方波，对于方波，其即有基波分- 5 -量，又有大量的谐波分量，同时由于开关元件的特性，在开关频率整数倍次附近含有较严重的高频谐波。（2）危害1） 降低配电网输电效率。在配电网线路中存在线路阻抗， 谐波电流在配电网线路中的流动负载线路阻抗上产生功率的损耗。 在一般情况下， 配电网中不会存在较大的电流畸变。 但是在分布式光伏并网系统接入配电网以后，其逆变器在运行的过程中会产生高频谐波。 而集肤效应的存在，会使得谐波阻抗比基波阻抗增加，因此造成功率损耗的增加，造成配电网中出现线损的现象，降低了配电网输电效率。2）增加电晕损耗 。在配电网建设的过程中大多是通 过架空线路来实现的，架空线路会产生电晕。 电晕的大小和配电网电压峰值有着密切的关系。 配电网系统在正常运行的情况下，电压基波都不会超过电压指标的要求。 在分布式光伏并网发电系统接入配电网以后，会产生高频的谐波，谐波的存在会使得电压峰值超过额定值，从而产生电晕，增加电晕损耗。3）营销电缆的使用寿命 。 在配电网中 ，很多的线路都是采用的电缆， 谐波如架空路线一样会对配电网中的线缆造成影响，还会造成成配电网输出电压出现尖峰的情况。 在出现电压尖峰的时候，会造成电缆绝缘层出现迅速老化的现象，并导致局部放电，增加线缆温度，直接影响到了线缆的正常使用，缩短了线缆的正常使用寿命。 在正常情况下，额定电压越高，谐波对线缆的危害也就越大。 配电网系统中的线缆存在分布电容，当线缆中电容和电感接触后引起谐波，从而加重了谐波对电缆的危害，在很大程度上缩短了线缆的使用寿命。4）影响居民的用电安全 。 在居民的用电中 ，存在计算机 、荧光灯等大量谐波的家电用器， 这些谐波会从配电网中的零线中流过，而零线的导电的性能不强。 如果有大量的谐波电流流过谐波时，就会造成零线线路损耗，导线就发热，从而导致导线绝缘老化，如果在严重的情况下，导线还会出现绝缘失效的现象引发短路，从而会引发火灾等事故，直接威胁到了用电用户的生命和财产安全。2.2.2 直流偏置问题- 6 -在分布式光伏并网发电系统，逆变器基准正弦波的直流分量、控制电路中运算放大器的零点漂移、开关管本身及其驱动电路不一致等诸多因素，都会导致逆变器输出电压产生直流分量。大型分布式发电系统的开启和停止、分布式发电设备输出功率的变化、分布式发电的反馈环节电压控制的设备和分布式发电的相互影响等， 都有可能导致配电网的电压发生变化。 目前而言，配电系统一般都是辐射状、单向潮流的结构。三、电能质量分析方法3.1 仿真软件 Matlab 简介Matlab 具有强大的科学计算功能，已经成为动态系统仿真等方面基本分析工具。Matlab 可以用复频域的传递函数甚至函数程序表示复杂的控制功能，使研究者在不必明知实际电路的情况下，通过不断修改仿真参数进行优化，直至满足期望稳态和动态响应，因此 Matlab 在电力电子的建模与仿真分析中得到了广泛应用。Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。本报告利用 Matlab 中 Simulink，Simu-link Extra 和 SimPowerSystems 等模块库中的基本单元，建立了对课题的仿真实验平台。3.2 仿真模型的搭建3.2.1 引言按照能量转换方式，分布式光伏发电系统分为单级式光伏发电系统和两级式- 7 -光伏发电系统。本报告中采用两级式光伏发电系统，主要由光伏阵列、MPPT控制器、Boost 转换器、逆变器、逆变器控制器以及滤波器组成。同时假定分布式光伏发电系统接入 IEEE16 节点系统。仿真模型结构如图 3.1 所示图 3.1 仿真模型结构示意图- 8 -3.2.2 光伏阵列根据电子学理论，光伏电池的等效电路，如图 3.2 所示。根据图 3.2，忽略电容 C，可以得到光伏电池的 I-V 特性曲线方程：（1）图 3.2 光伏电池等效电路图式（1）由于能较大程度还原光伏电池的基本原理，所以已被广泛应用于光伏电池的理论分析中，但由于表达式中的 5 个参数确定起来十分困难，也不是光伏电池供应商向用户提供的技术参数，因此不便于工程应用。在式（1）的基础上，对电路模型进行简化处理，推导出一个实用的工程用数学模型。即：（2）- 9 -该模型仅需要光伏电池供应商提供四个重要技术参数 Im、Isc 、Vm 和 Voc，就能在一定的精度下复现出光伏电池的 I-V 特性。由于单个光伏电池的输出功率很小，实际应用的光伏阵列通常是由大量光伏电池串并联组成，对单个光伏电池的模型进行推广即可得到式(3)所示的光伏阵列的工程用数学模型。(2)3.2.3 最大功率跟踪器在光伏并网发电系统中，光伏电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高光伏电池的转换效率，使其输出功率达到最大。目前，较为常用的最大功率点跟踪方法有扰动观察法和电导增量法两种。其中，扰动观察法的结构简单、被测参数少、容易实现; 而电导增量法控制较精确、响应速度较快，在外界环境发生迅速变化时，其动态性能和跟踪特性方面比扰动观察法好。采用的方法是将扰动观察法与 Boost 转换器结合，二者联合起来对最大功率点进行跟踪，即通过扰动观察法改变 Boost 转换器中功率开关管的占空来调整、控制光伏电池工作在最大功率点，进而实现最大功率跟踪控制。其工作原理可简述如下：在原有的光伏电池输出电压上增加一个扰动，通过实时采样光伏电池的输出电压和输出电流，计算出瞬时功率，然后与上一次采样得到的功率进行比较，根据瞬时功率增减变化情况，动态地改变 Boost 转换器的占空比来调节光伏电池工作电压，使其向着最大功率点的方向移动，以达到逼近最大功率点的目的。3.2.4 逆变器及其控制电路并网逆变器是光伏并网发电系统的一个重要组成部分，并网逆变器按调制电平可以分为两电平、三电平和多电平逆变器; 按输入输出是否隔离可以分为隔离型和非隔离型; 按拓扑结构可以分为组合式、半桥式和全桥式逆变器。本文采用的是三相全桥式并网逆变器，这种拓扑结构简单可靠，易于控制，直流电压利用率高，适合大功率逆变的场合。由于光伏并网发电系统并入电网需要满足 3 个条件，即电压幅值相同、频率相同、相角相同，所以必须应用逆变器控- 10 -制电路使其满足并网条件。目前，应用比较广泛的三相光伏逆变器的控制方式主要是双环控制方式。在双环控制方式中，内环控制主要进行精细的调节，提高逆变器输出的电能质量，一般动态响应比较快; 外环控制主要针对不同的控制目的，产生内环控制所需要的参考信号，一般动态响应比较慢。本文采用图 3.3 所示的同步 PI 电流控制方式，即在同步旋转坐标系下，采用前馈解耦控制方法，以固定开关频率实现交流侧电流控制。该控制方式结构简单，参数设计容易，便于实现。其原理简述如下:首先对upvref-upv 进行 PI 控制获到 idref，并且调节 iqref 来改变光伏逆变器输出的无功功率，然后分别对 idref-id 和 iqref-iq 进行 PI 控制获得 umd 和 umq，再将 umd 和 umq 进行 Park反变换得到逆变器驱动装置所需信号，最终实现对并网逆变器的控制。图 3.3 同步 PI 电流控制方式原理图3.2.5 滤波器由于逆变器输出的电压中含有一定程度的谐波，所以，在光伏并网发电系统中需要滤波器对其进行滤波。一般地，并网滤波器有三种电路拓扑结构即 LCL型、LC 型、L 型。针对这三种不同结构的并网滤波器，所采用的逆变器控制方式也会有所不同。本文采用的是 L 型并网滤波器，其结构简单，参数设计较为容易。3.3 基于 Matlab 的电能质量分析- 11 -3.3.1 分析基于上文所搭建的仿真模型，下面将通过仿真实验定量分析分布式光伏发电系统接入 IEEE16 节点配电网后对电能质量所产生的影响。IEEE16 节点配电网的额定电压为 23kV，其总有功负荷和无功负荷分别为 28.7MW 和 17.3MVar，节点 1-3 为电源节点，考虑到线路上的电压损耗，所以仿真中设定电源节点的额定电压比电网的额定电压高 4% 。仿真中，从节点电压偏差、节点电压谐波含量、负荷电流谐波含量的角度，分析光伏并网发电系统的并网位置和接入容量对配电网电能质量的影响。3.3.2 仿真实施为了研究光伏并网发电系统接入配电网之后对电网电能质量的影响，首先，必须知道在未接入光伏并网发电系统的情况下 IEEE16 节点配电网的电能质量。所以，对此种情况进行仿真，使用 Matlab 仿真图如图 3.4、3.5、3.6。图 3.4 光伏并网发电系统仿真结构图- 12 -图 3.5 单个光伏并网发电系统电路等效图图 3.6 控制模块结构图仿真结果如图 3.7 所示。- 13 -图 3.7 仿真结果图- 14 -由图 3.7 可知，在没有光伏发电系统接入 IEEE16 节点配电网时，由于没有外来注入谐波源，仅线路本身存在很小的电感，所以，无论是负荷电流还是节点电压，都基本不含谐波。至于电压偏差，由于线路上存在电压损耗，所以各个节点必然会有一定的电压偏差。3.3.3 并网位置对电能质量的影响将容量为 5.74MW 的光伏发电系统接入节点 12，通过与未接入光伏系统进行比较，可以发现，只有馈线 2 上各个节点的电压偏差和电压总谐波含量以及各个节点所供负荷的电流总谐波含量受到影响，馈线 1 和馈线 3 上的各个节点及其所供负荷的相应指标几乎没有受到影响。限于篇幅，本文仅以电压偏差为例作图来说明该规律，如图 3.8 所示。图 3.8 从节点 12 并入电网时的电压偏差基于上述规律，下面在馈线 2 上的不同节点接入光伏发电系统，探讨并网位置对电网电能质量的影响，如图 3.9 所示。- 15 -图 3.9 并网位置对电能质量的影响- 16 -由图 3.9 可知，对于电压偏差，随着并网位置逐渐靠近线路末端，该指标逐渐降低，而且当并网位置为节点 10 时，该指标较好; 对于节点电压总谐波含量，并网位置越靠近线路末端，该指标越大; 对于负荷电流总谐波含量，同样可以得到与电压总谐波含量相似的结论。3.3.4 并网容量对电能质量的影响文中按照整个配电网所供负荷总容量的 20% 、30% 、40% 、50% ( 即5.74MW、8.61MW、11.48MW、14.35MW) 来设置光伏系统的并网容量，并且将其从节点 7 接入电网，从而探讨改变光伏系统的并网容量对电网电能质量的影响，如图 3.10 所示。- 17 -图 3.10 并网容量对电能质量的影响由图 3.10 可知，对于电压偏差、电压总谐波含量以及负荷电流总谐波含量 3个指标，随着光伏系统并网容量的增加，在总体上它们都随之增加。而且，可以发现，越接近并网位置的节点，其电能质量所受影响越大，其中所受影响最大的便是并网节点。四、结论与展望随着我国可再生能源发展规划和国家支持光伏发电并网政策的不断出台和落实，越来越多的分布式光伏发电系统并入配电网，为我国经济社会发展和电力供应做出了重大贡献。分布式光伏发电系统并网发电同时，对配电网的安全运行和用电设备的正常工作造成的危害与影响不断增加，造成配电网电能质量问题日益突出。与此同时，电力用户对于电能质量要求的不断提高。因此，研究分布式光伏发电系统并入配电网的电能质量分析方法，为电能质量的检测和后续电能质量的治理提供重要支持，是电力行业面临的重要课题。本报告采用 IEEE16 节点配电网，通过 Matlab 进行仿真，分析了分布式光伏发电系统的并网位置和并网容量对配电网电能质量的影响，得到以下几点结论：(1)当光伏系统接入某一节点时，其只对这个节点所在馈线的各个节点的电能质量产生影响，对于其他馈线上的节点的电能质量几乎没有影响；- 18 -(2)并网位置越接近线路末端或者并网容量越大，光伏系统对节点的电能质量影响越大，而且离并网位置越近的节点所受影响也越严重；(3)当选择光伏系统的容量时，应根据负荷的情况，尽量按照就地消耗的原则来选择其容量；(4)由于光伏系统自身也会吸收一定的无功，所以应为光伏系统配备一定量的无功补偿装置，以满足其对无功的需求，从而使光伏系统的功率因数接近于1。五、参考文献[1] 肖湘宁，等. 电能质量分析与控制[M] .中国电力出版社， 2010.[2] 韩智海. 分布式光伏并网发电系统接入配电网电能质量分析［D］ ．济南: 山东大学，2013．[3] 韩富佳，王淳. 基于 Matlab 的分布式光伏并网发电系统对配电网电能质量的影响［D］ ．济南: 山东大学，2013．[4] 吴兴龙. 光伏并网对配电网的影响［D ］ ．合肥: 合肥工业大学， 2013．[5] 王兆安，刘进军. 电力电子技术[M]. 机械工业出版社， 2009.