CN110556857A - 基于集电网络模型的分布式光伏并网点电压计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于集电网络模型的分布式光伏并网点电压计算方法：建立光伏出力模型；建立集电网络模型；光伏电站并网点电压分析。本发明研究了并网点电压和站内各光伏发电单元出口电压的影响因素。

Description

基于集电网络模型的分布式光伏并网点电压计算方法

技术领域

本发明涉及一种电压计算方法，更具体的说，是涉及一种基于集电网络模型的分布式光伏并网点电压计算方法。

背景技术

光伏发电作为可再生能源的主要利用形式发展迅速并获得规模化应用，其并网引起的无功电压问题备受关注。提升分布式光伏电站无功电压控制能力不仅能保证系统的安全稳定运行，且有利于提升光伏发电的利用效率，避免因电压问题造成弃光。因此光伏电站电压波动机理和影响因素及光伏电站的站内无功电压优化控制策略的研究，对于保证光伏电站的安全稳定运行具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种光伏站并网点电压计算方法，以分布式光伏电站并入无穷大电网为研究对象，建立了考虑电站内部集电线路，箱式变压器以及输电线路阻抗的光伏电站稳态运行模型，在此模型的基础上，研究了并网点电压和站内各光伏发电单元出口电压的影响因素。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明基于集电网络模型的分布式光伏并网点电压计算方法，包括以下步骤：

第一步：建立光伏出力模型

光伏电池板输出特性采用常用的工程用数学模型表示：

式中，I′_sc、U′_oc、I′_m、U′_m分别表示光伏电池板在实际工况下的短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压；I_sc、U_oc、I_m、U_m分别表示光伏电池板在额定工况下的短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压，额定工况下的参数由光伏电池板厂家给出；S表示实际光照强度；S_ref表示参考光照强度，取1000W/m²；

采用电池板串并联地方式获取大功率和较高地直流电压，直流电能再经直流链电容送入逆变器，转换为交流电；逆变器设置最大功率跟踪控制方式，忽略逆变器的动态特性，认为光伏系统始终工作在最大功率状态下；考虑到逆变器的损耗，逆变器有功出力表示如下：

P_pv＝ηN_pU′_mI′_m (1.2)

其中，N_p为每台光伏逆变器所串并联的电池板个数；η为逆变器效率；

将光伏发电单元等效为PQ节点，其中，P表示光伏发电电压的有功出力，由上式计算，Q表示光伏发电电压的无功出力，由上级控制系统给出；

第二步：建立集电网络模型

光伏电站集电网络包括远距离输电线路、升压站主变压器、集电线路以及箱式变压器，结合光伏出力模型，将电路原件等效为无源二端口网络表示的集中参数模型；

其中，远距离输电线路采用π型等效，忽略对地电导，其等效阻抗其中l_g为并网点到无穷大电网之间的距离，r_g、x_g、b_g分别为输电线路每公里的电阻、电抗和对地电纳值；

相邻两组光伏发电单元之间的集电线路参数可表示为其中l_i为同一条集电线路中第i组光伏发电单元与第i-1组光伏发电单元之间的距离，r_i、x_i分别为该处的集电线路每公里的电阻值和电抗值，漏阻抗和激磁导纳忽略不计；

光伏发电单元升压变压器，忽略其激磁支路，其漏阻抗计算方式如下：

其中，P_k为短路损，单位kW；U_d％表示短路电压比；S_N为变压器额定容量，单位MVA；U_N为额定电压，单位kV；

第三步：光伏电站并网点电压分析

光伏电站有功功率的波动会导致并网点电压波动，为进一步研究并网点电压的影响因素，建立光伏电站等效聚合模型，将整个光伏电站等效为PQ节点，研究其并网点电压U_POI与总输出功率之间的深层关系；

以无穷大电网电压U为参考，并网点电压U_POI表示为(以下计算过程均以标么值进行分析)：

其中，P_g、Q_g为并网点处经传输线路向电网输送的有功功率和无功功率；R_g、X_g分别为送出线路的阻抗；

考虑到电站内部集电线路及升压变压器有功损耗和无功损耗，光伏电站发出功率与线路传送功率有如下关系：

其中，P_pv、Q_pv分别表示光伏电站所发出的总的有功功率和无功功率；R_equ、X_equ分别为光伏电站内部箱式变压器、主变压器和集电线路的等效阻抗；Q_c为SVG的无功输出；

将式(1.5)、(1.6)带入式(1.4)，不考虑电压降落的横分量，得

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：建立了考虑电站内部集电线路，箱式变压器，主变压器以及输电线路阻抗的光伏电站稳态运行模型，在此模型的基础上，研究了并网点电压和站内各光伏发电单元出口电压的影响因素，并通过仿真计算，分析了不同光照强度下并网点电压和站内各光伏发电单元出口电压的波动范围和变化趋势。

附图说明

图1是光伏发电单元等效示意图；

图2是光伏电站等效电路示意图；

图3是光伏电站并入电网示意图；

图4是计算模型示意图；

图5是不同光照下并网点电压示意图；

图6是不同光伏发电单元出口电压示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

光伏发电单元一般由500kW逆变器并联组成，通过箱式变压器接入集电线路，光伏电站应充分利用逆变器的无功容量对电压进行调节，但当光照充足时，逆变器接近满发，无功容量较小，此时无法支撑并网点电压，所以还应在变压器低压侧安装集中式无功补偿装置。

本发明基于集电网络模型的分布式光伏并网点电压计算方法，具体包括以下步骤：

第一步：建立光伏出力模型

光伏电池板的电气特性受到光照强度、风速、温度等环境因素的影响，其中风速和温度的影响较小，所以此处建立光伏出力与光照强度S之间的数学模型。光伏电池板输出特性采用常用的工程用数学模型表示：

式中，I′_sc、U′_oc、I′_m、U′_m分别表示光伏电池板在实际工况下的短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压；I_sc、U_oc、I_m、U_m分别表示光伏电池板在额定工况下的短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压，额定工况下的参数由光伏电池板厂家给出；S表示实际光照强度；S_ref表示参考光照强度，取1000W/m²。

一般采用多组电池板串并联的方式获取大功率和较高的直流电压，直流电能再经直流链电容送入逆变器，转换为交流电。为提高光伏电池利用率，逆变器多设置最大功率跟踪控制方式。忽略逆变器的动态特性，可认为光伏系统始终工作在最大功率状态下。考虑到逆变器的损耗，逆变器有功出力可表示如下：

P_pv＝ηN_pU′_mI′_m (1.2)

其中，N_p为每台光伏逆变器所串并联的电池板个数；η为逆变器效率。

将光伏发电单元等效为PQ节点，等效方式如图1所示。其中P_i，Q_i分别表示第i组光伏发电电压的有功出力和无功出力，P_i由式(1.2)计算，Q_i由上级控制系统给出。

第二步：建立集电网络模型

光伏电站集电网络包括远距离输电线路、升压站主变压器、集电线路以及箱式变压器，结合光伏出力模型，将电路原件等效为无源二端口网络表示的集中参数模型。

其中，远距离输电线路采用π型等效，忽略对地电导，其等效阻抗其中l_g为并网点到无穷大电网之间的距离，r_g、x_g、b_g分别为输电线路每公里的电阻、电抗和对地电纳值。

由于集电线路多采用电缆，工作电压较低，所以线路电纳可以忽略不计，因此相邻两组光伏发电单元之间的集电线路参数可表示为其中l_i为同一条集电线路中第i组光伏发电单元与第i-1组光伏发电单元之间的距离，r_i、x_i分别为该处的集电线路每公里的电阻值和电抗值，分布式光伏并网电压较低，漏阻抗和激磁导纳忽略不计。

光伏发电单元升压变压器容量较小，忽略其激磁支路，其漏阻抗计算方式如下：

其中，P_k为短路损，单位kW；U_d％表示短路电压比；S_N为变压器额定容量，单位MVA；U_N为额定电压，单位kV。

结合光伏出力模型，可以得到如图2所示的光伏电站等效电路模型。

第三步：光伏电站并网点电压分析

光伏电站有功功率的波动会导致并网点电压波动，为进一步研究并网点电压的影响因素，建立光伏电站等效聚合模型，将整个光伏电站等效为PQ节点，研究其并网点电压U_POI与总输出功率之间的深层关系。根据图3可得光伏电站并入电网简化示意图。

以无穷大电网电压U为参考，并网点电压U_POI可表示为(以下计算过程均以标么值进行分析)：

其中，P_g、Q_g为并网点处经传输线路向电网输送的有功功率和无功功率；R_g、X_g分别为送出线路的阻抗；U_POI为主变压器高压侧，即并网点电压；U为无穷大电网电压。

考虑到电站内部集电线路及升压变压器有功损耗和无功损耗，光伏电站发出功率与线路传送功率有如下关系：

其中，P_pv、Q_pv分别表示光伏电站所发出的总的有功功率和无功功率；R_equ、X_equ分别为光伏电站内部箱式变压器、主变压器和集电线路的等效阻抗；Q_c为SVG的无功输出；

将式(1.5)、(1.6)带入式(1.4)，不考虑电压降落的横分量，可得

算例：

为验证上述分析结果，采用某60MW光伏电站为计算算例进行计算，光伏电站拓扑结构如图4所示。该光伏电站总装机容量60MW，共有4回集电线路，每回集电线路串联10组光伏发电单元，每组光伏发电单元容量1.5MW，由三台500kW逆变器并联组成。直流侧采用24块光伏电池板串联，3串并联，交流侧通过0.27kV/10±2×2.5％kV箱式变压器升压至10kV接入集电线路，箱式变压器容量1.5MVA，各组光伏发电单元箱式变压器具有相同参数。逆变器效率99％。相邻两组光伏发电单元之间距离为1.2km，选用YJV23-8.7/10、3×150mm²电缆连接。主变压器容量60MW，变比10.5kV/121±8×1.25％kV，远距离输电线路长80km，导线型号为LGJ185。SVG容量为4Mvar-6Mvar。

集电线路与长距离输电线路详细参数如表1.1所示，箱式变压器以及主变压器参数如表1.2所示，光伏电池板参数如表1.3所示。

表1.1线路参数

表1.2变压器参数

表1.3光伏电池板参数

某地区典型日光照曲线如图5中虚线所示所示，假设逆变器工作在单位功率因数并网状态下，且SVG未投入。

某时刻的并网电压计算如下：

第一步，根据式1.1计算光伏板输出特性：

第二步，根据式1.2计算光伏出力：

P_pv＝ηN_pU’_mI’_m

＝0.99×24×4.18×7.866

＝781.23

第三步，根据式1.7计算并网点电压：

重复第一步至第三步，分别计算某天其他时刻并网点电压情况，结果如图5所示。由图可知，在9点到10点之间，随着光照强度的增加，并网点电压逐渐上升，在10：00时达到全天内的最大值1.03pu，随着光照强度继续增加，并网点电压逐渐下降，光照强度在下午两点钟时刻上升到最大值938W/m²，此时并网点电压也降低至全天最低值0.973pu，靠近规定的下限值。在13：30和15：00时刻，光照发生波动，此时并网点电压也发生相应的剧烈波动，不利于电站的安全稳定运行。

图6为电站内部某条集电线路中不同位置光伏发电单元并网电压变化情况。其中光伏发电单元组号按照到升压站距离由小到大依次排列，1号距升压站最近，10号距升压站最远。由图可知，光伏发电单元出口电压随着到并网点距离的增加而增加，在空间上呈现较强的分散特性。光照强度为200W/m²时，由于光伏出力较小，各发电单元之间电压都在参考值附近，当光照强度分别为600W/m²和900W/m²时，1号光伏发电单元电压分别为1.029pu，0.968pu；10号光伏发电单元并网电压分别为1.079pu，1.051pu。可知，距离并网点近的光伏发电单元易发生低压脱网事故，距离并网点远的光伏发电单元易发生高压脱网事故。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于集电网络模型的分布式光伏并网点电压计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：建立光伏出力模型

光伏电池板输出特性采用常用的工程用数学模型表示：

式中，I′_sc、U′_oc、I′_m、U′_m分别表示光伏电池板在实际工况下的短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压；I_sc、U_oc、I_m、U_m分别表示光伏电池板在额定工况下的短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压，额定工况下的参数由光伏电池板厂家给出；S表示实际光照强度；S_ref表示参考光照强度，取1000W/m²；

采用电池板串并联地方式获取大功率和较高地直流电压，直流电能再经直流链电容送入逆变器，转换为交流电；逆变器设置最大功率跟踪控制方式，忽略逆变器的动态特性，认为光伏系统始终工作在最大功率状态下；考虑到逆变器的损耗，逆变器有功出力表示如下：

P_pv＝ηN_pU′_mI′_m (1.2)

其中，N_p为每台光伏逆变器所串并联的电池板个数；η为逆变器效率；

将光伏发电单元等效为PQ节点，其中，P表示光伏发电电压的有功出力，由上式计算，Q表示光伏发电电压的无功出力，由上级控制系统给出；

第二步：建立集电网络模型

光伏电站集电网络包括远距离输电线路、升压站主变压器、集电线路以及箱式变压器，结合光伏出力模型，将电路原件等效为无源二端口网络表示的集中参数模型；

其中，远距离输电线路采用π型等效，忽略对地电导，其等效阻抗其中l_g为并网点到无穷大电网之间的距离，r_g、x_g、b_g分别为输电线路每公里的电阻、电抗和对地电纳值；

相邻两组光伏发电单元之间的集电线路参数可表示为其中l_i为同一条集电线路中第i组光伏发电单元与第i-1组光伏发电单元之间的距离，r_i、x_i分别为该处的集电线路每公里的电阻值和电抗值，漏阻抗和激磁导纳忽略不计；

光伏发电单元升压变压器，忽略其激磁支路，其漏阻抗计算方式如下：

其中，P_k为短路损，单位kW；U_d％表示短路电压比；S_N为变压器额定容量，单位MVA；U_N为额定电压，单位kV；

第三步：光伏电站并网点电压分析

光伏电站有功功率的波动会导致并网点电压波动，为进一步研究并网点电压的影响因素，建立光伏电站等效聚合模型，将整个光伏电站等效为PQ节点，研究其并网点电压U_POI与总输出功率之间的深层关系；

以无穷大电网电压U为参考，并网点电压U_POI表示为(以下计算过程均以标么值进行分析)：

其中，P_g、Q_g为并网点处经传输线路向电网输送的有功功率和无功功率；R_g、X_g分别为送出线路的阻抗；

考虑到电站内部集电线路及升压变压器有功损耗和无功损耗，光伏电站发出功率与线路传送功率有如下关系：

其中，P_pv、Q_pv分别表示光伏电站所发出的总的有功功率和无功功率；R_equ、X_equ分别为光伏电站内部箱式变压器、主变压器和集电线路的等效阻抗；Q_c为SVG的无功输出；

将式(1.5)、(1.6)带入式(1.4)，不考虑电压降落的横分量，得