浙江电网光伏电站并网特性的试验研究

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第 37卷第 10期2009年 10月Vol . 37 N o. 10Oct. 2009浙江电网光伏电站并网特性的试验研究童杭伟 1 , 池勇 2 ,叶传良 3 ,李鹏 1 1. 浙江省电力试验研究院 ,杭州 310014; 2. 浙江省电力公司 , 杭州 310007;3. 上海电力学院 , 上海 200090摘要介绍通过浙江电网光伏试验电站平台所开展的试验研究 , 以及所获得的光伏并网电站并入公用电网的参数特性和运行规律 ,提出了针对大量光伏电站并网需进一步研究的问题。关键词太阳能 ;光伏 ; 并网电站 ; 并网特性基金项目国家电网公司科研项目 SGKJ[ 2007] 1061作者简介童杭伟 1968- , 男 ,高级工程师 , 从事直流电源、雷电定位系统及新能源应用等方面工作。中图分类号 TM615 文献标志码 A 文章编号 1001-9529 2009 10-1705-05R esearch on char acteristics of grid-connectedp hot ovoltaic pow er stations i n ZhejiangTONGH ang-wei 1, CHI Yong2, YEC huan-liang 2 , LI Peng1 1. Zhej iang Electric Power Test ＆ Research Insti tute, Hangzhou 310014, China;2.Z hejiang ElectricP ower Company, Hangzhou 310007, Chi na;3.S hanghai Universi ty of Elect ric Power, Shanghai 200090, ChinaA bstract The tests andr esearchc arriedo ut at the experimental photovoltaic power stati oni n Zhej iang were presen-ted, as wel l as the researcha chievement oni ts grid-connectingc haracteristics ando perational rules.I ssues deman-ding further investigationw ere also proposed.K eyw ords solar energy; photovoltaic;g ri d-connectedp ower stati on;g ri d-connecting characteristi c近年来国内太阳能光伏并网发电发展迅速 ,但并网发电必然会带来一系列相关性问题如大量分散式光伏电站的接入是否会对公用电网的安全性、稳定性及电能质量等产生影响。为开展光伏电站并网特性的研究 ,浙江电网设计、建设并投运了 5 kW 220 V并网、 60 kW 400 V并网及 250 kW 10 kV 并网屋顶光伏试验电站各一座 ,电站选用了国内外 6种规格 12台逆变器作为光伏并网逆变器。借助于光伏并网电站试验平台 ,开展了一系列并网特性的试验研究 ,为制定电力行业光伏系统并网技术规范做了一些基础工作。太阳能光伏并网电站主要由太阳能电池板、并网逆变器等组成 ,围绕光伏电站并网对电网的影响及光伏并网电站的运行特性开展了多项试验。1 光伏电站启动特性1. 1 冷态启动并网冷态启动是指各项条件满足光伏电站工作条件 ,合上逆变器交流侧并网开关 ,光伏电站启动并网的过程。分别测录了 5、 60及 250 kW光伏并网电站各类逆变器的冷态启动并网过程。并网电流缓慢增加 ,至稳定状态的时间为 10. 86 ～ 63 . 0 s左右 , 具有软启动特性。电流变化率见表 1。表 1 各型逆变器冷态启动特性逆变器类型电流至稳定时间 /s 稳态时电流 /A 电流变化率 /A · s - 15 kW X 1 42. 0 12. 6 0. 305 kW X 2 54. 1 10. 7 0. 196 kW X 3 63. 0 4. 7 0. 0730 kW X 4 33. 9 16. 0 0. 4750 kW X 5 29. 5 11. 3 0. 38100 kW X 6 12. 38 72. 3 5. 84100 kW X 7 10. 86 66. 9 6. 16从表中数据看 , 后 2类 100 kW 逆变器产品的电流变化率大于其它类产品。1. 2 热备用状态下自动并网热备用启动是指光伏电站虽停止工作 ,但并网开关处合闸状态 ,检测到具备并网条件 ,电站自动并网的过程。测试了光伏电站各类型逆变器在热备用状态1706 2009, 37 10下 ,交流或直流由中断状态至正常工作状态的自动并网过程 ,电流变化率见表 2。表 2 各型逆变器热备用启动特性逆变器类型电流至稳定时间稳态时电流/A电流变化率/A · s - 15 kW X 1 33. 8 s 6. 1 0. 186 kW X 3 31. 6 s 2. 3 0. 0730 kW X 4 41. 7 s 15. 0 0. 36100 kW X 6 398 ms 10. 8上升至 68. 4 144. 7100 kW X 7 382 ms 12. 5上升至 77. 1 169. 1从所测数据看 ,热备用状态下 ,前 3类逆变器自动并网时间较长 31. 6 ～ 41. 7 s , 电流变化率较小 ;后 2类逆变器产品并网时间较小 398 ～ 382ms , 电流变化率较大。分析不同类型的并网逆变器启动工作特性差异较大 ,为防止对电网造成冲击 ,有必要对光伏并网电站设备启动时的电流变化率提出要求。2 光伏电站关断特性测试了光伏电站在光伏组件直流输出中断时的电气特性 ,可得到各光伏电站交流输出关断时间在 63 ～ 115 ms,电流变化率见表 3。表 3 各型逆变器直流关断特性逆变器类型关断时间/ms分断前电流/A电流变化率/A · s - 15 kW X 1 63 3. 4 54. 030 kW X 4 91 16. 0 175. 850 kW X 5 115 11. 0 95. 6100 kW X 6 94 71. 4 759. 6从所测的数据看 ,光伏组件直流输出中断后 ,光伏并网设备交流输出均为快速关断 ,电流变化率大。分析光伏并网电站功率输出快速关断的特性可能对电网造成较大冲击 ,对于大容量光伏并网电站需要考虑对电网稳定性的影响。3 防孤岛特性防孤岛特性要求并网光伏电站在所并入的电网供电中断时 ,光伏电站逆变器应快速如 2 s停止向电网供电 [ 1] , 与电网断开 ,防止电网带电造成安全隐患。防孤岛特性又分阻抗不匹配孤岛特性和阻抗匹配孤岛特性 2大类。3. 1 阻抗不匹配孤岛特性试验分别对光伏电站各类逆变器进行了阻抗不匹配防孤岛特性测试。各类逆变器在所测试的几种工况中 ,当并网交流侧电压中断时 ,均能自动与交流电网断开 ,具有防孤岛效应功能 ,断开过渡时间为 48 ～ 128 ms。3. 2 阻抗匹配孤岛特性试验光伏系统阻抗匹配是指负载需求的有功功率与逆变器输出有功功率的不匹配率 0. 95 滞后或超前 , 负载品质因数 Qf≤ 2. 5时的情况。模拟阻抗匹配的各种工况比较困难 ,研究小组对 6 kW和 5 kW 2类单相逆变器进行了电阻匹配防孤岛特性测试 , 2 台逆变器在所测的工况中 ,均具有防孤岛效应功能 ,断开过渡时间为 68 ～ 171 ms。分析并网光伏电站的防孤岛特性无论对于公用电网的管理者还是使用者均是一项重要的指标 ,几种逆变器在多种工况下实际试验结果均具有防孤岛特性。4 谐波等特性测试4. 1 250 kW光伏电站高压并网点250 kW光伏电站在日照充足情况下测试结果见表 4。表 4 250 kW 光伏电站高压并网点日照充足工况下电能质量测试值测量内容测量值电流总畸变率 / 1. 80谐波电流总有效值基波电流 193. 34 mA/ 10. 757 A最大谐波电流含有率次 / 5/ 1. 24有功功率 /kW 对额定功率的百分比 / 190. 2/76. 1无功功率 /k var 18. 23 容性功率因数 0. 996电流不平衡度 / 1. 74典型时段内 , 高压并网点谐波电流总畸变率为 1. 80, 5次谐波电流最大含有率 1. 24, 均小于技术规范要求的 5 [ 1] 。4. 2 250 kW光伏电站高、低压侧谐波电流对比同时测量 250 kW 光伏并网电站高、低压侧谐波电流值 ,在日照充足工况下典型小时内的电能质量指标见表 5。表 5 250 kW 光伏电站高、低压侧谐波电流值电能质量指标高压侧测量低压侧测量电流总畸变率 TH Di / 1. 80 1. 98长时闪变 Plt 0. 124 0. 122电流不平衡度 / 1. 74 1. 32测试结果显示采用高压并网方式可以减少2、 3、 5次谐波电流的注入。另外 , 由于变压器绕童杭伟 , 等浙江电网光伏电站并网特性的试验研究 1707组不对称原因 ,高压并网方式增大了负序电流。4. 3 60 kW 光伏试验电站并网点60 kW电站在多云情况下测试结果见表 6。表 6 60 kW 光伏电站高压并网点多云工况下电能质量测试值测量内容测量值电流总畸变率 / 2. 32谐波电流总有效值基波电流 1. 237 A / 53. 79 A最大次 /谐波电流含有率 / 5/ 1. 59有功功率 /k W对额定功率的百分比 / 35. 75/ 59. 5无功功率 /k var - 1. 18r感性功率因数 0. 99860 kW光伏并网电站输出在额定功率的 59.5时 ,谐波电流总畸变率为 2. 32。另外 ,从所测的无功功率显示 ,与 250 kW 电站不同 , 60 kW光伏并网电站需要吸收无功。4. 4 5 kW光伏试验电站并网点5 kW光伏电站在日照充足情况下测试结果见表 7。表 7 5 kW光伏电站高压并网点日照充足工况下电能质量测量内容测量值电流总畸变率 / 4. 38谐波电流总有效值 /mA 基波电流 /A 644. 85/ 14. 727最大次谐波电流含有率次 / 5, 2. 24有功功率 /k W对额定功率的百分比 / 3. 31/ 66. 2无功功率 /var - 199. 2 感性功率因数 0. 9975 kW光伏并网电站在额定输出 66. 2 时 ,谐波电流总畸变率为 4. 38, 谐波电流在所测试的各台逆变器中最大。 5 kW光伏并网电站也需要吸收少量无功功率。分析所测的 3类典型光伏电站及 12种逆变器各次谐波电流值均小于电网技术规范的要求。但由于光伏电站发电受日照、气温等环境条件影响 ,光伏发电日功率曲线具有多样性、不可重复性 ,并且在低功率时电能质量指标劣化 ,不能准确反映光伏电站的特性。因此 ,需要根据光伏并网电站的工作特点建立更具操作性的评估方法和更科学的评估标准。5 不同气象条件下光伏电站的运行特性 1 250 kW 光伏并网电站在日照充足情况下的日功率曲线见图 1。全天功率变动相对平缓 ,但也有短时功率变动较大的情况 ,从所采集的典型数据分析 ,因日照原因引起的最大功率变化率达 48. 4 kW/m in,约占总容量的 20 /m in。从图 1的日功率曲线看 ,光伏电站发电时段为 6 30～ 18 00,其中最大功率时段在 10 00 ～ 14 00。图 1 250 kW 光伏电站日照充足日功率曲线 2 250 kW 光伏并网电站在阴天工况下的典型日功率曲线如图 2, 发电量较晴天减少一半以上 , 全天功率变动较大 ,但功率变化率值低于日照充足时段。图 2 250 kW 光伏电站阴天日功率曲线 3 图 3为 60 kW光伏电站多云工况下的典型小时 12 00 ～ 13 00 功率曲线。统计所测的功率变化率数据 , 因日照原因引起的功率变化率最大达 15 kW/m i n,约占总容量的 25/m in。图 3 60 kW 光伏电站多云工况典型功率变化 4 图 4为 5 kW光伏并网系统多云天气日功率曲线 ,全天各时段内功率变化相对平缓。图 4 5 kW 光伏并网电站多云工况下日功率曲线1708 2009, 37 10分析不同气象条件下光伏电站具有一定的运行特点和规律 ,在多云天气下 ,因日照原因引起的功率变化率最大可达光伏电站装机容量的25左右 ,因此 ,大量并网光伏电站对电网运行的稳定性可能带来影响 , 接入的区域电网要有一定的热备用容量。6 不同季节光伏电站的运行特性 1 250 kW 光伏发电并网试验系统长时段发电量的变化曲线见图 5。光伏电站发电量随天气情况变化各天差异很大。图 5 250 kW光伏电站发电量统计曲线 2 根据 5 kW单相光伏发电并网电站 5个月发电量的变化曲线见图 6。图 6 5 kW 光伏电站发电量统计曲线光伏电站各天的发电量变动较大 , 日最大发电量达 25 kW· h,最小时发电量基本为 0; 3月份发电量较前 4个月有所增加。分析光伏电站发电量与气候和季节因素有一定相关性 ,可实现对光伏电站发电量的初步预测。7 保护的协调配置7. 1 光伏并网电站对馈线保护的影响配电网引入光伏电站 DG之后 ,原来的配电网络将不再是纯粹的单电源、辐射型供电网络。此时 ,若线路发生故障 ,配电网络中短路电流的大小、流向、分布都会受到光伏电站的影响 ,保护以及重合闸的动作行为与光伏电站引入之前可能会有不同 ,主要表现在以下 4个方面图 7 引入 DG的 10 kV 配电系统 1 导致本线路保护的灵敏度降低 ,甚至拒动当光伏电站下侧 F1点故障时见图 7,未接光伏电站时 ,故障点的短路电流只由系统提供 ,光伏电站引入之后 ,光伏电站和系统都会对故障点提供短路电流 ,但保护只能感受到系统提供的短路电流 , 此故障电流比引入光伏电站前小 ,导致保护的灵敏度降低 ,严重时甚至拒动。 2 导致本线路保护误动当系统侧任意点如 F2点或其它馈线任意点如 F3点发生故障时 , 在光伏电站引入之前 ,本馈线的保护感受不到故障电流 , 光伏电站引入之后 , 相同点故障时 ,本馈线的保护将感受到光伏电站提供的故障电流 ,由于原保护不经方向闭锁 ,如果该短路电流足够大 ,将导致保护误动。 3 导致相邻线路的瞬时速断保护误动 , 失去选择性当 10 kV 母线其它馈线如 F3点发生故障时 ,在光伏电站引入之前 ,短路电流只由系统流向故障点 ,光伏电站引入之后 ,光伏电站和系统都会对故障点提供短路电流 ,此时相邻故障线路的保护感受到的故障电流增大 ,将可能导致其速断保护躲不开线末故障而误动 ,使保护失去选择性。 4 光伏电站可能导致重合闸不成功当光伏电站引入之后 ,线路两侧连接的是两个电源 ,重合闸动作前 ,必须保证光伏电站已停止运行或者已从配网中切除。否则 ,重合闸时 ,故障点由于去游离时间不足 ,电弧可能重燃 ,使得重合闸不成功。7. 2 举例分析250 kW 屋顶光伏电站经变电站 10 kV专线并网 , 系统阻抗图见图 8。童杭伟 , 等浙江电网光伏电站并网特性的试验研究 1709图 8 系统阻抗示意图按反向故障保护不误动计算 ,得到光伏电站提供的故障电流IK 0. 76 A二次值 7 A过流定值此时光伏电站提供的故障电流大于原保护定值 ,可能使系统侧线路过流保护误动。分析大容量光伏并网电站接入公用电网 ,与所接入电网系统的继电保护定值应相互协调 ,进行保护配置校核。同时为避免非同期合闸给光伏电站带来致命冲击 ,系统侧重合闸继电器宜检线路无压 ,光伏电站侧宜检同期。8 光伏电站无功功率调节试验对光伏并网电站无功功率调节控制功能进行了试验研究。通过改变 1 台 30 kW 逆变器的输出电压与电流相角 ,能够改变光伏电站的输出无功功率和功率因数 ,测得的参数见表 8。表 8 逆变器功角调节特性相位 A 相 B 相 C相0°有功功率 /kW 1. 62 1. 53 1. 46无功功率 /kW 0. 51 0. 38 0. 52功率因数 0. 96 0. 98 0. 96- 30°有功功率 /kW 1. 69 1. 59 1. 52无功功率 /kW 0. 40 0. 29 0. 41功率因数 0. 98 1. 00 0. 98 30°有功功率 /kW 1. 62 1. 53 1. 46无功功率 /kW 0. 62 0. 48 0. 61功率因数 0. 95 0. 97 0. 94分析从测试数据看出 ,通过相角调节 ,逆变器交流输出的无功功率和功率因数值发生了明显变化 ,可实现使光伏并网电站成为一个无功电压可调节的并网电站。9 总结 1 大量光伏电站启动时若设备的电流变化率较大 ,可能对电网造成较大冲击 ,应对光伏电站提出启动电流变化率的指标。 2 光伏并网电站直流侧中断后系统交流输出均快速关断 ,电流变化率很大 ,对电网可能造成较大冲击 ;试验得到的光伏电站功率变化率最大达电站总容量的 25 /min。因此 , 为减缓因日照等原因造成的光伏电站输出功率短时骤降 ,所接入的公用电网需要具有并网光伏电站总装容量25以上的备用容量 , 或采取在直流侧安装一定容量储能元件等措施。 3 250 kW 光伏并网电站实际保护校核计算显示 ,反向故障时 ,光伏电站提供的故障电流小于原过流保护定值 ,不会导致系统侧线路保护误动 ;但若光伏并网电站容量增大至 2 500 k W光伏电站提供的故障电流大于原保护定值 ,可能会导致系统侧线路过流保护误动。因此 ,大量光伏电站并网 ,应进行保护配置校核 , 必要时需限制接入的光伏电站容量。 4 光伏并网电站发电量受各种因素季节、地点、气候等的影响 , 波动性较大 ,其发电特点是日照充足情况下 , 日发电量大 ,中午时段发电量最大 ,全天功率变动相对平缓 ;阴天工况下 ,发电量大大减少 ,全天功率变动较大 ;冬季发电量相对其它季节少。光伏并网电站发电规律也可为电网调度部门预测和有序调度提供参考依据。 5 对大、中、小 3 个典型光伏并网电站及12台逆变器的谐波指标测试分析 ,均能满足电网谐波指标要求 ,但根据光伏并网电站具体的运行特点 , 还可探讨更具操作性的评估方法和更科学的评估标准。对今后光伏电站大量、大范围接入公用电网可能带来的问题 , 还需在光伏电站实际运行中进一步积累经验、研究分析 ,并结合仿真计算 ,完善光伏电站并网技术规范。参考文献 [ 1] GB /T 20046- 2006, 光伏 PV 系统电网接口特性 [ S] .收稿日期 2009-05-31本文编辑邵振华