电网接纳光伏电站并网运行的适应性及对策研究

【摘要】：光伏发电具有不受煤炭、石油等一次能源短缺影响、绿色环保、控制方式灵活、不受交通等外界因素制约等优点,是目前城市电网供电系统电源的很好补充和替代,在未来必将成为非常重要的发电技术。虽然其建设成本相对较高,但是随着相关技术的快速发展,光伏发电成本已经呈现快速下降趋势,而且光伏发电不需要原材料输入,以长期经济性来衡量,目前光伏发电的成本经济性已经逼近火力发电。根据国内外权威机构预测,光伏发电量占总发电量的比重呈现加速增长态势,在未来电力系统发电模式中,光伏发电将占据越来越重要的地位。 当前,由于缺乏对大容量光伏电站运行特性、控制策略以及光伏电站并网后对电网的影响及对策等方面的深入研究,严重阻碍了大容量光伏发电的快速发展。本论文对此进行了较为深入的研究,主要工作如下： (1)建立了大规模光伏电站的整体数学模型及实现并网仿真计算。 针对单个光伏电池模型、单个斩波或逆变器模型以及最大功率点跟踪(MPPT)算法已有比较详细的数学模型,但是大规模光伏电站整体统一的数学建模尚未见。本文对并网光伏电站进行深入的理论研究和实验分析,建立了MW级光伏电站整体统一的静态模型与动态模型。并利用此模型对一实际的含10MW光伏电站的配电网络进行了仿真分析,光伏电站整体模型的建立为含光伏电站电力系统的安全稳定分析、潮流分析、电压分析、短路分析、保护配置方案、配网规划等一揽子关键问题提供了基础。 (2)并网光伏电站的动态过程利用微分和代数方程组描述,并提出了并网光伏电站在最大功率跟踪(maximum power point tracking, MPPT)控制方式和定功率控制(constant power control, CPC)方式下的系统稳定性判据,该判据仅由光伏阵列出口测量的电压和功率数据即可充分判断光伏电站系统的稳定性,为实施稳定性检测和控制提供了理论依据。以济南市某实际并网光伏电站为算例,验证了所建光伏电站动态模型和所提出的稳定性判据的正确性和可行性。 (3)光伏电站接入配电网后,配电网原有保护设备的保护范围、选择性灵敏性、可靠性都受到严重影响,甚至是完全失效。同时光伏电站运行特性受自然条件(如光照强度、环境温度、风速等多种不可控因素)影响具有随机性,从而导致配电网的故障电流难以预测。本文从光伏电站接入配电网后的配网结构和各电源故障电流分布特点出发,着重考虑了光伏电站运行特性,提出了一种适合多分布式电源接入的配电网保护方案。该方案不受分布式电源的接入数量、容量和位置影响,能较好地实现故障检测、隔离。以某实际含10MW光伏电站的配电网系统为算例,验证了所提出保护方案的可行性和有效性。 最后,本论文以山东省济南市某10MW并网光伏电站工程为例,结合光伏电站并网的技术要求及设计方案,通过对电站接入的系统潮流、电压分析、短路电流、网络损耗、继电保护、系统稳定等各方面的影响进行了深入分析与研究,提出了相应对策和光伏电站并网接入方案,结果验证了本文所提理论和方法的正确性和有效性。 【关键词】：并网光伏电站 数学建模 稳定性判据 随机性 等效参数 保护方案 影响及对策
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-16
• 第一章 绪论16-28
• 1.1 课题的背景与意义16-17
• 1.2 国内外研究综述17-26
• 1.2.1 光伏电站对电网的影响17-22
• 1.2.2 光伏电站建模及稳定性22-24
• 1.2.3 含光伏电站的配网继电保护方案24-26
• 1.3 本文的主要研究内容26
• 1.4 本文的创新之处26-28
• 第二章 光伏电站建模研究28-61
• 2.1 光伏电站简介28-30
• 2.2 太阳辐射30-33
• 2.2.1 太阳在任意倾斜面上的入射角31
• 2.2.2 水平面上的散射太阳辐射31-32
• 2.2.3 倾斜面上直射太阳辐射32
• 2.2.4 倾斜面上散射太阳辐射32
• 2.2.5 倾斜面上反射太阳辐射32
• 2.2.6 倾斜面上总太阳辐射32-33
• 2.3 光伏电池阵列模型33-40
• 2.3.1 单体光伏电池数学模型33-37
• 2.3.2 光伏组件的工程用数学模型37-40
• 2.4 直流斩波电路模型40-54
• 2.4.1 DC/DC斩波电路物理模型41-44
• 2.4.2 DC/DC斩波电路数学模型44-45
• 2.4.3 光伏方阵MPPT控制45-54
• 2.5 逆变器模型54-57
• 2.6 并网光伏电站整体模型57-60
• 2.7 小结60-61
• 第三章 并网光伏电站电力系统暂态稳定性分析61-74
• 3.1 并网光伏电站动态数学模型61-65
• 3.2 并网光伏电站稳定性分析65-68
• 3.2.1 定功率控制方式下稳定性分析66-67
• 3.2.2 MPPT控制方式下稳定性分析67
• 3.2.3 并网光伏电站稳定性判据67-68
• 3.3 算例分析68-73
• 3.4 小结73-74
• 第四章 光伏电站对配网系统继电保护的影响及对策74-87
• 4.1 分布式电源并网运行对配网保护的影响74-75
• 4.2 保护方案基本结构75-76
• 4.3 保护方案工作原理76-82
• 4.3.1 分布式电源戴维南等效参数76-79
• 4.3.2 故障检测、故障相别、故障类型辨识79-80
• 4.3.3 故障区域定位80-81
• 4.3.4 故障区域隔离和重合闸81-82
• 4.4 算例分析82-86
• 4.5 小结86-87
• 第五章 济南电网10MW光伏电站并网运行分析及对策87-123
• 5.1 济南市10MW光伏电站规划方案87-97
• 5.1.1 项目意义87
• 5.1.2 济南地区太阳能资源87-91
• 5.1.3 整体电站规划方案91-93
• 5.1.4 电站系统接线图93-97
• 5.2 光伏电站邻近电网概况97
• 5.3 10MW光伏电站并网运行对电网的影响97-122
• 5.3.1 园区内供电系统现状97-100
• 5.3.2 光伏电站并网方案100-102
• 5.3.3 光伏电站并网潮流计算102-118
• 5.3.4 光伏电站并网短路分析118-121
• 5.3.5 光伏电站并网网损分析121-122
• 5.4 小结122-123
• 第六章 结论及展望123-125
• 6.1 本文的主要研究成果123-124
• 6.2 有待于进一步开展的工作124-125
• 参考文献125-133
• 致谢133-134
• 攻读博士学位期间发表的学术论文134-135
• 攻读博士学位期间参加的科研工作135-136
• 学位论文评阅及答辩情况表136

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