基于ETAP的光伏建筑交流微网系统运行特性研究

核心提示：太阳能光伏建筑将光伏阵列与建筑结合在一起，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式。光伏建筑中的微网作为一个可以进行自我控制、管理和保护的发电系统，能够与大电网并网运行，也可以孤网方式运行，提高了能源的利用效率。本文基于ETAP软件对光伏建筑中的交流微网系统进行了仿真，分析了系统并网及孤网运行时的潮流分布情况和短路特性，可为系统拓扑结构的设计提供依据。　　 1 引言

　　太阳能资源丰富，取之不尽，用之不竭，属于容易获取并可被直接利用的可再生能源，光伏发电是太阳能资源开发和利用的重要形式。随着能源需求量的不断增加，原有的传统能源（如煤、石油和石油气等矿物化石燃料）不仅对环境已产生极其严重的污染，而且在不远的将来就会耗尽。因此，太阳能发电是有效解决环境污染、能源危机的有效措施。可再生能源与建筑结合是可再生能源利用的有效形式，建筑集成和建筑辅助光伏发电系统就是其中的典型。这种形式不额外占用土地资源，可原地发电减少输电投资和输电损失，减少常规电力消耗量，降低供电高峰负荷，又可以节省建材、节省空间，对于降低对传统能源的依赖，促进建筑节能减排、保护地球环境具有重要意义，因而具有广阔的应用前景。

　　在光伏建筑中采用系统化的方法，将各种类型的太阳能光伏组件、负荷、储能装置及控制装置等结合起来，形成一个单一可控的独立系统，即建筑微网系统[1-3]。光伏电池在太阳的照射下因光伏效应产生光伏电压，产生的电能通过控制系统、变换系统实现电能的直接利用或储存，也可通过逆变器将产生的电能并入大电网。建筑微网的形式有交流微网、直流微网和交直流混合微网三种，交流微网是目前比较常见的形式，因此本文对其并网运行特性进行了研究。

　　 2 微电网系统结构

　　微电网相对于大电网而言是一个有机整体，通过公共连接点PCC与外部大电网连接，能实现“即插即用”。从微电网自身来看，微电网在并网运行时，作为电网的一部分，根据电网的整体调度完成发电或用电任务，在孤网运行时候，它又能够完全脱离大电网带负荷独立运行，完成对电力系统内部重要负荷的供电。微网系统一般由分布式电源、储能装置、负荷及控制装置这四个部分组成[4-7]。
　　（1）分布式电源(DG)
　　分布式电源一般为风力发电、光伏发电等单独的新能源或组合；也可以以冷热电与热电联产方式存在，就地向用户提供热能和电能。
　　（2）储能装置
　　在微电网系统中，储能技术能够保证微电网在孤网和并网两种模式之间平稳过渡。在负荷低谷时，储存电源的多余电能；在负荷高峰时，回馈给微电网以调节功率需求。储能系统作为微电网必要的能量缓冲环节，其作用非常重要。在微电网的电能质量调节装置中，针对系统故障引发的瞬时停电、电压骤升、电压骤降等问题，可利用储能装置提供快速功率缓冲，吸收或补充电能，提供有功功率支撑，进行有功或无功补偿，以稳定、平滑电网电压的波动，做到并网时补偿谐波电流和负载尖峰，孤网时稳定系统电压，在一定程度上提高微电源的性能[7-8]。
　　（3）负荷
　　负荷指导线、电缆和 电气设备(变压器，断路器等)中通过的功率和电流。该负荷是一个随时间而变化的变动值。用电设备并不是同时运行，即使同时运行，也并不是都能同时达到额定容量，计时往往采用一个假定负荷即计算负荷来表征系统的总负荷。由于计算负荷的热效应与变动负荷的热效应是相等的，用计算负荷来选择导线、电缆截面和电气设备比较接近实际。负荷分为一般负荷和重要负荷。
　　（4）控制装置
　　控制装置常采用三层控制方案：中央调度层、集中控制层与设备控制层。中央控制层通过接受上级电网指令，主要负责控制微电网的启动、停运；集中控制层控制微电网的各个组成部分，监测微电网运行状况，控制调节使微电网稳定运行；设备控制层主要是针对分布式电源的频率和电压的一次调节、就地保护完成微电网系统的“自愈”。

　　 3 交流微网系统构建

　　交流微网是指采用公共交流母线将所有分布式电源及负荷连接而成的系统。交流母线通过公共连接点（PCC）断路器控制，实现微电网的并网运行或孤网运行。图一为交流微电网的拓扑结构图。分布式电源、储能装置通过逆变装置连接至交流母线。交流微网是目前微电网的主要形式，源于大电网主要都是采用交流形式[8]。

　　由于大电网大多采用交流的形式，交流微网的发展相对成熟，具有以下优点：
　　（1）交流微网不需要昂贵的换流站，无环流时谐波电压电流的影响；
　　（2）有电流的自然灭弧点，灭弧容易。

　　缺点是微电网的运行控制难，系统稳定存在问题，短路电流幅值具有随机性，存在无功损耗和集肤效应（集肤效应又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过形成的现象）等问题。



　　3.1 光伏电池模型

　　图2所示为ETAP软件中光伏组件模块，可以对光伏组件进行选择符合工程实际使用的类型，软件内部会自动对其参数进行匹配。



　　图3为PV阵列选择框图，在此可以对光伏组件的串并联数进行，在左侧计算出PV阵列的所需要的面板总数、输出电压、功率和总电流大小，便于其他元器件的选型。



　　3.2 储能模块
本文仿真采用的是ETAP软件中的蓄电池仿真模型，其基本参数框图如图4所示，主要包括蓄电池的生产厂家、使用的数学模型、VPC、RP、时间常数、以及电池的基本参数。在额定值一栏里面会对蓄电池采用串联数目进行选择，会自动计算出电池的额定电压及总容量，便于观察是否满足系统的要求，并可以依据要求做出相应的调整。



　　3.3 逆变器模块

　　逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能（一般为220V，50Hz正弦波）的变流装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。逆变器装置是光伏发电系统的重要组成部分，是把把光伏发电发出的直流变成交流电的重要装置，同时，并网逆变器是光伏发电系统进行并网运行的关键设备

　　逆变器由两部分组成：主电路和控制电路。逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路。该电路通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。直流电可以通过震荡电路变为交流电，得到的交流电再通过线圈升压（这时得到的是方形波的交流电），对得到的交流电进行整流得到正弦波[9,10]。

　　在本文中使用ETAP软件里面的光伏组件包含了光伏逆变器，光伏组件和光伏逆变器封装在一起，如图5所示，为光伏逆变器参数编辑框。



　　3.4 负荷模块

　　本设计中考虑了两种负荷，一种是等效负荷，另一种是静态负荷。

　　（1）等效负荷
　　在电力系统分析计算中，通常需要将某一区域内的各种负荷合并为一个等效负荷，接在某一个电压等级的母线上。每一个负荷都代表一定数量的各类用电设备及相关的变配电设备的组合，这样的组合称为等效负荷，亦称为综合负荷。ETAP 软件的等效负荷模型由两个部分组成，第一部分为恒功率的电动机负荷；第二部分与电压的平方成正比，代表恒阻抗消耗的功率，二者所占百分数之和等于100％。
　　如图6所示，ETAP 软件可以根据负荷的实际状况指定电机和阻抗的百分数。电机负荷是恒容量的，它对故障母线具有一个反馈电流；阻抗负荷的阻抗值也是恒定的，它对故障母线没有反馈电流。等效负荷的反馈电流与容量以及电机占总容量的百分数有关，也与堵转电流百分数（%LRC）、短路贡献等级（高、中或低）以及X/R有关。本文中等效负荷参数为额定容量0.5MVA，功率因数0.85。



　　（2）静态负荷
　　如图7所示，静态负荷参数为额定容量0.5MVA，功率因数（PF）为0.85。

　　3.5 大电网模块

　　等效电网的控制有四种模式，分别是平衡节点、电压控制、无功控制和功率因数控制。
　　如图8所示等效电网三相出线，额定电压34.5kV，出线10kV。三相短路容量2500MVA，单相短路容量2000MVA。





　　3.6 柴油发电机模块

　柴油发电机的作用是作为备用电源，在电网故障或分布式电源出力不足或分布式电源故障时候满足负荷正常供电。柴油发电机也可以在微电网孤网运行时候作为分布式电源的后备电源。图9显示了柴油发电机参数：额定电压=400V，额定容量=1.5MVA，并采用平衡节点控制。

　　4 基于ETAP的系统仿真

　　本文利用ETAP软件搭建了光伏建筑中交流微网的仿真平台，该系统主要包括交流母线、交流静态负荷、交流动态负荷、蓄电池储能和光伏组件模块（含逆变器）等，系统结构如图10所示。仿真中设置交流母线电压AC400V。并对于不同的组网方式都配备蓄电池储能。断路器的额定电压选择在400V。在该系统中分别对微网并网和孤网两种运行方式下系统的运行方式进行了仿真分析。

　　并网运行状态时微电网与大电网之间相互联系，共同为负荷供电或只有其一供电模式。并网运行的状况比孤网运行状况更加复杂，也更能体现其运行的稳定性及其可靠性。合上CB-1，进行潮流计算，如图11为并网运行状态下的潮流计算结果。

　　由上图可以看出，交流微电网在并网运行的状况下，负荷的有功功率和无功功率由光伏发电、后备柴油发电机与电网共同提供，其平衡节点选择电网端和后备柴油发电机与交流母线连接的节点，这样选择，一方面有利于在并网运行时及时的平衡交流母线上的有功和无功，另一方面，更有利于交流微电网运行状况的切换，即并网状态和孤网状态之间的切换。负荷的无功来源主要由后备柴油发电机及大电网。交流母线的电压维持在400V，并保持稳定运行状态。
并网运行时短路计算。在交流微电网的仿真系统中，bus1母线短路时，对bus11母线上的短路电流情况如下图12所示。

　　由上图可以看出，bus1发生故障时，相当于电网段送电输出有问题。在大电网送电短路故障前期，bus11端的光伏发电输出，为了平衡柴油发电机端的短路电流，输出电流波形往上移动，随着短路电流的稳定及短路暂态过程的结束，使光伏发电电流输出逐渐的趋于平衡，这也就是短路过程由暂态过程进入稳态，也标志着后面保护装置的启动并断开故障，保证负荷的正常运行。

　　孤网运行状态时微电网与大电网之间没有有功功率和无功功率联系，自己独立于大电网之外的运行方式。孤网运行时，系统内部主要有柴油后备发电机，光伏发电系统、储能系统及负荷参与运行。选择柴油发电机作为潮流的平衡节点。断开断路器CB-1，进行潮流计算，如图13为孤网运行状态下的潮流计算结果。

　　在孤网运行状态下，柴油发电机作为后备电源也投入交流母线进行运行，并且其与交流母线的节点作为平衡节点，这个节点作用主要是来平衡光伏发电与交流动态负荷和静态负荷的有功和无功平衡，并对交流母线的400V电压进行稳定。从潮流计算中可以看出，在进行交流孤网运行的情况下，光伏发电向负荷提供有功功率，其无功功率由柴油发电机这个无功补偿装置提供，母线电压维持在400V，基本不变，也就保证了交流负荷的正常运行。

　　为研究孤网运行状态下的短路情况，需在负荷处添加一个母线bus15,当bus15短路时，bus11处的总故障电流波形如图14所示。

　　由图中可以看出，bus15发生故障时，相当于后备电源送电输出有问题，这时候保护装置会启动，断开后备电源与交流微电网之间的运行。在后备电源送电短路故障前期，bus11端的光伏发电输出，为了平衡柴油发电机端的短路电流，输出电流波形往上移动，随着短路电流的稳定，使的光伏发电短路电流输出逐渐的趋于平衡，这也就是短路过程的结束，短路过程的暂态过程结束，进入稳态过程，接着就是保护动作断开短路电流，保证负荷继续接受光伏发电端的有功功率输出。

　　5 结论

　　本文在ETAP软件中建立了光伏建筑中交流微网的仿真模型，分别对微网并网和孤网两种运行方式下的系统潮流分布特性和短路故障特性进行了分析，可作为实际微网设计的依据。后续还将在此基础上对直流微网以及交直流混合微网的运行特性进行分析研究。