大規模光伏發電在電力系統動態穩定性的影響研究

林發祥

（國電南瑞南京控制系統有限公司， 江蘇 南京 211000）

0 引言

隨著新能力電力系統建設進程的不斷推進，基于分布式電源（distributed generation，DG），即光伏發電、風電、水電等可再生能源發電并入電力系統，解決了傳統化石能源污染大、儲量趨于枯竭的問題[1]。然而，大規模光伏發電并入電力系統，光伏發電受外界環境影響較大，對配電網系統中的電壓源波動和善變產生巨大的影響，并且大規模的光伏發電系統網絡配置的電子裝置會造成電力諧波污染。更重要的是對光伏發電并網配電系統進行規劃時，系統的潮流以及電壓分布會隨之產生變化，尤其是在大規模光伏發電并入電網對電壓的頻率和攻角穩定性造成嚴重的影響[2]。因此，為了確保光伏發電并網電力系統的輸出動態穩定性，結合電網實際電壓源輸出情況而實施相應的調度管理工作是十分有必要的。

1 光伏發電動態特性分析

1.1 動態穩定性分析

當前大規模分布式電源接入配電網之后，電力系統會受到新能源不穩定性的影響，衍生出一些無功動態穩定的問題，如高抗、弱慣性等電子裝置的穩定性等，電力系統的動態系統會受到影響。針對當前電力系統在故障前后，故障節點處的電壓、頻率變化進行檢測之后得出不同滲透率。由于光伏發電中逆變型分布式發電機在電力系統應用中較為常見，則利用光伏發電逆變型分布式電源發電機作為檢測系統動態穩定性的研究對象[3]。

通過調節分布式電源發電機的輸出功能，將逆變型分布式電源放在不同滲透率下運行，研究其動態特性。假設電力系統輸電線路產生三相短路故障的現象，并且在該故障節點產生100 ms 故障之后，通過跳開故障線路接觸故障實現故障解除。以某區域電力系統在三種不同滲透率下，系統發生故障時逆變型分布式電源發電機的轉速特性曲線如圖1 所示。

圖1 故障時分布式電源發電機轉速特性曲線圖

從圖1 可以看出，分布式電源并網電力系統發生短路故障時，系統的故障清除、恢復穩定運行的自愈性速度會隨著DG 并網滲透率的增加而降低。逆變型DG 發電機的轉速峰值相應也在隨著增大，嚴重影響了電力系統的自愈性能[4]。也就是說在大規模光伏發電并入電力系統會可以為電力系統故障快速恢復提供有力的電壓支撐，但是同時對電力系統發電機轉速的偏差峰值波動可能會影響電力系統崩潰。

1.2 動態頻率分析

DG 并網后的電力系統在發生故障時，DG 發電機輸出頻率會產生較大的峰值波動。并且，當電力系統發生故障時，系統在100 ms 之后將其清除，并且會在系統經歷不同程度震蕩之后最終逐漸穩定（如圖2所示），即電力系統運行時，在1 s 處發生了故障，在100 ms 之后完成故障清除，整個DG 發電系統的頻率會產生不同程度的振蕩，并最終趨于穩定[5]。

當大規模DG 并入配電網，電力系統大電網以額定頻率50 Hz 運轉，當微電網滲透率由0 增大到40%時，頻率曲線會隨之振蕩，并且其振蕩會隨之加劇。電力系統波動的頻率恢復到參考標準值的過渡時間會進一步延長。電力系統發生短路故障時，在電力恢復到正常范圍的時間期內，大規模DG 并網時電力系統內部引入的電力電子裝置會對電力系統造成更大的高次諧波干擾，電力系統的動態頻率會產生不同幅度的振蕩。

2 動態穩定性檢測方法設計

2.1 DG 光伏發電并網電力系統潮流分析

大規模光伏發電并網系統中，潮流是影響電力系統交流網絡和直流網絡中各個網絡節點中實際等效電阻的重要影響因素之一。為了保障電力系統電壓源穩定，需要進一步確定實施電壓源穩定檢測的方法，計算出大規模DG 并網電力系統中所有節點電壓波動幅值、相角，以及交直流電壓作用下電壓源換流器的潮流。且大規模DG 電網系統采用的是脈沖寬度調制（Pulse-Width Modulation，PWM）調節的方式，實現電網系統具體運行參數的細節調制。因此，文章在分析了大規模光伏發電并網對電力系統電壓源動態穩定性影響的前提下，采用PWM調節幅度和控制相角計算系統的潮流變化[6]。

文章設計優化的PWM調節系統在具體計算時，將光伏發電并網的電力系統劃分為交流網絡系統和直流網絡系統。在兩個不同的子系統中，要計算出其潮流變化，假設節點與電壓源換流器VSC 相連的換流器節點數量為no，位于換流站直接關聯的普通節點數量為np，則交流系統的潮流計算方法可以表示為公式（1）：

式中：Tc為光伏發電并網電力系統中交流子系統的潮流變化；Pc為電壓源換流器節點的輸出功率；Qt為換流站直接關聯節點的輸出功率；U0為光伏發電并入電力系統的額定電壓；Ui為電壓源換流器輸入端的電壓值；gij為PWM 調節器的調制度；αij為換流站PWM調節器的控制相角；bij為換流站內電力系統的無功補償；Uj為換流站電壓源調節器輸出端的電壓值。

DG 并網的直流子系統中的電力潮流變化方程見公式（2）：

式中：Ts為光伏發電并入電力系統中直流子系統的潮流變化；P0及Q0為DG 并網電壓源換流器與系統母線之間的傳輸功能率，其余解釋如公式（1）闡釋一致。

在DG 并入配電網的靜態模式下，公式（2）中的P0及Q0均為恒值。在動態模式下，DG 并入配電網下電壓源換流器與系統母線之間的傳輸功率會隨著電力系統的運行而產生相應的變化。在具體電力系統運行中，想要確定光伏發電并入配電網系統的潮流變化，需要結合光伏發電系統運行實際變化中產生不同的電壓源恒定值，為后續電力系統的兩個子系統中的電壓源潮流變化計算提供依據。

2.2 大規模DG 并網輸出電壓動態計算

在計算出DG 并網電力系統的潮流變化分析時，需考慮光伏發電并網時，DG 逆變型發電機并網的接入方式，采用單位功率因素下，光伏發電交流匯集線路饋入端環流母線的無功功率實現電壓源輸出的電壓動態計算。計算公式如式（3）所示：

式中：W為光伏發電并網電力系統中電壓源輸出電壓；其余解釋與上述公式闡釋一致。當W=0 時，這時DG 電力系統的電壓源輸出電壓為額定電壓，且當W＞0 時，電力系統中換流站的無功功率輸出則高于額定電壓，則需要通過PWM調節器將高出部分的額定電壓消耗。則其中消耗的具體的電壓源電壓值則可以將其表示為：

式中：U為DG 并網電力系統電壓源的輸出電壓；I為DG 換流站PWM調節器輸出的電流。

則當W＜0 時，DG 并網的電壓源輸出電壓高于額定電壓，需要進一步國通PWM 換流器對其高出部分的額定電壓進行補償輸出，其輸出的具體電壓源輸出值表示為：

在上述公式的綜合計算下，得出DG 并網的電壓源輸出電壓值。若公式的計算結果在光伏發電并網電力系統允許的波動范圍值內，則表示系統的電壓源處于穩定的狀態。若是得出的結果超出了系統允許的波動范圍時，則表示DG 并網電力系統的電壓源為非穩定狀態。根據計算結果的波動值和異常程度實施相應的電網調節措施，當光伏發電并網電力系統允許的額定輸出電壓越高，相應地其對應的允許波動范圍就越大，電力系統的電壓源穩定性規劃范圍就越廣。

3 仿真計算與結果分析

為了檢測文章設計的DG 并網電力系統穩定性檢測方法的實際效果，構建CIGRE Benchmark 模型，其中電力系統中交直流網絡中對應的額定功率及直流電壓參數分別為1 000 MW 及220 kV。并且，在正常的運行狀態下，將相應的換流母線的額定電壓值為150 kV，則相對應的基準電壓則表示換流母線的額定電壓值。并且，光伏發電并網在受到外界環境的影響以及電網自身的特點，設定其允許的最大波動閾值范圍為5.0%，且相對應的光伏惠及線路的等值電壓抗阻為0.5 pu?；诖?，光伏輸出的電壓變化曲線如圖3 所示。

圖3 光伏發電并網系統輸出電壓變化曲線

從圖中可以看出，根據光伏發電并入配電網電力系統的特點，設定相應的管理白哦和準，則可以從中可以看出設置的測試數據中會存在超閾值的波動情況?；诖?，文章對3 種不同的電壓源穩定性檢測方法進行對比，其結果如表1 所示。

表1 電壓源移動波動穩定性檢測誤差對比

從表1 中可以看出，三種不同的方法對于異常波動時間為160 min 時的檢測誤差達到最小，而文章設計的電壓源穩定性檢測方法在任何異常波動時間內的誤差均小于其余兩種方法。也就是說，文章設計的光伏發電系統電壓源的無功動態穩定性檢測準確性更高，并可以為實際的DG 電力系統具有較高的應用價值。

4 結語

大規模光伏發電并入電力系統是當前新能源發展轉型的重要供能方式，DG 并網的無功功率動態穩定性直接影響了供電系統覆蓋區域的供電質量及用電安全。因此，文章在研究光伏發電并入電力系統的無功動態穩定性的基礎上，分析了系統潮流對光伏發電并網系統的影響，設計了有效計算DG 并網電力系統電壓源的異常波動值，為當前分布式電源并入配電網電力系統的穩定性提供有力的數據支持，進一步促進了電力系統的安全、高效運行。