芻議大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響

李石頭 王小川 胡彥雪

（大盛微電科技股份有限公司，河南 許昌 461000）

隨著能源形勢的日益緊張以及環(huán)保要求的不斷提高，現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中對于可再生能源尤其新型能源的需求正在迅猛增長。 隨著其應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)展，其對電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、仿真、電力調(diào)度以及系統(tǒng)控制等方面的影響也正成為各界人士研究與關(guān)注的重點(diǎn)， 為研究大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響提供了現(xiàn)實(shí)條件。

1 大規(guī)模光伏系統(tǒng)的建模

1.1 光伏電池以及其陣列模型

該模型基于單二極管模型，根據(jù)基爾霍夫原理建立了自己的光伏等效電路，并且在此基礎(chǔ)上對理論的公式進(jìn)行簡化，得到了適合工程計(jì)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 光伏陣列的模型可以根據(jù)相應(yīng)的光伏電池模型以及相互之間的串并聯(lián)關(guān)系得到， 模型建立的關(guān)鍵在于計(jì)算出光伏陣列的光伏組件差異造成的P-V 特性的多峰值，這對光伏陣列的集群建模有著關(guān)鍵性的作用。

1.2 換流器以及內(nèi)環(huán)控制模型

目前主要的換流器都具有內(nèi)外環(huán)雙環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，外環(huán)主要負(fù)責(zé)電壓輸入的控制，并將其轉(zhuǎn)化為內(nèi)環(huán)控制的參考電流，進(jìn)而決定并網(wǎng)的策略以及外特性； 內(nèi)環(huán)的電流輸入主要依據(jù)與外環(huán)控制生成的電流參考值， 并且通過控制環(huán)節(jié)的控制以及與環(huán)流器的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)電流的順利入網(wǎng)。

1.3 光伏發(fā)電的動(dòng)態(tài)模型

建立動(dòng)態(tài)模型時(shí)，需要使用方程組建立發(fā)電系統(tǒng)中的各組成部分的狀態(tài)方程， 并將逆變器以及MPPT 的控制轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程，進(jìn)而將兩個(gè)方程聯(lián)立，組建起方程組，建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型。

1.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的研發(fā)

上述的建模原理為電力系統(tǒng)的仿真平臺(tái)的建立與研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)，目前為止，已經(jīng)研制成功的平臺(tái)包括PSD-BPA以及PSASP 兩大類，這兩類平臺(tái)集成了光伏發(fā)電的動(dòng)態(tài)以及穩(wěn)態(tài)模型，初步形成了大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)的仿真手段，并且一些商業(yè)性質(zhì)較強(qiáng)的平臺(tái)軟件已經(jīng)具有了靈活的自定義的功能模塊，這些平臺(tái)研發(fā)為發(fā)電站的建模研究提供了基礎(chǔ)。

2 大規(guī)模光伏發(fā)電對系統(tǒng)特性的影響

2.1 對系統(tǒng)有功頻率特性的影響

光伏發(fā)電具有的特性包括外出力的速記波動(dòng)性、靜止的電源、環(huán)路器并網(wǎng)過程中的無轉(zhuǎn)動(dòng)慣性、低電壓穿越期間的不同特征以及脫網(wǎng)現(xiàn)象比較頻繁等， 這些特性的存在使得大規(guī)模光伏發(fā)電的介入會(huì)使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)特性發(fā)生變化， 進(jìn)而對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行與規(guī)劃帶來根本性的影響。

光伏發(fā)電的過程會(huì)產(chǎn)生大幅度的頻繁的隨機(jī)波動(dòng)，進(jìn)而對系統(tǒng)的平衡造成沖擊，影響系統(tǒng)的一次以及二次調(diào)頻，對系統(tǒng)的有功經(jīng)濟(jì)調(diào)度等運(yùn)行特性都有著根本性的影響與作用； 同時(shí)系統(tǒng)備用的優(yōu)化策略也會(huì)因?yàn)榇笠?guī)模光伏發(fā)電的接入而不得不做出適時(shí)的調(diào)整與變化；此外，因?yàn)殡娫词庆o止的元件，所以隨著接入的光伏發(fā)電的規(guī)模的增大，電源的不足之處便逐漸明顯，需要不斷更換電源以適應(yīng)光伏發(fā)電的需要， 甚至?xí)驗(yàn)楣夥l(fā)電的功率過大而使得系統(tǒng)崩潰，需要對系統(tǒng)不斷進(jìn)行維護(hù)。

2.2 對無功電壓特性的影響

需要接入大規(guī)模光伏發(fā)電的電力系統(tǒng)多數(shù)位于荒漠戈壁地區(qū)，這類地區(qū)的電力系統(tǒng)往往具有較低的負(fù)荷水平，電網(wǎng)容量也比較小。 所以大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的光伏發(fā)電的傳輸容易對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的無功平衡性造成影響與干擾， 進(jìn)而造成母線沿線的電壓出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。

同時(shí)， 當(dāng)?shù)氐膶?shí)際并網(wǎng)的電壓都具有比較弱的支撐能力，所以在輸電的過程中比較容易出現(xiàn)電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象。 因?yàn)榇笠?guī)模光伏發(fā)電的接入改變的不僅是當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)原有的輻射狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，更改變了當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)，影響了電網(wǎng)潮流的分布情況，進(jìn)而對配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量造成根本性影響。

2.3 對攻角穩(wěn)定性的影響

光伏發(fā)電的電源是靜止的元件， 本身并不參與攻角的震蕩，也就不存在攻角需要穩(wěn)定的問題。 但是大規(guī)模光伏發(fā)電接入到系統(tǒng)中后， 系統(tǒng)的隨機(jī)波動(dòng)性以及無轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性等性能均受到了影響，系統(tǒng)的等效慣量不得不變小，所以系統(tǒng)的攻角穩(wěn)定性能便發(fā)生了變化， 其具體的變化方向與幅度取決于電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電網(wǎng)運(yùn)行方式、電源控制技術(shù)、光伏發(fā)電接入的位置以及接入的規(guī)模等因素， 需要結(jié)合具體的情況進(jìn)行具體的分析與計(jì)算。 同時(shí)，在電力系統(tǒng)中接入大規(guī)模的光伏發(fā)電還可能造成脫網(wǎng)現(xiàn)象，尤其是在集中化、規(guī)模化之后，脫網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來的沖擊會(huì)變得更加強(qiáng)烈。

攻角失穩(wěn)的主要表現(xiàn)便是振蕩型的失穩(wěn)。 因?yàn)椴▌?dòng)的光伏出力改變了系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)， 加上并網(wǎng)的逆變器與常規(guī)機(jī)具有不同的控制策略，所以系統(tǒng)的阻尼會(huì)在外界的影響下發(fā)生變化，進(jìn)而改變系統(tǒng)原有的機(jī)電震蕩的模式， 帶來新頻段范圍內(nèi)的振蕩。 但是具體的光伏發(fā)電的接入會(huì)為系統(tǒng)帶來怎樣的影響，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體的分析。

2.4 對小擾動(dòng)穩(wěn)定性的分析

在光伏電池使用過程中不存在機(jī)械與電磁量不平衡的動(dòng)力學(xué)難題，但是卻存在電氣運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，所以大規(guī)模的光伏發(fā)電的接入會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，影響系統(tǒng)功能的順利實(shí)現(xiàn)。光伏發(fā)電的接入改變了系統(tǒng)的功率，小擾動(dòng)法分析的結(jié)果顯示，在系統(tǒng)的內(nèi)部出現(xiàn)了運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象， 并且這種不穩(wěn)定的現(xiàn)象主要存在于系統(tǒng)內(nèi)部的最大功率點(diǎn)的附近。 因?yàn)橄到y(tǒng)的不平衡功率能夠被系統(tǒng)的直流側(cè)電吸收， 進(jìn)而使得電容的存儲(chǔ)能力減弱，影響了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3 結(jié)語

光伏發(fā)電具有清潔無污染的特性，是比較理想的清潔能源之一，能夠緩解我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中能源緊張的問題，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但是其大規(guī)模的接入會(huì)對目標(biāo)電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特征、無功特性、攻角穩(wěn)定性等性能造成顯著的不確定的影響，所以需要慎重考慮其大規(guī)模的接入，充分發(fā)揮其作用與功能。

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