大規模光伏發電并網對互聯電力系統阻尼特性的影響及其阻尼控制策略

索江鐳,胡志堅,劉宇凱,張子泳

(1.武漢大學電氣工程學院,430072,武漢;2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安)

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大規模光伏發電并網對互聯電力系統阻尼特性的影響及其阻尼控制策略

索江鐳1,2,胡志堅1,2,劉宇凱1,2,張子泳1,2

(1.武漢大學電氣工程學院,430072,武漢;2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安)

針對未來大規模光伏發電系統并網對互聯電力系統安全穩定性可能造成的影響,從系統阻尼特性角度展開詳細研究。首先建立了適用于穩定分析的光伏發電系統的動態模型,然后搭建了含光伏發電系統的IEEE16機68節點測試系統,采用特征值分析法和模態分析法,研究了光伏發電的不同接入位置以及不同滲透率對互聯電力系統阻尼特性造成的影響。結果表明:光伏發電系統不直接參與系統機電振蕩,而主要通過對系統潮流的影響改變系統阻尼,并且由于阻尼控制環節的缺失可能對系統阻尼產生一定的負面影響;文中提出的光伏發電系統的阻尼控制策略可有效地抑制該負面影響,進一步提升了互聯電力系統對光伏并網的接納能力。

光伏并網;光伏系統動態模型;特征值分析;阻尼特性;阻尼控制

近年來,環境與能源問題受到了世界各國的廣泛關注,高能耗的火電機組逐漸被風電、光伏等新型可再生能源技術取代已成為大勢所趨[1]。大規模清潔能源的利用改變了傳統的以火電機組為主的能源結構,給互聯電力系統帶來了一定的影響,而隨著能源產業結構的進一步升級,該影響更將不容忽視[2]。

光伏發電是過去十年里發展較為迅猛的新能源技術之一,具有較高的年增長率,大規模光伏發電系統并網將是未來發展的重要趨勢[3]。因此,有必要從電網安全穩定運行角度,深入研究大規模光伏發電系統并網對互聯電力系統的影響。對此,文獻[4]從負載特性、電能質量、電網調度、電壓無功、繼電保護等方面簡單分析了未來大規模光伏發電接入后對電網的影響。文獻[5]指出,光伏發電的間歇性出力將造成電網的電壓波動,無旋轉慣性的特性將使電網的穩定裕度減少,輸出功率的不確定性將造成電壓閃變等問題。文獻[6]指出,當光伏發電的高滲透率越高,短路阻抗將越低、欠電壓保護整定值將越高、故障切除時間將更長。文獻[7]從電力系統小干擾穩定角度,建立了光伏并網系統的小信號動態模型,并對控制參數的靈敏性進行了分析,通過合理選擇控制參數來改善系統的小干擾穩定性。文獻[8]對含光伏發電的單機-無窮大系統建立了Heffron-Philips模型,通過仿真得出高滲透率的光伏發電將可能對系統小干擾穩定造成負面的影響。

目前,關于大規模光伏發電并網對互聯電力系統阻尼特性影響的文獻偏少,研究還不夠深入全面。鑒于此,本文提出了光伏并網系統的動態模型,并通過IEEE-16機68節點測試系統進行仿真試驗,分別從不同接入位置、不同滲透率等方面展開研究,分析其產生影響的原因,并對可能使系統阻尼造成的負面影響提出解決方案,給未來大規模光伏發電并網下的互聯電力系統安全穩定運行提供參考依據。

1 光伏發電系統動態模型

目前,光伏發電系統主要采用兩級式結構,主要由光伏陣列、DC/DC升壓變換器、DC/AC逆變器、控制系統等幾個部分組成,如圖1所示[9]。

1.1 光伏陣列模型

光伏陣列是光伏發電的核心部分,它通過若干個由半導體制成的光伏電池組,將太陽能轉化為電能,其等效電路如圖2所示。

圖2中IPV和VPV的表達式如下[6]

(1)

(2)

式中:NP和Ns分別為光伏陣列中并聯和串聯的光伏電池數;Io為PN結的反向飽和電流;q為電子電荷;n為二極管因子;k為波爾茲曼常數;T為電池溫度。

Ip為光生電流;ID為二極管結電流;Rs表示光伏電池板對電流的阻礙作用;IPV和VPV分別為光伏陣列輸出電流和輸出電壓圖2 光伏電池的等效電路

1.2 DC/DC升壓變換器模型

由式(1)和式(2)可知,光伏電池受光照強度和電池溫度的影響,導致系統工作點不確定,進而影響系統的輸出功率。DC/DC升壓變換器在提高直流輸出電壓的同時,通過改變其功率開關管的占空比來控制和調整光伏電池工作在最大功率點,以實現最大功率跟蹤(MPPT)。關于MPPT的實現方法,國內外已有大量文獻進行了研究[10],主要有:恒定電壓法(CVT)、擾動觀測法(P&O)、導納增量法(IncCond)等等。由于本文主要研究的是光伏發電并網對系統阻尼特性的影響,因此對于不同的MPPT方法,統一采用如下的動態方程實現控制過程

(3)

(4)

式中:LB為升壓電感;Vdc為DC/DC升壓變換器輸出電壓。

1.3 DC/AC逆變器模型

DC/AC逆變器主要功能是將直流轉化為交流,以提供穩定的交流電并入電網。DC/AC逆變器輸出電壓表達式如下

Vs=mkVdc(cosθ+jsinθ)

(5)

式中:m為無功控制輸出信號;k為DC/AC逆變器轉換率;θ為DC/AC逆變器功率因數角。DC/AC逆變器輸出電壓、電流經過dq變換,有

VdcIdc2=IsdVsd+IsqVsq

(6)

式中:Vsd和Vsq、Isd和Isq分別為DC/AC逆變器輸出電壓、電流的d軸分量和q軸分量。

將式(5)帶入式(6),則有

VdcIdc2=IsdmkVdccosθ+IsqmkVdcjsinθ

(7)

即

Idc2=Isdmkcosθ+Isqmkjsinθ

(8)

又由

PPV=Idc1Vdc=(1-dc)VdcIPV

(9)

有

Idc1=(1-dc)IPV

(10)

式中:Idc1和Idc2分別為DC/DC變換器和DC/AC逆變器流入直流支撐電容Cdc支路的電流分量,如圖1所示。因此,DC/AC逆變器動態方程可由下式表示

(11)

1.4 控制系統模型

光伏發電控制系統主要包含MPPT控制系統與PQ控制系統兩部分組成,其中MPPT控制系統已在前文進行了分析,動態方程如式(3)所示。PQ控制系統則是通過施加于DC/AC逆變器的有功控制信號φ與無功控制信號m完成光伏發電的有功無功解耦控制,其動態方程如下

(12)

式中:Kp(s)和Kq(s)分別為有功、無功控制器的傳遞函數;Vdcref和Vsref分別為DC/DC升壓變換器輸出電壓和DC/AC逆變器輸出電壓的參考值。

因此,式(3)、式(4)、式(11)和式(12)組成了光

伏發電系統的動態模型。

2 光伏并網對系統阻尼的影響

2.1 測試系統

本文選取IEEE16機68節點系統作為測試系統,其中16臺同步發電機采用經典6階模型,并全部安裝本地電力系統穩定器(PSS),系統負荷全部采用恒阻抗模型(詳細參數見文獻[11]),如圖3所示,本文測試平臺基于MATLAB/Simulink。

圖3 IEEE 16機68節點系統單線圖

在該系統中,區域1為新英格蘭系統,區域2為紐約系統,區域3～5為相鄰區域等值發電機。G13和G16承擔了系統主要電力供應,其容量分別為12 GW和11 GW,其有功出力分別為3.5 GW和4 GW。紐約系統為重負荷區域,其負荷總額為8.45 GW,但該區域發電總額僅為6.28 GW,因此需通過相鄰區域的遠距離輸電以填補此區域的有功缺額。

2.2 光伏發電不同接入位置對系統阻尼特性的影響

為研究光伏發電不同接入位置對系統阻尼特性的影響,本文分別將測試系統中容量最大的同步發電機G13與G16用等容量的光伏發電系統替代,替代前后的系統小干擾計算結果分別如表1和表2所示。

由表1和表2對比可知,光伏發電系統并網后對系統振蕩頻率的影響遠小于對系統阻尼的影響。具體而言,當光伏發電系統替代同步發電機G13時,模式1、模式3的阻尼有著顯著提升,而模式8、模式9和模式15的阻尼有小幅改善,其他模式則變化不大。當光伏發電系統替代同步發電機G16時,模式1、模式3、模式4的阻尼有不同程度的下降,其中模式4阻尼下降最為明顯,而其他模式變化不大。

圖4為原系統發電機功角在模式1、模式4、模式15情況下的參與因子。由圖可知,同步發電機G13在模式1的參與因子相對于其他模式較高,同步發電機G16在模式4的參與因子相對其他模式較高,這就解釋了光伏發電系統對不同振蕩模式影響大小的原因:光伏發電系統所替代的同步發電機在某模式下的參與因子越大,則該模式受光伏發電系統并網的影響則越大。仿真結果表明,該影響有可能是正面的,也可能是負面的。

表1 原系統低頻振蕩模式分析

表2 光伏接入后系統振蕩模式分析

圖4 部分模式下參與因子的變化

值得注意的是:由表1和表2對比發現,當光伏發電系統替代某臺同步發電機時,系統振蕩模式減少了一組。這表明光伏發電系統并不直接參與系統振蕩,而這一組模式的減少是由同步發電機的退出而造成的。

(a)模式1

(b)模式3

(c)模式4圖5 光伏接入對系統振蕩模式的影響分析

圖5列舉了當同步發電機G16被光伏發電系統替代前后的系統部分振蕩模態圖。為使分析更為直觀,圖5中僅顯示了模值較大的模態。通過對圖5的分析可知,當光伏發電系統替代同步發電機后,系統的振蕩模態并無明顯變化,這進一步表明了光伏發電系統不直接參與系統機電振蕩,也不改變系統原有的振蕩模態。

2.3 光伏發電滲透率對系統阻尼特性的影響

通過上文分析可知,不同光伏發電系統接入位置對系統阻尼的影響不同,因此本文以接入位置節點65和節點68為例,分別取光伏滲透率為0%、5%、10%、15%、20%進行計算,系統關鍵模式的阻尼計算結果如圖6所示。

(a)接入位置為節點65

(b)接入位置為節點68圖6 光伏滲透率對系統阻尼的影響

圖6列舉了光伏發電系統在不同滲透率下變化較大的部分模式。從中可以發現,當光伏發電的接入位置不同時,隨著光伏滲透率的提高,對系統阻尼的正面影響或者負面影響將呈增大的趨勢。

2.4 接入光伏對系統阻尼特性影響的機理研究

通過上述分析可知,當光伏發電代替傳統同步發電機時,對系統阻尼的影響有可能是正面的,也可能是負面的。由上文分析可知,光伏發電系統不直接參與系統機電振蕩,因此其對系統阻尼的負面影響主要來源于其本身不具類似于同步發電機PSS的阻尼控制環節,而當其替代了安裝有PSS的同步發電機時,造成了系統阻尼出現一定程度的下降。

為研究光伏發電系統對系統阻尼特性的影響機理,在最大功率點處,將容量為10 MW的光伏發電動態模型和相同輸出功率的恒功率靜態模型接入測試系統的節點9與節點1,系統關鍵振蕩模式計算結果如表3所示。

表3 不同光伏模型接入后系統振蕩模式分析

由表3可知,光伏發電系統采用動態模型和靜態模型對系統關鍵模式并沒有太大影響,這也進一步驗證了光伏發電不直接參與系統機電振蕩。接入光伏發電對系統的阻尼可能造成一定的正面影響,由于光伏發電對系統關鍵模態的影響很小,因此這種情況并不來源于光伏發電系統本身與相關同步發電機阻尼轉矩的相互作用,而是接入光伏發電改變了系統平衡點,進而引起系統潮流的變化,使得在某些情況下對系統的阻尼呈現出提升的現象。當這種影響超過了光伏發電系統因阻尼控制環節的缺失而引起的負面影響,會使得系統阻尼在某些情況下呈現上升趨勢。

3 光伏發電系統的阻尼控制研究

由于受光照強度、占地面積等因素的影響,大規模光伏發電基地往往遠離負荷中心,需通過長距離輸電線路進行遠距離消納。由上文分析可知,高滲透率光伏發電接入電力系統后,由于缺乏類似于同步發電機PSS等設備,因此難以對光伏發電系統進行阻尼控制,可能會對系統阻尼造成一定的負面影響,這給系統安全穩定水平帶來了一定的隱患,增加了系統發生低頻振蕩的危險。

以本文測試系統為例,光伏發電系統接入節點68,替代同步發電機G16向區域2進行遠距離送電。當區域2中輸電線路1-30末端在0.1 s發生三相短路故障,在0.2 s時該故障清除,則區域聯絡線52-50的有功響應如圖7所示。

由圖7可知,接入光伏發電后降低了系統的穩定水平。目前常用的辦法是在光伏發電基地安裝柔性交流輸電系統或者儲能設備[12],這無疑大幅增加了安裝、運行以及維護成本。考慮到目前廣域測量系統在電力系統的廣泛應用,本文將精密測量單元所采集的系統重要數據通過反饋控制環節引入光伏發電的有功控制系統,這給光伏發電系統的阻尼控制提供了一個新的思路。

圖7 光伏接入前后聯絡線52-50有功響應

圖8為本文提出的光伏發電系統阻尼控制策略,該策略在不改變原光伏發電系統PQ解耦控制的基礎上,在有功控制信號電壓參考值處引入一個反饋控制環節,以實現光伏發電系統的阻尼控制。

圖9為光伏逆變器存在的3種結構形式。采用圖9a所示的逆變器結構雖控制靈活方便,但在實際運行當中會造成一定的電能質量問題,因此目前光伏并網大多采用如圖9b所示的逆變器結構,而圖9c融合了低成本與高質量的電能輸出的優點,因此成為了未來并網逆變器結構的發展趨勢。圖8所采用的控制策略僅針對圖9a和圖9c兩種光伏逆變器結構所設計。對于圖9b型結構光伏逆變器,仍可采用如圖8所示的控制結構,在設計過程中,需考慮到不同控制器之間的參數協調問題,其設計方法與同步發電機之間PSS協調控制設計方法類似,可參考相關文獻[13],本文不再贅述。對于圖9a和9c兩種光伏逆變器結構,其阻尼控制器設計方法如下:首先選取聯絡線52-50的有功功率作為控制器輸入,控制器輸出則附加在如圖8所示的光伏發電有功控制環上。

圖8 光伏發電系統阻尼控制策略

(a)集中型

(b)串級型

(c)混合型圖9 光伏并網逆變器結構

根據電力系統低頻振蕩基本特性,系統阻尼比越大,其受擾后振蕩衰減到穩態所需的次數越少,即系統動態性能越好。因此,在對光伏發電系統加入如圖8所示的阻尼控制環節后,應使系統中存在的較小阻尼比提升至穩定范圍,故控制器參數可采用下式確定

(13)

式中:ξ為系統振蕩模式中較小的阻尼比(本文取<15%);Tj為相位補償時間常數(j=1,2,3,4);Ks為控制器增益系數。本文取隔直時間常數Tw為10 s,時滯環節則采用如下一階Pade近似方法進行處理(本文取時滯Td=100 ms)[14]

(14)

對于上述優化問題,本文采用標準粒子群算法(PSO),計算得到ks=2.603,T1=43.782,T2=4.018,T3=6.944,T4=0.236。

圖10為采用本文控制策略前后,區域聯絡線52-50在與圖7相同故障下的有功響應。該圖表明,采用本文控制策略能有效實現光伏發電系統阻尼控制,這降低了光伏并網對系統安全穩定水平可能帶來的負面影響,提高了互聯電力系統對光伏發電系統的接納能力。

圖10 光伏發電系統阻尼控制效果對比

4 結 論

(1)大規模光伏發電系統并網后,會對系統阻尼特性造成一定的影響,其中對系統振蕩頻率的影響遠小于對系統相關模式阻尼比的影響,并且所替代的同步發電機在某模式下的參與因子越大,該模式所受的影響則越大。

(2)光伏發電接入系統因接入位置的不同,隨著滲透率的提升,系統阻尼呈現增大或者減小的趨勢,其正面影響主要原因來源于光伏發電系統對潮流的改變,其負面影響主要來源于光伏發電系統缺乏類似于同步發電機PSS的阻尼控制環節。

(3)大規模光伏發電系統并網雖然對系統阻尼特性有一定影響,但并不直接參與同步發電機直接的機電振蕩,并且在光伏發電并網前后不改變原有同步發電機之間的振蕩模態。

(4)利用WAMS信號,將系統重要數據通過反饋控制環節引入光伏發電的有功控制系統是提高光伏發電系統阻尼的有效辦法,降低了光伏并網對系統安全穩定水平可能帶來的負面影響,提高了互聯電力系統對光伏發電系統的接納能力。

致謝:本文得到了西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室的資助(EIPE13205),特此表示感謝!

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(編輯 杜秀杰)

Influence of Large-Scale Photovoltaic System Integration on Damping Characteristics of Interconnected Grid and Damping Control

SUO Jianglei1,2,HU Zhijian1,2,LIU Yukai1,2,ZHANG Ziyong1,2

(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The future large-scale photovoltaic integration into the grid would affect security and stability of interconnected power systems. Beginning with research on the system damping characteristics, a dynamic model of photovoltaic power system for stability analysis is established, and then the IEEE68 bus test system with PV is constructed. The eigenvalue analysis and modal analysis are adopted to investigate the influence on the damping characteristics of different access location and different penetrating of PV system. The results show that the photovoltaic power generation system is not directly involved in the electro-mechanical oscillations, but changes the system damping mainly by the impact on power flow, and exerts certain negative effects on the system damping for lack of damping control links. The proposed PV system damping control strategy enables to effectively inhibit the negative effects, and enhance the PV system adaptability of the interconnected power system.

integration of large-scale photovoltaic into the grid; dynamic model of PV system; eigenvalue analysis; damping characteristics; damping control

2014-07-21。

索江鐳(1984—),男,博士生;胡志堅(通信作者),男,教授,博士生導師。

高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20110141110032);西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室開放課題資助項目(EIPE13205)。

時間:2014-12-24

10.7652/xjtuxb201502017

TM71

A

0253-987X(2015)02-0099-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141224.1606.001.html