大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響

張志文 杜澤源 羅 熹

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司十堰供電公司，湖北 十堰 442000）

0　前言

在社會(huì)快速發(fā)展中逐漸暴露出能源不足的問題，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提高了人們的生活水平，這大大增加了人們對(duì)電力資源的需求量，但是由于我國(guó)資源短缺，在供應(yīng)過程中逐漸出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象，導(dǎo)致人們更加重視能源保護(hù)。目前一種可應(yīng)用的電能資源主要是太陽能光伏發(fā)電，其可以有效的緩解傳統(tǒng)火力和水力發(fā)電供應(yīng)不足的狀況，更好的服務(wù)人們的生產(chǎn)和生活。因此具體研究大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的論述

1.1　光伏電池和陣列模型

構(gòu)成大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要部分之一是光伏電池，因此需要具體仔細(xì)的研究其排列情況，光伏電池等效電路就是本文所說的大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池，其核心主要是二極管模型，而且其數(shù)學(xué)表達(dá)公式在KCL狀態(tài)下是確定的。周星宇認(rèn)為與工程計(jì)算相符合的模型表達(dá)公式是在光伏電池提供電流、開路電壓以及最大功率電壓等情況下確定的，之后利用串并聯(lián)的方式展現(xiàn)出大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)中的陣列模型[1]。

1.2　并網(wǎng)換流器和控制模型

并網(wǎng)換流器是一種暫態(tài)的并網(wǎng)特性，這主要是從大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模單元方面來說的。毛志成等人在研究中發(fā)現(xiàn)目前內(nèi)外環(huán)雙層結(jié)構(gòu)是大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)中主要使用的電壓源型，這樣可以使雙環(huán)的控制方式得以形成，電流是內(nèi)環(huán)控制方式的核心內(nèi)容，其基礎(chǔ)衡量標(biāo)準(zhǔn)主是以外環(huán)的電流參考值為主，而電流入網(wǎng)的目標(biāo)是通過控制環(huán)節(jié)和換流器裝置共同來實(shí)現(xiàn)的；輸入電壓的過程是外環(huán)控制主要的內(nèi)容，內(nèi)環(huán)控制的電流參考值是通過控制環(huán)節(jié)生成的，其對(duì)換流器的并網(wǎng)策略和外特性具有直接的決定性作用[2]。

在實(shí)際的應(yīng)用過程中，主要對(duì)前饋結(jié)構(gòu)控制策略進(jìn)行應(yīng)用，其主要目的是將控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，通過這種策略可以將換流器的暫態(tài)模型及時(shí)的確定，同時(shí)可以將電力結(jié)構(gòu)的處理方式根據(jù)暫態(tài)模型確定下來，最后要在內(nèi)控制環(huán)節(jié)中直接添加這些控制條件。另外內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)具有很小的時(shí)間常數(shù)，因此要想簡(jiǎn)化換流器和內(nèi)環(huán)節(jié)控制，需要對(duì)充分考慮仿真軟件計(jì)算步長(zhǎng)的適應(yīng)性。圖1是換流器和內(nèi)環(huán)控制模型。

圖1　換流器和內(nèi)環(huán)控制模型

根據(jù)圖1可知，有功和無功是光伏并網(wǎng)環(huán)流率結(jié)構(gòu)控制能力主要包括的內(nèi)容，但是要根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際需求對(duì)外環(huán)控制有功和無功并網(wǎng)策略進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，圖2是具體的外環(huán)控制模型。

圖2　具體的外環(huán)控制模型

2　大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響

2.1　影響有功頻率的特性

隨機(jī)波動(dòng)性、低電壓時(shí)無功動(dòng)態(tài)特性不具備、四象限控制能力和脫網(wǎng)現(xiàn)象等是大規(guī)模光伏發(fā)電具備的特性，這些特性會(huì)改變電力系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，從而對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和規(guī)劃造成一定的影響。包玉剛等人在研究中指出光伏電力隨機(jī)波動(dòng)性的幅度和頻率會(huì)嚴(yán)重沖擊系統(tǒng)的有功平衡性，從而對(duì)系統(tǒng)一二次調(diào)頻和有功經(jīng)濟(jì)調(diào)度等運(yùn)行的特性造成影響，同時(shí)會(huì)大大增加頻率質(zhì)量越限等相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)；在接入光伏后對(duì)改變系統(tǒng)備用優(yōu)化策略，針對(duì)這種情況，需要將常規(guī)機(jī)組等電源有功頻率協(xié)調(diào)控制的適應(yīng)性需求進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整；而且由于非旋轉(zhuǎn)靜止元件是光伏電源的實(shí)質(zhì)，由于不斷增加接入的規(guī)模等原因大大降低了系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使系統(tǒng)應(yīng)對(duì)功率缺額的能力進(jìn)一步惡化，這樣增加了頻率迅速變化的風(fēng)險(xiǎn)，從而對(duì)其正常運(yùn)行造成不利影響[3]。

2.2　影響功角穩(wěn)定性

王果等人在研究中發(fā)現(xiàn)靜止元件是光伏電源的本質(zhì)，在功角振蕩過程中其本身是不參與的，因此功角穩(wěn)定性的問題自然不會(huì)存在，但是由于其特性，如隨機(jī)波動(dòng)等，導(dǎo)致在接入大規(guī)模光伏以后對(duì)電網(wǎng)原有的潮流分布和傳輸功率等進(jìn)行了改變，而且在故障穿越期間，光伏具備的動(dòng)態(tài)支撐性能與常規(guī)組具有一定的差異性，所以在接入光伏以后會(huì)在一定程度上改變電網(wǎng)功角的穩(wěn)定性，而電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制光伏電源技術(shù)等對(duì)改變的程度具有決定性的作用，功能穩(wěn)定性在接入光伏以后可能被改善，也可能會(huì)進(jìn)一步惡化，只有通過仿真分析具體的場(chǎng)景才能確定其造成的影響是好是壞。另外如果故障沒有足夠的穿越能力則會(huì)引發(fā)光伏并網(wǎng)的脫網(wǎng)現(xiàn)象，一般在集中化和規(guī)模化以后這種現(xiàn)象更容易出現(xiàn)，脫網(wǎng)現(xiàn)象會(huì)更加強(qiáng)烈的沖擊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以需要與實(shí)際并網(wǎng)情況相結(jié)合，將大規(guī)模光伏的脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)和正確的評(píng)估和預(yù)測(cè)。程康在研究中發(fā)現(xiàn)，我國(guó)光伏基地在集中接入以后將通道潮流分布的均勻性進(jìn)行了改變，而且光伏電源的動(dòng)態(tài)支撐性比較弱，通過對(duì)這兩項(xiàng)影響的分析可知，如果降低了通道的傳輸極限，其安全性可以通過將光伏電源切除來保障。

2.3　影響小擾動(dòng)穩(wěn)定性

雖然機(jī)械與電磁量不平衡的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定問題是光伏電池本身不存在的，但是電氣不穩(wěn)定運(yùn)行是光伏電池普遍存在的問題之一，因此電網(wǎng)的穩(wěn)定性也會(huì)受到并網(wǎng)后大規(guī)模光伏的影響。李娟主要是對(duì)注入特定光伏功率問題進(jìn)行了具體的研究，其對(duì)理論上不穩(wěn)定的一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)利用小擾動(dòng)法具體的分析，在具體的分析中發(fā)現(xiàn)在與最大功率運(yùn)行點(diǎn)的高出力水平接近的地方更容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。李石頭等人對(duì)光伏電氣不穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)理從動(dòng)態(tài)等效阻抗適配方面進(jìn)行研究，其認(rèn)為只有光伏電站的直流側(cè)電容可以吸收故障期間不平衡的功率，而且由于電容具有較小的儲(chǔ)能作用，所以直流側(cè)電壓上升的現(xiàn)象是由功率的不平衡性直接造成的，從而影響電源的正常運(yùn)行。丁明等人在研究過程中通過對(duì)小信號(hào)數(shù)學(xué)模型的建立，其中光伏電池和逆變器等都是該模型所包括的內(nèi)容，對(duì)小干擾對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響通過特征值法進(jìn)行了分析，將光照擾動(dòng)后的穩(wěn)定性用仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

3　結(jié)論

我國(guó)電能供應(yīng)供不應(yīng)求的狀況可以被大規(guī)模光伏發(fā)電有效的緩解，而且其與保護(hù)生態(tài)環(huán)境理念和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求相符合。為了使大規(guī)模光伏發(fā)電的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，將光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)地位充分體現(xiàn)出來，需要進(jìn)一步詳細(xì)的分析和研究光伏發(fā)電的機(jī)組。通過本文的研究可知，有功頻率的特性、功角穩(wěn)定性以及小擾動(dòng)穩(wěn)定性等各個(gè)方面都會(huì)受到大規(guī)模光伏發(fā)電的影響，所以只有將其研究力度不斷加大，才能為電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行提供有利的保障，從而可以促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

［1］李娟.分析大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].電 子 測(cè) 試 ，2015,25(19)：144-145.

［2］包玉剛,夏勇.大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響綜述[J].通信電源技術(shù)，2016，33，16(04)：233-234.

［3］丁明,王偉勝,王秀麗,宋云亭,陳得治,孫鳴.大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響綜述 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(01)：1-14.