大規模光伏發電對電力系統影響

張志文　杜澤源　羅熹

【摘 要】隨著人們環保意識的不斷提升和科學技術的不斷發展，光伏發電作為目前技術較為成熟的新能源之一，可以將人們對電能的需求有效的緩解，但是由于光伏發電的發電原理與傳統水火發電存在較大差異，其應用會對電力系統的頻率、電壓等產生一定影響，因此本文主要研究的是大規模光伏發電對電力系統影響的綜述。

【關鍵詞】大大規模光伏發電；電力系統；影響

中圖分類號： TM615；TM73 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0138-002

Impact of Large Scale Photovoltaic Power Generation on Power System

ZHANG Zhi-wen DU Ze-yuan LUO Xi

（State Grid Hubei Electric Power Co.， Ltd. Shiyan Power Supply Company， Shiyan 442000， China）

【Abstract】With the continuous improvement of people's awareness of environmental protection and the constant development of science and technology， as one of the more mature new energy sources， photovoltaic power generation can effectively relieve the demand for electric energy. However， due to the principle and tradition of photovoltaic power generation， Water and power generation are quite different， and their application will have an impact on the frequency and voltage of the power system. Therefore， this paper mainly studies the impact of large-scale photovoltaic power generation on the power system.

【Key words】Large-scale photovoltaic power generation； Power system； Influence

0 前言

在社會快速發展中逐漸暴露出能源不足的問題，經濟的發展提高了人們的生活水平，這大大增加了人們對電力資源的需求量，但是由于我國資源短缺，在供應過程中逐漸出現供不應求的現象，導致人們更加重視能源保護。目前一種可應用的電能資源主要是太陽能光伏發電，其可以有效的緩解傳統火力和水力發電供應不足的狀況，更好的服務人們的生產和生活。因此具體研究大規模光伏發電對電力系統的影響具有重要的現實意義。

1 大規模光伏發電系統的論述

1.1 光伏電池和陣列模型

構成大規模光伏發電系統的重要部分之一是光伏電池，因此需要具體仔細的研究其排列情況，光伏電池等效電路就是本文所說的大規模光伏發電系統中的光伏電池，其核心主要是二極管模型，而且其數學表達公式在KCL狀態下是確定的。周星宇認為與工程計算相符合的模型表達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，之后利用串并聯的方式展現出大規模光伏發電系統中的陣列模型[1]。

1.2 并網換流器和控制模型

并網換流器是一種暫態的并網特性，這主要是從大規模光伏發電系統大規模單元方面來說的。毛志成等人在研究中發現目前內外環雙層結構是大規模光伏發電系統中主要使用的電壓源型，這樣可以使雙環的控制方式得以形成，電流是內環控制方式的核心內容，其基礎衡量標準主是以外環的電流參考值為主，而電流入網的目標是通過控制環節和換流器裝置共同來實現的；輸入電壓的過程是外環控制主要的內容，內環控制的電流參考值是通過控制環節生成的，其對換流器的并網策略和外特性具有直接的決定性作用[2]。

在實際的應用過程中，主要對前饋結構控制策略進行應用，其主要目的是將控制器的設計進一步簡化，通過這種策略可以將換流器的暫態模型及時的確定，同時可以將電力結構的處理方式根據暫態模型確定下來，最后要在內控制環節中直接添加這些控制條件。另外內環控制環節具有很小的時間常數，因此要想簡化換流器和內環節控制，需要對充分考慮仿真軟件計算步長的適應性。

根據圖1可知，有功和無功是光伏并網環流率結構控制能力主要包括的內容，但是要根據光伏發電系統的實際需求對外環控制有功和無功并網策略進行合理的設計，圖2是具體的外環控制模型。

2 大規模光伏發電系統對電力系統的影響

2.1 影響有功頻率的特性

隨機波動性、低電壓時無功動態特性不具備、四象限控制能力和脫網現象等是大規模光伏發電具備的特性，這些特性會改變電力系統的穩定特性，從而對系統的正常運行和規劃造成一定的影響。包玉剛等人在研究中指出光伏電力隨機波動性的幅度和頻率會嚴重沖擊系統的有功平衡性，從而對系統一二次調頻和有功經濟調度等運行的特性造成影響，同時會大大增加頻率質量越限等相應的風險；在接入光伏后對改變系統備用優化策略，針對這種情況，需要將常規機組等電源有功頻率協調控制的適應性需求進行及時的調整；而且由于非旋轉靜止元件是光伏電源的實質，由于不斷增加接入的規模等原因大大降低了系統的等效轉動慣量，使系統應對功率缺額的能力進一步惡化，這樣增加了頻率迅速變化的風險，從而對其正常運行造成不利影響[3]。

2.2 影響功角穩定性

王果等人在研究中發現靜止元件是光伏電源的本質，在功角振蕩過程中其本身是不參與的，因此功角穩定性的問題自然不會存在，但是由于其特性，如隨機波動等，導致在接入大規模光伏以后對電網原有的潮流分布和傳輸功率等進行了改變，而且在故障穿越期間，光伏具備的動態支撐性能與常規組具有一定的差異性，所以在接入光伏以后會在一定程度上改變電網功角的穩定性，而電網拓撲結構以及控制光伏電源技術等對改變的程度具有決定性的作用，功能穩定性在接入光伏以后可能被改善，也可能會進一步惡化，只有通過仿真分析具體的場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引發光伏并網的脫網現象，一般在集中化和規模化以后這種現象更容易出現，脫網現象會更加強烈的沖擊系統的穩定性，所以需要與實際并網情況相結合，將大規模光伏的脫網風險及時和正確的評估和預測。程康在研究中發現，我國光伏基地在集中接入以后將通道潮流分布的均勻性進行了改變，而且光伏電源的動態支撐性比較弱，通過對這兩項影響的分析可知，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 影響小擾動穩定性

雖然機械與電磁量不平衡的動力學穩定問題是光伏電池本身不存在的，但是電氣不穩定運行是光伏電池普遍存在的問題之一，因此電網的穩定性也會受到并網后大規模光伏的影響。李娟主要是對注入特定光伏功率問題進行了具體的研究，其對理論上不穩定的一個運行點利用小擾動法具體的分析，在具體的分析中發現在與最大功率運行點的高出力水平接近的地方更容易出現不穩定的現象。李石頭等人對光伏電氣不穩定運行機理從動態等效阻抗適配方面進行研究，其認為只有光伏電站的直流側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能作用，所以直流側電壓上升的現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行。丁明等人在研究過程中通過對小信號數學模型的建立，其中光伏電池和逆變器等都是該模型所包括的內容，對小干擾對系統穩定性的影響通過特征值法進行了分析，將光照擾動后的穩定性用仿真模型進行了驗證。

3 結論

我國電能供應供不應求的狀況可以被大規模光伏發電有效的緩解，而且其與保護生態環境理念和可持續發展的戰略要求相符合。為了使大規模光伏發電的目標得以實現，將光伏發電的優勢地位充分體現出來，需要進一步詳細的分析和研究光伏發電的機組。通過本文的研究可知，有功頻率的特性、功角穩定性以及小擾動穩定性等各個方面都會受到大規模光伏發電的影響，所以只有將其研究力度不斷加大，才能為電力系統的正常穩定運行提供有利的保障，從而可以促進我國經濟的進一步發展。

【參考文獻】

[1]李娟.分析大規模光伏發電入網對電力系統的影響[J].電子測試，2015，25（19）：144-145.

[2]包玉剛，夏勇.大規模光伏發電對電力系統影響綜述[J].通信電源技術，2016，33，16（04）：233-234.

[3]丁明，王偉勝，王秀麗，宋云亭，陳得治，孫鳴.大規模光伏發電對電力系統影響綜述[J].中國電機工程學報，2014，34（01）：1-14.