大規(guī)模光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響研究

林發(fā)祥

（國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司， 江蘇 南京 211000）

0 引言

隨著新能力電力系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，基于分布式電源（distributed generation，DG），即光伏發(fā)電、風(fēng)電、水電等可再生能源發(fā)電并入電力系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)化石能源污染大、儲(chǔ)量趨于枯竭的問(wèn)題[1]。然而，大規(guī)模光伏發(fā)電并入電力系統(tǒng)，光伏發(fā)電受外界環(huán)境影響較大，對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓源波動(dòng)和善變產(chǎn)生巨大的影響，并且大規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置的電子裝置會(huì)造成電力諧波污染。更重要的是對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)配電系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，系統(tǒng)的潮流以及電壓分布會(huì)隨之產(chǎn)生變化，尤其是在大規(guī)模光伏發(fā)電并入電網(wǎng)對(duì)電壓的頻率和攻角穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響[2]。因此，為了確保光伏發(fā)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的輸出動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際電壓源輸出情況而實(shí)施相應(yīng)的調(diào)度管理工作是十分有必要的。

1 光伏發(fā)電動(dòng)態(tài)特性分析

1.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

當(dāng)前大規(guī)模分布式電源接入配電網(wǎng)之后，電力系統(tǒng)會(huì)受到新能源不穩(wěn)定性的影響，衍生出一些無(wú)功動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的問(wèn)題，如高抗、弱慣性等電子裝置的穩(wěn)定性等，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)會(huì)受到影響。針對(duì)當(dāng)前電力系統(tǒng)在故障前后，故障節(jié)點(diǎn)處的電壓、頻率變化進(jìn)行檢測(cè)之后得出不同滲透率。由于光伏發(fā)電中逆變型分布式發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中較為常見，則利用光伏發(fā)電逆變型分布式電源發(fā)電機(jī)作為檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的研究對(duì)象[3]。

通過(guò)調(diào)節(jié)分布式電源發(fā)電機(jī)的輸出功能，將逆變型分布式電源放在不同滲透率下運(yùn)行，研究其動(dòng)態(tài)特性。假設(shè)電力系統(tǒng)輸電線路產(chǎn)生三相短路故障的現(xiàn)象，并且在該故障節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生100 ms 故障之后，通過(guò)跳開故障線路接觸故障實(shí)現(xiàn)故障解除。以某區(qū)域電力系統(tǒng)在三種不同滲透率下，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)逆變型分布式電源發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性曲線如圖1 所示。

圖1 故障時(shí)分布式電源發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速特性曲線圖

從圖1 可以看出，分布式電源并網(wǎng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)的故障清除、恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的自愈性速度會(huì)隨著DG 并網(wǎng)滲透率的增加而降低。逆變型DG 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速峰值相應(yīng)也在隨著增大，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的自愈性能[4]。也就是說(shuō)在大規(guī)模光伏發(fā)電并入電力系統(tǒng)會(huì)可以為電力系統(tǒng)故障快速恢復(fù)提供有力的電壓支撐，但是同時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的偏差峰值波動(dòng)可能會(huì)影響電力系統(tǒng)崩潰。

1.2 動(dòng)態(tài)頻率分析

DG 并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，DG 發(fā)電機(jī)輸出頻率會(huì)產(chǎn)生較大的峰值波動(dòng)。并且，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)在100 ms 之后將其清除，并且會(huì)在系統(tǒng)經(jīng)歷不同程度震蕩之后最終逐漸穩(wěn)定（如圖2所示），即電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在1 s 處發(fā)生了故障，在100 ms 之后完成故障清除，整個(gè)DG 發(fā)電系統(tǒng)的頻率會(huì)產(chǎn)生不同程度的振蕩，并最終趨于穩(wěn)定[5]。

當(dāng)大規(guī)模DG 并入配電網(wǎng)，電力系統(tǒng)大電網(wǎng)以額定頻率50 Hz 運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)微電網(wǎng)滲透率由0 增大到40%時(shí)，頻率曲線會(huì)隨之振蕩，并且其振蕩會(huì)隨之加劇。電力系統(tǒng)波動(dòng)的頻率恢復(fù)到參考標(biāo)準(zhǔn)值的過(guò)渡時(shí)間會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)。電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，在電力恢復(fù)到正常范圍的時(shí)間期內(nèi)，大規(guī)模DG 并網(wǎng)時(shí)電力系統(tǒng)內(nèi)部引入的電力電子裝置會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成更大的高次諧波干擾，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率會(huì)產(chǎn)生不同幅度的振蕩。

2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

2.1 DG 光伏發(fā)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)潮流分析

大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，潮流是影響電力系統(tǒng)交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中實(shí)際等效電阻的重要影響因素之一。為了保障電力系統(tǒng)電壓源穩(wěn)定，需要進(jìn)一步確定實(shí)施電壓源穩(wěn)定檢測(cè)的方法，計(jì)算出大規(guī)模DG 并網(wǎng)電力系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)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(guī)模DG 電網(wǎng)系統(tǒng)采用的是脈沖寬度調(diào)制（Pulse-Width Modulation，PWM）調(diào)節(jié)的方式，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)具體運(yùn)行參數(shù)的細(xì)節(jié)調(diào)制。因此，文章在分析了大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)電壓源動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響的前提下，采用PWM調(diào)節(jié)幅度和控制相角計(jì)算系統(tǒng)的潮流變化[6]。

文章設(shè)計(jì)優(yōu)化的PWM調(diào)節(jié)系統(tǒng)在具體計(jì)算時(shí)，將光伏發(fā)電并網(wǎng)的電力系統(tǒng)劃分為交流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和直流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在兩個(gè)不同的子系統(tǒng)中，要計(jì)算出其潮流變化，假設(shè)節(jié)點(diǎn)與電壓源換流器VSC 相連的換流器節(jié)點(diǎn)數(shù)量為no，位于換流站直接關(guān)聯(lián)的普通節(jié)點(diǎn)數(shù)量為np，則交流系統(tǒng)的潮流計(jì)算方法可以表示為公式（1）：

式中：Tc為光伏發(fā)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)中交流子系統(tǒng)的潮流變化；Pc為電壓源換流器節(jié)點(diǎn)的輸出功率；Qt為換流站直接關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的輸出功率；U0為光伏發(fā)電并入電力系統(tǒng)的額定電壓；Ui為電壓源換流器輸入端的電壓值；gij為PWM 調(diào)節(jié)器的調(diào)制度；αij為換流站PWM調(diào)節(jié)器的控制相角；bij為換流站內(nèi)電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償；Uj為換流站電壓源調(diào)節(jié)器輸出端的電壓值。

DG 并網(wǎng)的直流子系統(tǒng)中的電力潮流變化方程見公式（2）：

式中：Ts為光伏發(fā)電并入電力系統(tǒng)中直流子系統(tǒng)的潮流變化；P0及Q0為DG 并網(wǎng)電壓源換流器與系統(tǒng)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(wǎng)的靜態(tài)模式下，公式（2）中的P0及Q0均為恒值。在動(dòng)態(tài)模式下，DG 并入配電網(wǎng)下電壓源換流器與系統(tǒng)母線之間的傳輸功率會(huì)隨著電力系統(tǒng)的運(yùn)行而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。在具體電力系統(tǒng)運(yùn)行中，想要確定光伏發(fā)電并入配電網(wǎng)系統(tǒng)的潮流變化，需要結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際變化中產(chǎn)生不同的電壓源恒定值，為后續(xù)電力系統(tǒng)的兩個(gè)子系統(tǒng)中的電壓源潮流變化計(jì)算提供依據(jù)。

2.2 大規(guī)模DG 并網(wǎng)輸出電壓動(dòng)態(tài)計(jì)算

在計(jì)算出DG 并網(wǎng)電力系統(tǒng)的潮流變化分析時(shí)，需考慮光伏發(fā)電并網(wǎng)時(shí)，DG 逆變型發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的接入方式，采用單位功率因素下，光伏發(fā)電交流匯集線路饋入端環(huán)流母線的無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)電壓源輸出的電壓動(dòng)態(tài)計(jì)算。計(jì)算公式如式（3）所示：

式中：W為光伏發(fā)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)中電壓源輸出電壓；其余解釋與上述公式闡釋一致。當(dāng)W=0 時(shí)，這時(shí)DG 電力系統(tǒng)的電壓源輸出電壓為額定電壓，且當(dāng)W＞0 時(shí)，電力系統(tǒng)中換流站的無(wú)功功率輸出則高于額定電壓，則需要通過(guò)PWM調(diào)節(jié)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(wǎng)電力系統(tǒng)電壓源的輸出電壓；I為DG 換流站PWM調(diào)節(jié)器輸出的電流。

則當(dāng)W＜0 時(shí)，DG 并網(wǎng)的電壓源輸出電壓高于額定電壓，需要進(jìn)一步國(guó)通PWM 換流器對(duì)其高出部分的額定電壓進(jìn)行補(bǔ)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(jì)算下，得出DG 并網(wǎng)的電壓源輸出電壓值。若公式的計(jì)算結(jié)果在光伏發(fā)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)允許的波動(dòng)范圍值內(nèi)，則表示系統(tǒng)的電壓源處于穩(wěn)定的狀態(tài)。若是得出的結(jié)果超出了系統(tǒng)允許的波動(dòng)范圍時(shí)，則表示DG 并網(wǎng)電力系統(tǒng)的電壓源為非穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果的波動(dòng)值和異常程度實(shí)施相應(yīng)的電網(wǎng)調(diào)節(jié)措施，當(dāng)光伏發(fā)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)允許的額定輸出電壓越高，相應(yīng)地其對(duì)應(yīng)的允許波動(dòng)范圍就越大，電力系統(tǒng)的電壓源穩(wěn)定性規(guī)劃范圍就越廣。

3 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

為了檢測(cè)文章設(shè)計(jì)的DG 并網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性檢測(cè)方法的實(shí)際效果，構(gòu)建CIGRE Benchmark 模型，其中電力系統(tǒng)中交直流網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)的額定功率及直流電壓參數(shù)分別為1 000 MW 及220 kV。并且，在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，將相應(yīng)的換流母線的額定電壓值為150 kV，則相對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓則表示換流母線的額定電壓值。并且，光伏發(fā)電并網(wǎng)在受到外界環(huán)境的影響以及電網(wǎng)自身的特點(diǎn)，設(shè)定其允許的最大波動(dòng)閾值范圍為5.0%，且相對(duì)應(yīng)的光伏惠及線路的等值電壓抗阻為0.5 pu。基于此，光伏輸出的電壓變化曲線如圖3 所示。

圖3 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓變化曲線

從圖中可以看出，根據(jù)光伏發(fā)電并入配電網(wǎng)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)定相應(yīng)的管理白哦和準(zhǔn)，則可以從中可以看出設(shè)置的測(cè)試數(shù)據(jù)中會(huì)存在超閾值的波動(dòng)情況。基于此，文章對(duì)3 種不同的電壓源穩(wěn)定性檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如表1 所示。

表1 電壓源移動(dòng)波動(dòng)穩(wěn)定性檢測(cè)誤差對(duì)比

從表1 中可以看出，三種不同的方法對(duì)于異常波動(dòng)時(shí)間為160 min 時(shí)的檢測(cè)誤差達(dá)到最小，而文章設(shè)計(jì)的電壓源穩(wěn)定性檢測(cè)方法在任何異常波動(dòng)時(shí)間內(nèi)的誤差均小于其余兩種方法。也就是說(shuō)，文章設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓源的無(wú)功動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)準(zhǔn)確性更高，并可以為實(shí)際的DG 電力系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

大規(guī)模光伏發(fā)電并入電力系統(tǒng)是當(dāng)前新能源發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要供能方式，DG 并網(wǎng)的無(wú)功功率動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性直接影響了供電系統(tǒng)覆蓋區(qū)域的供電質(zhì)量及用電安全。因此，文章在研究光伏發(fā)電并入電力系統(tǒng)的無(wú)功動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，分析了系統(tǒng)潮流對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)了有效計(jì)算DG 并網(wǎng)電力系統(tǒng)電壓源的異常波動(dòng)值，為當(dāng)前分布式電源并入配電網(wǎng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供有力的數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步促進(jìn)了電力系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行。