并網光伏電站節(jié)點電壓越限穩(wěn)定機理分析

廖雍琦,向文凱,范 科

(1.國網四川省電力公司遂寧供電公司,四川 遂寧 629000;2.國網四川省電力公司宜賓供電公司,四川 宜賓 644000;3.國網四川省電力公司自貢供電公司,四川 自貢 643100)

隨著能源危機不斷加劇,為實現能源可持續(xù)利用,國家正大力推行可再生能源戰(zhàn)略?？稍偕茉粗饕ㄋΠl(fā)電、風力發(fā)電和光伏發(fā)電。2021年10月國務院辦公廳出臺《2030年前碳達峰行動方案》,提出加快太陽能規(guī)?；_發(fā)生產和高質量快速發(fā)展的規(guī)劃藍圖,強調聚集式和分布式兼顧[1]。在“碳達峰、碳中和”的規(guī)劃背景下,光伏發(fā)電已成為新能源發(fā)展的支柱型能源[2-3]。

地勢方位、光照強度與環(huán)境氣候等不確定性因素加大了光伏發(fā)電電力系統(tǒng)運行調控的難度,對電站內部安裝的一系列繼保安全自動裝置的工作性能而言亦是考驗。當大量新能源集中接入電網,將改變電力系統(tǒng)內部的功率分布,影響系統(tǒng)運行的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性與安全性[4]。

1 并網光伏電站

由《光伏電站接入電網技術規(guī)定》可知,根據光伏電站連接電網電壓等級的不同,可將其劃分為小、中或大規(guī)模的光伏電站。其中,通過66 kV及以上電壓等級接入電網的光伏電站被稱為大型光伏電站。

相比于分布式光伏電站,大型并網光伏電站較典型的特征在于:用地選址需合規(guī)、利于光能集中開發(fā)、遠距離傳輸電能。針對大型并網光伏電站,構建可表現系統(tǒng)輸入、輸出特性的數學模型,可方便潮流分布計算與開展內部節(jié)點靜態(tài)穩(wěn)定分析和后續(xù)研究無功電壓控制手段。

大型并網光伏電站的光伏發(fā)電單元并聯運行在集電線路上,接入10 kV交流母線,電能經升壓站升壓至110 kV,升壓站高壓側母線或節(jié)點被定義為并網點,通過高壓交流輸電線路傳送至電網,其拓撲結構如圖1所示。

圖1 大型并網光伏電站陣列拓撲圖

2 節(jié)點電壓越限分析

光伏發(fā)電的波動性是導致大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網電壓頻繁波動的主要原因。高壓遠距離的輸電方式極大降低了外送功率極限,集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網點電壓也時刻面臨著并網靜態(tài)電壓失穩(wěn)風險。此外,各光伏發(fā)電單元空間位置分散,站內各節(jié)點電壓“強空間分布”特性明顯,光伏電站內匯流母線節(jié)點同樣有電壓越限的風險。為充分展示大型光伏電站并網點電壓越限機理,建立光伏發(fā)電單元等效并網模型,具體如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電單元等效并網模型

由圖2可知,光伏電站主變高壓側并網點與電網節(jié)點間的輸電線路支路關系式為

(1)

圖9a顯示,在海州灣有中尺度反氣旋環(huán)流,其反氣旋氣流維持著與海風鋒鋒面相交的海風。在長江口,是輻合線及輻合中心,等溫線與海岸線基本平行。海風自海面登陸,在內陸數十千米處發(fā)生顯著輻合。在該類海風鋒過程中,海陸溫差非常明顯,達8 ℃以上。海上的最大風速不超過3.5 m·s-1,說明熱力環(huán)流的作用占主導作用。江蘇徐州和安徽北部是鞍形場,并具有變形場鋒生。因此在江蘇與安徽境內具有多個鋒面系統(tǒng),并且從東西南北方向匯集或相遇,為海風鋒伴隨不穩(wěn)定環(huán)境以及激發(fā)強對流提供了條件。

(2)

整理式(2),可得并網點電壓表達式:

(3)

由式(1)、式(3)可知,并網點電壓與電站輸出的有功功率、無功功率、電網阻抗、站內阻抗等因素相關。式(3)中的“±”是在求解過程中開根號而導致的,其中,“+”運算求出的是穩(wěn)定實數解,“-”運算求出的是不穩(wěn)定實數解。

此外,選取電網電壓U和大型并網光伏電站裝機總容量S作為基準值,S由大型并網光伏電站并網點實際向大電網輸送的有功功率PPOI與無功功率QPOI共同決定。 “*”為相應參數的標幺值形式,采用標幺值表示大型光伏電站并網點電壓幅值為

(4)

(5)

進一步推導光伏電站并網點電壓與有功功率間的關系,并網點電壓UPOI對有功功率PPOI的偏導數為

(6)

由式(6)可知,?UPOI/?PPOI在有功功率PPOI較小且大于0時,UPOI的值單調遞增,但隨著PPOI的增大,?UPOI/?PPOI下降為負數,即UPOI隨著PPOI的增大先增大后減小。PPOI增大到一定值時,并網點電壓會低于規(guī)定的下限,將對光伏發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行造成極大威脅。

當光伏發(fā)電單元中逆變器所發(fā)無功功率參與系統(tǒng)運行時,并網點電壓變化有所不同。為此,繪制多組大型光伏電站并網點PPOI-UPOI曲線,如圖4所示。

圖4中,A、B、C3條曲線分別對應Qa、Qb、Qc3種不同大小的無功功率水平,且有Qc>Qb>Qa。若初始狀態(tài)下,系統(tǒng)運行于曲線A,隨光照強度的增強,其有功出力由0逐步增加,當運行至a1點處時,電壓處于越下限的臨界點,此刻投入無功補償裝置,電壓升高,系統(tǒng)運行特性由曲線A轉為曲線B。同時,并網點電壓被抬升至b1點,為有功出力增加提供電壓余量。隨著光照強度持續(xù)增強,運行點由b1移動至b2,電壓處于越下限的臨界點。此時面臨2類可能的情況:

1)站內無功功率裕量不足,并網點電壓越下限,具有低壓脫網風險;

2)光伏電站內部無功功率裕量充足,無功補償裝置投運后,電壓由b2點抬升至c1點,此時大型光伏電站工作于曲線C,但c1運行點距上限Umax較近,且系統(tǒng)電壓穩(wěn)定運行極限點先于規(guī)定的低電壓限值Umin到來。電壓運行曲線急劇縮窄,一旦出現光照強度閃變、電網電壓波動的情況,并網點電壓易越過上限[5],導致電壓失穩(wěn)。

(7)

3 節(jié)點電壓越限仿真分析

采用MATLAB2019a中的電力系統(tǒng)潮流計算及優(yōu)化程序MATPOWER 7.0工具包模擬大型光伏電站并網點電壓的越限過程。

大型并網光伏電站結構如圖1所示,其由30臺單機容量為1 MW的光伏發(fā)電單元組成,總裝機容量為30 MW。集電線路選用3根型號為YJV23-8.7/10的150 mm2的電纜,考慮到其電壓較低、長度較短,故不計電納參數B的影響。高壓輸電線路型號為LGJ-400,建模時采用П形等值電路,為模擬集電線路并網節(jié)點電壓低電壓越限,設定站內阻抗參數如表1所示。

表1 低電壓越限模擬電站阻抗參數

若大型并網光伏電站內部節(jié)點數為33,按照連續(xù)潮流分析方法進行仿真,假定各光伏發(fā)電單元發(fā)出的有功功率以0.1 MW/s的恒定速率從0至1 MW逐漸增大。根據表1中的系統(tǒng)參數可發(fā)現,隨各光伏發(fā)電單元發(fā)出的有功功率由0增大至1 MW時,運行仿真程序后,得到的有功功率PPOI均勻變化,并網點電壓UPOI的變化情況曲線如圖5所示。整個過程中,并網點電壓UPOI始終未達到上限1.07 p.u.,在并網點有功功率PPOI為9 MW時,并網點電壓UPOI達到最高值1.002 8 p.u.。在并網點有功功率PPOI為29.4 MW時,并網點電壓UPOI達到下限值0.97 p.u.?？梢?在30 MW容量的限制下,大型并網光伏電站并網點有越下限的風險。此時,若主變壓器保護跳開兩側開關,將切斷光伏電站與電網的聯系,系統(tǒng)潮流分布發(fā)生較大改變,可能產生對電力系統(tǒng)運行有害的故障電流,同時造成光伏資源浪費。

圖5 并網點有功功率PPOI由0～30 MW均勻變化時并網點電壓UPOI

將光伏發(fā)電單元數量由30個增加至40個,即4條集電線路并聯于10 kV匯流母線,重新仿真后的結果如圖6所示。并網點電壓UPOI并未達到上限1.07 p.u.,在并網點有功功率PPOI達到32 MW時,并網點電壓UPOI達到最高值1.012 7 p.u.。

圖6 并網點有功功率PPOI由0～40 MW均勻變化時并網點電壓UPOI

將光伏發(fā)電單元數量由40個增加至50個,即5條集電線路并聯于10 kV匯流母線,再次仿真后的結果如圖7所示。并網點電壓UPOI仍未達到上限1.07 p.u.,在并網點有功功率PPOI達到35 MW時,并網點電壓UPOI達到最高值1.013 4 p.u.。

圖7 并網點有功功率PPOI由0～50 MW均勻變化時并網點電壓UPOI

將光伏發(fā)電單元數量由30個減小至20個,即僅2條集電線路并聯于10 kV匯流母線,仿真結果如圖8所示。并網點電壓UPOI未達到上限1.07 p.u.,在并網點有功功率PPOI達到20 MW時,并網點電壓UPOI達到最高值1.009 4 p.u.。

圖8 并網點有功功率PPOI由0～20 MW均勻變化時并網點電壓UPOI

4 結論

大型并網光伏電站在并網運行時存在電壓越限,甚至引發(fā)光伏發(fā)電單元脫網的風險,根據該特征,建立大型并網光伏電站拓撲結構圖,開展潮流及運行機理分析,得到并網節(jié)點電壓越限機理,如下所示。

1)當光伏有關出力增大但無功儲備不足時,并網點電壓存在低電壓越限甚至電壓崩潰的風險。此時,補充適當的無功功率將對并網點電壓起到重要支撐作用,但不宜過度補償,防止PPOI-UPOI曲線向左移動至高電壓越限點。

2)并網點電壓靠近PPOI-UPOI曲線中的電壓“轉折”點時,無功-電壓靈敏度趨于無窮大,補償無功功率將使得并網點電壓顯著提高,大幅度的電壓抬升將導致并網點電壓越上限的風險陡升。