光伏并網(wǎng)對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的研究

摘""要：研究探討光伏并網(wǎng)對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響，特別是在雙高電力系統(tǒng)背景下，隨著國家對清潔能源的政策推動(dòng)，光伏發(fā)電的并網(wǎng)比例逐漸上升，給頻率控制帶來了新的挑戰(zhàn)。研究采用具有典型光伏并網(wǎng)點(diǎn)的頻率數(shù)據(jù)，對光伏并網(wǎng)電力系統(tǒng)的頻率波動(dòng)進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合分析，旨在揭示光伏發(fā)電對頻率穩(wěn)定性的影響機(jī)制。研究為進(jìn)一步優(yōu)化光伏并網(wǎng)技術(shù)和電力系統(tǒng)調(diào)控策略提供理論依據(jù)，助力實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效利用與電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；頻率穩(wěn)定性；雙高電力系統(tǒng)

1概述

光伏發(fā)電作為可再生能源的重要組成部分，其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。然而，光伏發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性特征，對電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。光伏發(fā)電的輸出強(qiáng)烈程度依賴于氣候條件和日照時(shí)間，導(dǎo)致其發(fā)電功率在短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)顯著變化。當(dāng)光照條件突變或負(fù)荷急劇波動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的頻率控制手段（如慣性調(diào)節(jié)和一次調(diào)頻）往往難以有效應(yīng)對，這使得含有光伏發(fā)電的電力系統(tǒng)的頻率非常容易受到擾動(dòng)，進(jìn)而影響電力供應(yīng)的可靠性。

隨著光伏比例的不斷增加，常規(guī)發(fā)電機(jī)組（如燃煤和燃?xì)鈾C(jī)組）的調(diào)節(jié)能力逐漸減弱[1]。這一趨勢不僅降低了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組在頻率調(diào)節(jié)中的主導(dǎo)作用，也使得整個(gè)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)能力不足，頻率偏離的風(fēng)險(xiǎn)顯著上升。特別的，在光伏發(fā)電高滲透率的情況下，系統(tǒng)內(nèi)的慣性減少，導(dǎo)致頻率恢復(fù)能力下降，此時(shí)，任何負(fù)荷的變化都有可能引發(fā)頻率的劇烈波動(dòng)。

為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，研究如何在雙高電力系統(tǒng)（高比例可再生能源和高負(fù)荷需求）中實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定顯得尤為重要。首先，改進(jìn)調(diào)度策略是解決頻率問題的關(guān)鍵。智能化的調(diào)度系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)，靈活調(diào)整發(fā)電組合和負(fù)荷管理，以優(yōu)化頻率調(diào)節(jié)能力。通過精準(zhǔn)的負(fù)荷預(yù)測和靈活的發(fā)電調(diào)度，可以最大限度地減少由于光伏波動(dòng)帶來的頻率擾動(dòng)。

同時(shí)，可以引入先進(jìn)技術(shù)手段，如需求響應(yīng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠有效應(yīng)對光伏發(fā)電帶來的不確定性。需求響應(yīng)技術(shù)允許消費(fèi)者在高峰時(shí)段調(diào)整用電量，從而減輕電力系統(tǒng)的負(fù)荷壓力。而儲(chǔ)能系統(tǒng)（如電池儲(chǔ)能和抽水蓄能）則能夠在光伏發(fā)電過剩時(shí)儲(chǔ)存多余的電能，并在光伏發(fā)電不足時(shí)迅速釋放，提供必要的頻率調(diào)節(jié)支持。這種雙向調(diào)節(jié)能力，不僅提升了電力系統(tǒng)的靈活性，也為頻率穩(wěn)定提供了新的保障。

因此，研究如何在雙高電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定，不僅是對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行模式的挑戰(zhàn)，更是實(shí)現(xiàn)可再生能源與電力系統(tǒng)高效融合的必要步驟。通過綜合應(yīng)用先進(jìn)的調(diào)度策略與技術(shù)手段，可以有效提高電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，為可再生能源的廣泛應(yīng)用鋪平道路。

2光伏并網(wǎng)逆變器對頻率影響

頻率的變化是由于電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的有功功率（通過HVDC輸入）和消耗的有功功率（通過HVDC輸出）之間的不平衡。在有光伏接入的電力系統(tǒng)中，由于光伏發(fā)電設(shè)備無法提供無功功率，因此需要電力電子設(shè)備控制有功功率和無功功率。光伏并網(wǎng)逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其對電力系統(tǒng)頻率的影響體現(xiàn)在多個(gè)方面。逆變器的主要功能是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，并確保其與電網(wǎng)的相位和頻率同步。然而，逆變器的控制策略和運(yùn)行特性對頻率穩(wěn)定性有直接影響。

逆變器通常采用基于功率控制的策略，包括電壓和頻率調(diào)節(jié)功能。當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時(shí)，逆變器可以通過減少輸出功率來幫助恢復(fù)頻率，這一過程被稱為“頻率響應(yīng)”。但是，一些傳統(tǒng)逆變器的這一功能并不完善，導(dǎo)致在電網(wǎng)頻率急劇下降時(shí)無法快速反應(yīng)，從而加劇頻率波動(dòng)。一些具有先進(jìn)控制策略的逆變器可以提供靈活的功率調(diào)節(jié)，提升系統(tǒng)的頻率恢復(fù)能力。

逆變器的并網(wǎng)模式也會(huì)影響頻率穩(wěn)定性。有些逆變器在并網(wǎng)時(shí)會(huì)限制其輸出功率，以防止對電網(wǎng)造成過大沖擊。這種限制雖然在短期內(nèi)有助于維護(hù)系統(tǒng)安全，但在光伏發(fā)電比例高的情況下，可能導(dǎo)致光伏電站的整體發(fā)電能力無法充分利用，抑制了對頻率調(diào)節(jié)的支持，從而導(dǎo)致頻率波動(dòng)加劇。

同時(shí)，逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性需要適應(yīng)在負(fù)荷變化或突發(fā)事件（如光照條件急劇變化）時(shí)，能夠快速調(diào)整輸出滿足電網(wǎng)需求，降低頻率波動(dòng)的幅度。

目前電網(wǎng)中存在的新能源機(jī)組依靠逆變器向電網(wǎng)輸送功率，分為跟網(wǎng)型控制（電流源型新能源機(jī)組）和構(gòu)網(wǎng)型控制（電壓源型新能源機(jī)組）兩類[2]，二者主要區(qū)別在于其控制策略不同。跟網(wǎng)型逆變器的控制變量為電流，是一種引入鎖相環(huán)以電網(wǎng)電壓相角δ為參考的電流閉環(huán)控制，并網(wǎng)時(shí)等效為受控電流源，因此也被稱為電流控制型逆變器。當(dāng)電網(wǎng)呈現(xiàn)弱電網(wǎng)強(qiáng)度時(shí)，由于鎖相環(huán)的引入，使得跟網(wǎng)型逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，存在諧波振蕩問題也會(huì)惡化系統(tǒng)穩(wěn)定性。構(gòu)網(wǎng)型逆變器的控制變量為電壓的相角與幅值，不需要鎖相環(huán)的介入，便可以生成控制策略的參考相角，因此穩(wěn)定性要優(yōu)于跟網(wǎng)型逆變器

2.1跟網(wǎng)型控制器

跟網(wǎng)型逆變器，通常用于將直流電能（如太陽能電池板產(chǎn)生的電能）轉(zhuǎn)換為交流電能，以便接入電網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，通常由直流輸入端、逆變橋、控制電路和交流輸出端組成。逆變橋使用功率半導(dǎo)體元件（如IGBT或MOSFET）進(jìn)行直流到交流的轉(zhuǎn)換。其控制電路負(fù)責(zé)監(jiān)測輸入電壓和電流，并調(diào)節(jié)逆變橋的開關(guān)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)所需的輸出波形。跟網(wǎng)型控制器主要用于光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的同步控制，其基本功能是保持與電網(wǎng)的相位和頻率一致。其控制策略是通過鎖相環(huán)跟蹤光伏并網(wǎng)點(diǎn)的電壓相位，矢量電流的控制是基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的dq參考系確定的，其新能源機(jī)組作為功率源運(yùn)行[3]。這種控制器通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)頻率變化，調(diào)節(jié)光伏發(fā)電的輸出，確保其在電網(wǎng)頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。跟網(wǎng)型控制器通常具備快速響應(yīng)能力，可以實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電功率以應(yīng)對電網(wǎng)頻率波動(dòng)，但是出力受天氣影響，不具備當(dāng)頻率下降時(shí)增發(fā)有功功率。

2.2構(gòu)網(wǎng)型控制器

構(gòu)網(wǎng)型逆變器主要用于微電網(wǎng)或分布式發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與跟網(wǎng)型逆變器有所不同，構(gòu)網(wǎng)型逆變器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許多種電源（如太陽能、風(fēng)能、儲(chǔ)能系統(tǒng)）同時(shí)接入，這種靈活性使其能夠更好地適應(yīng)分布式發(fā)電的需求，因此，通常配備多個(gè)直流輸入端，以連接不同類型的可再生能源設(shè)備。由于構(gòu)網(wǎng)型逆變器需要處理多種電源和負(fù)載，所以其控制策略通常更加復(fù)雜，因此更側(cè)重于系統(tǒng)的整體控制和協(xié)調(diào)，其控制策略是通過有功功率控制和無功功率控制來調(diào)節(jié)并網(wǎng)變流器的輸出有功和無功功率，產(chǎn)生作為基準(zhǔn)的電壓相位角和電壓幅值，并通過電壓控制回路調(diào)節(jié)逆變器輸出的電壓[4];該控制策略可以很好的為系統(tǒng)提供頻率和電壓支撐，但是需要儲(chǔ)能環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定的直流電壓和額外的功率支撐。

在光伏并網(wǎng)的背景下，構(gòu)網(wǎng)型控制器能有效協(xié)調(diào)不同發(fā)電單元的出力，減輕瞬時(shí)負(fù)荷變化對頻率的影響。此外，在極端天氣條件下，若多個(gè)光伏單元同時(shí)遭遇輸出下降，構(gòu)網(wǎng)型控制器可能導(dǎo)致整體系統(tǒng)頻率的劇烈波動(dòng)。

隨著新能源滲透率的不斷提高，電網(wǎng)的低慣量特性可能會(huì)導(dǎo)致頻率的波動(dòng)加劇，跟網(wǎng)型逆變器由于依賴外部電網(wǎng)的穩(wěn)定頻率和電壓參考，其穩(wěn)定性較弱；構(gòu)網(wǎng)型逆變器則是通過內(nèi)部設(shè)點(diǎn)的電壓參考實(shí)時(shí)調(diào)整輸出，具有更好的穩(wěn)定性。但是，在實(shí)際光伏電站的并網(wǎng)逆變器選擇中，要綜合考慮所在地區(qū)的慣量、儲(chǔ)備能力是否能滿足當(dāng)光伏出力出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，依舊能夠保證該地區(qū)的頻率穩(wěn)定性。

3光伏發(fā)電對頻率的影響

光伏新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)頻率的影響主要體現(xiàn)在其間歇性和波動(dòng)性特征[5]，光伏發(fā)電的輸出受氣候條件（如光照強(qiáng)度和天氣變化）的顯著影響，這導(dǎo)致其發(fā)電功率存在較大的隨機(jī)性。當(dāng)光伏發(fā)電占比逐漸提高時(shí)，電力系統(tǒng)面臨的頻率波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)隨之增加。

在正常運(yùn)行條件下，光伏發(fā)電可為電力系統(tǒng)提供額外的能量支持，但在快速負(fù)荷變化或光照條件突變的情況下，系統(tǒng)頻率可能出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。具體而言，光伏發(fā)電的快速上升或下降可能導(dǎo)致頻率的瞬時(shí)偏離，迫使調(diào)度中心迅速采取響應(yīng)措施。這種頻率偏差在高光伏滲透率情況下尤為明顯，可能導(dǎo)致頻率控制的時(shí)間延遲，加劇頻率的波動(dòng)。

此外，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組主要依賴機(jī)械慣性來提供頻率調(diào)節(jié)，而光伏發(fā)電系統(tǒng)通常不具備這種慣性響應(yīng)能力。這意味著，在光伏發(fā)電占據(jù)較大比例時(shí)，系統(tǒng)的慣性減少，頻率恢復(fù)能力下降，可能引發(fā)更嚴(yán)重的頻率失穩(wěn)問題。因此，為了有效應(yīng)對光伏并網(wǎng)帶來的頻率挑戰(zhàn)，需探索先進(jìn)的控制策略與儲(chǔ)能解決方案，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的調(diào)度靈活性和頻率響應(yīng)能力，以確保系統(tǒng)在高比例可再生能源環(huán)境下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4典型數(shù)據(jù)擬合分析

針對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性分析，選取某地光伏發(fā)電較多的節(jié)點(diǎn)頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)包含一天24小時(shí)，抽樣間隔為3分鐘的頻率變化，圖3為頻率-時(shí)間曲線，反映該節(jié)點(diǎn)一天的頻率變化，可以看出頻率在小范圍內(nèi)"的波動(dòng)較為明顯；圖4為時(shí)間-頻率的散點(diǎn)圖，可以看出該節(jié)點(diǎn)絕大多數(shù)時(shí)間的頻率穩(wěn)定在50Hz。

根據(jù)上面頻率波動(dòng)曲線和散點(diǎn)圖中點(diǎn)的分布來看，采用正態(tài)分布對該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比較恰當(dāng)，圖5為根據(jù)該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)做的正態(tài)分布擬合結(jié)果，可見該節(jié)點(diǎn)的頻率波動(dòng)符合正態(tài)分布，具體表現(xiàn)為圍繞基準(zhǔn)上下波動(dòng)0.03Hz，該節(jié)點(diǎn)具有良好的頻率穩(wěn)定性。

結(jié)論

光伏發(fā)電具有綠色、環(huán)保、清潔、可再生的特點(diǎn)，但是由于其間歇性、波動(dòng)性，在并網(wǎng)過程中對導(dǎo)致電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題，主要表現(xiàn)在頻率波動(dòng)，系統(tǒng)慣量不足。因此，研究光伏并網(wǎng)逆變器對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性影響、光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響分析，有助于對電力系統(tǒng)慣量分布特性的研究，在慣量低的地區(qū)設(shè)置備用慣量，更加合理的分配新能源發(fā)電和傳統(tǒng)能源發(fā)電。

參考文獻(xiàn)

[1]孫東陽，申文強(qiáng)，周凱，等.電網(wǎng)次同步振蕩對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響分析及抑制策略研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2024，44（23）：9262-9275.

[2]馬駿超，陸承宇，王晨旭，等.新型電力系統(tǒng)慣量特性及其實(shí)時(shí)感知技術(shù)[J].浙江電力，2024，43（02）：1-12.

[3]程成，謝少軍，譚玲娟，等.跟網(wǎng)型逆變器的非線性模型及穩(wěn)定性分析方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2022，46（06）：137-143.

[4]趙炳洋，趙波，張芳，等.構(gòu)網(wǎng)型逆變器技術(shù)綜述[J].北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，37（04）：57-67.

[5]丁明，王偉勝，王秀麗，等.大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（01）：1-14.

作者簡介：陳洪波（1989—"），女，漢族，安徽霍邱人，本科，工程師，研究方向：電氣工程與自動(dòng)化；付捷（2000—"），男，漢族，安徽巢湖人，本科，研究方向：電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估。