刍议大规模光伏发电对电力系统的影响

李石头 王小川 胡彦雪

（大盛微电科技股份有限公司，河南 许昌 461000）

随着能源形势的日益紧张以及环保要求的不断提高，现代社会经济发展过程中对于可再生能源尤其新型能源的需求正在迅猛增长。 随着其应用范围的逐渐扩展，其对电力系统的规划设计、仿真、电力调度以及系统控制等方面的影响也正成为各界人士研究与关注的重点， 为研究大规模光伏发电对电力系统的影响提供了现实条件。

1 大规模光伏系统的建模

1.1 光伏电池以及其阵列模型

该模型基于单二极管模型，根据基尔霍夫原理建立了自己的光伏等效电路，并且在此基础上对理论的公式进行简化，得到了适合工程计算的数学表达式。 光伏阵列的模型可以根据相应的光伏电池模型以及相互之间的串并联关系得到， 模型建立的关键在于计算出光伏阵列的光伏组件差异造成的P-V 特性的多峰值，这对光伏阵列的集群建模有着关键性的作用。

1.2 换流器以及内环控制模型

目前主要的换流器都具有内外环双环控制的结构，外环主要负责电压输入的控制，并将其转化为内环控制的参考电流，进而决定并网的策略以及外特性； 内环的电流输入主要依据与外环控制生成的电流参考值， 并且通过控制环节的控制以及与环流器的转换来实现电流的顺利入网。

1.3 光伏发电的动态模型

建立动态模型时，需要使用方程组建立发电系统中的各组成部分的状态方程， 并将逆变器以及MPPT 的控制转化为状态方程，进而将两个方程联立，组建起方程组，建立光伏发电系统的模型。

1.4 光伏发电系统模型的研发

上述的建模原理为电力系统的仿真平台的建立与研发提供了理论基础，目前为止，已经研制成功的平台包括PSD-BPA以及PSASP 两大类，这两类平台集成了光伏发电的动态以及稳态模型，初步形成了大规模光伏发电并网的仿真手段，并且一些商业性质较强的平台软件已经具有了灵活的自定义的功能模块，这些平台研发为发电站的建模研究提供了基础。

2 大规模光伏发电对系统特性的影响

2.1 对系统有功频率特性的影响

光伏发电具有的特性包括外出力的速记波动性、静止的电源、环路器并网过程中的无转动惯性、低电压穿越期间的不同特征以及脱网现象比较频繁等， 这些特性的存在使得大规模光伏发电的介入会使得系统的稳态与暂态特性发生变化， 进而对整个系统的运行与规划带来根本性的影响。

光伏发电的过程会产生大幅度的频繁的随机波动，进而对系统的平衡造成冲击，影响系统的一次以及二次调频，对系统的有功经济调度等运行特性都有着根本性的影响与作用； 同时系统备用的优化策略也会因为大规模光伏发电的接入而不得不做出适时的调整与变化；此外，因为电源是静止的元件，所以随着接入的光伏发电的规模的增大，电源的不足之处便逐渐明显，需要不断更换电源以适应光伏发电的需要， 甚至会因为光伏发电的功率过大而使得系统崩溃，需要对系统不断进行维护。

2.2 对无功电压特性的影响

需要接入大规模光伏发电的电力系统多数位于荒漠戈壁地区，这类地区的电力系统往往具有较低的负荷水平，电网容量也比较小。 所以大规模、远距离的光伏发电的传输容易对当地电网的无功平衡性造成影响与干扰， 进而造成母线沿线的电压出现大幅度的波动。

同时， 当地的实际并网的电压都具有比较弱的支撑能力，所以在输电的过程中比较容易出现电压失稳的现象。 因为大规模光伏发电的接入改变的不仅是当地电网原有的辐射状网架结构，更改变了当地电网系统的电源结构，影响了电网潮流的分布情况，进而对配电网的电压质量造成根本性影响。

2.3 对攻角稳定性的影响

光伏发电的电源是静止的元件， 本身并不参与攻角的震荡，也就不存在攻角需要稳定的问题。 但是大规模光伏发电接入到系统中后， 系统的随机波动性以及无转动的惯性等性能均受到了影响，系统的等效惯量不得不变小，所以系统的攻角稳定性能便发生了变化， 其具体的变化方向与幅度取决于电网的拓扑结构、电网运行方式、电源控制技术、光伏发电接入的位置以及接入的规模等因素， 需要结合具体的情况进行具体的分析与计算。 同时，在电力系统中接入大规模的光伏发电还可能造成脱网现象，尤其是在集中化、规模化之后，脱网给电力系统带来的冲击会变得更加强烈。

攻角失稳的主要表现便是振荡型的失稳。 因为波动的光伏出力改变了系统运行的特点， 加上并网的逆变器与常规机具有不同的控制策略，所以系统的阻尼会在外界的影响下发生变化，进而改变系统原有的机电震荡的模式， 带来新频段范围内的振荡。 但是具体的光伏发电的接入会为系统带来怎样的影响，需要根据实际情况进行具体的分析。

2.4 对小扰动稳定性的分析

在光伏电池使用过程中不存在机械与电磁量不平衡的动力学难题，但是却存在电气运行不稳定的问题，所以大规模的光伏发电的接入会影响电网的稳定性，影响系统功能的顺利实现。光伏发电的接入改变了系统的功率，小扰动法分析的结果显示，在系统的内部出现了运行不稳定的现象， 并且这种不稳定的现象主要存在于系统内部的最大功率点的附近。 因为系统的不平衡功率能够被系统的直流侧电吸收， 进而使得电容的存储能力减弱，影响了系统的可靠运行。

3 结语

光伏发电具有清洁无污染的特性，是比较理想的清洁能源之一，能够缓解我国经济发展过程中能源紧张的问题，促进经济的发展，但是其大规模的接入会对目标电力系统的稳态特征、无功特性、攻角稳定性等性能造成显著的不确定的影响，所以需要慎重考虑其大规模的接入，充分发挥其作用与功能。

[1]丁明，王伟胜，王秀丽，等.大规模光伏发电对电力系统影响综述[M].总过电机工程学报，2014（01）.

[2]赵争鸣，雷一，贺凡波，等.大容量并网光伏电站技术综述[M].电力系统自动化，2011（12）.

[3]刘东冉，陈述用，马敏，等.光伏发电系统模型综述[M].电网技术，2011（08）.

[4]王皓怀，汤涌，侯俊贤，等.风光储联合发的系统的组合建模与等值[M].中国电机工程学报，2011（34）.