大规模光伏发电在电力系统动态稳定性的影响研究

林发祥

（国电南瑞南京控制系统有限公司， 江苏 南京 211000）

0 引言

随着新能力电力系统建设进程的不断推进，基于分布式电源（distributed generation，DG），即光伏发电、风电、水电等可再生能源发电并入电力系统，解决了传统化石能源污染大、储量趋于枯竭的问题[1]。然而，大规模光伏发电并入电力系统，光伏发电受外界环境影响较大，对配电网系统中的电压源波动和善变产生巨大的影响，并且大规模的光伏发电系统网络配置的电子装置会造成电力谐波污染。更重要的是对光伏发电并网配电系统进行规划时，系统的潮流以及电压分布会随之产生变化，尤其是在大规模光伏发电并入电网对电压的频率和攻角稳定性造成严重的影响[2]。因此，为了确保光伏发电并网电力系统的输出动态稳定性，结合电网实际电压源输出情况而实施相应的调度管理工作是十分有必要的。

1 光伏发电动态特性分析

1.1 动态稳定性分析

当前大规模分布式电源接入配电网之后，电力系统会受到新能源不稳定性的影响，衍生出一些无功动态稳定的问题，如高抗、弱惯性等电子装置的稳定性等，电力系统的动态系统会受到影响。针对当前电力系统在故障前后，故障节点处的电压、频率变化进行检测之后得出不同渗透率。由于光伏发电中逆变型分布式发电机在电力系统应用中较为常见，则利用光伏发电逆变型分布式电源发电机作为检测系统动态稳定性的研究对象[3]。

通过调节分布式电源发电机的输出功能，将逆变型分布式电源放在不同渗透率下运行，研究其动态特性。假设电力系统输电线路产生三相短路故障的现象，并且在该故障节点产生100 ms 故障之后，通过跳开故障线路接触故障实现故障解除。以某区域电力系统在三种不同渗透率下，系统发生故障时逆变型分布式电源发电机的转速特性曲线如图1 所示。

图1 故障时分布式电源发电机转速特性曲线图

从图1 可以看出，分布式电源并网电力系统发生短路故障时，系统的故障清除、恢复稳定运行的自愈性速度会随着DG 并网渗透率的增加而降低。逆变型DG 发电机的转速峰值相应也在随着增大，严重影响了电力系统的自愈性能[4]。也就是说在大规模光伏发电并入电力系统会可以为电力系统故障快速恢复提供有力的电压支撑，但是同时对电力系统发电机转速的偏差峰值波动可能会影响电力系统崩溃。

1.2 动态频率分析

DG 并网后的电力系统在发生故障时，DG 发电机输出频率会产生较大的峰值波动。并且，当电力系统发生故障时，系统在100 ms 之后将其清除，并且会在系统经历不同程度震荡之后最终逐渐稳定（如图2所示），即电力系统运行时，在1 s 处发生了故障，在100 ms 之后完成故障清除，整个DG 发电系统的频率会产生不同程度的振荡，并最终趋于稳定[5]。

当大规模DG 并入配电网，电力系统大电网以额定频率50 Hz 运转，当微电网渗透率由0 增大到40%时，频率曲线会随之振荡，并且其振荡会随之加剧。电力系统波动的频率恢复到参考标准值的过渡时间会进一步延长。电力系统发生短路故障时，在电力恢复到正常范围的时间期内，大规模DG 并网时电力系统内部引入的电力电子装置会对电力系统造成更大的高次谐波干扰，电力系统的动态频率会产生不同幅度的振荡。

2 动态稳定性检测方法设计

2.1 DG 光伏发电并网电力系统潮流分析

大规模光伏发电并网系统中，潮流是影响电力系统交流网络和直流网络中各个网络节点中实际等效电阻的重要影响因素之一。为了保障电力系统电压源稳定，需要进一步确定实施电压源稳定检测的方法，计算出大规模DG 并网电力系统中所有节点电压波动幅值、相角，以及交直流电压作用下电压源换流器的潮流。且大规模DG 电网系统采用的是脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation，PWM）调节的方式，实现电网系统具体运行参数的细节调制。因此，文章在分析了大规模光伏发电并网对电力系统电压源动态稳定性影响的前提下，采用PWM调节幅度和控制相角计算系统的潮流变化[6]。

文章设计优化的PWM调节系统在具体计算时，将光伏发电并网的电力系统划分为交流网络系统和直流网络系统。在两个不同的子系统中，要计算出其潮流变化，假设节点与电压源换流器VSC 相连的换流器节点数量为no，位于换流站直接关联的普通节点数量为np，则交流系统的潮流计算方法可以表示为公式（1）：

式中：Tc为光伏发电并网电力系统中交流子系统的潮流变化；Pc为电压源换流器节点的输出功率；Qt为换流站直接关联节点的输出功率；U0为光伏发电并入电力系统的额定电压；Ui为电压源换流器输入端的电压值；gij为PWM 调节器的调制度；αij为换流站PWM调节器的控制相角；bij为换流站内电力系统的无功补偿；Uj为换流站电压源调节器输出端的电压值。

DG 并网的直流子系统中的电力潮流变化方程见公式（2）：

式中：Ts为光伏发电并入电力系统中直流子系统的潮流变化；P0及Q0为DG 并网电压源换流器与系统母线之间的传输功能率，其余解释如公式（1）阐释一致。

在DG 并入配电网的静态模式下，公式（2）中的P0及Q0均为恒值。在动态模式下，DG 并入配电网下电压源换流器与系统母线之间的传输功率会随着电力系统的运行而产生相应的变化。在具体电力系统运行中，想要确定光伏发电并入配电网系统的潮流变化，需要结合光伏发电系统运行实际变化中产生不同的电压源恒定值，为后续电力系统的两个子系统中的电压源潮流变化计算提供依据。

2.2 大规模DG 并网输出电压动态计算

在计算出DG 并网电力系统的潮流变化分析时，需考虑光伏发电并网时，DG 逆变型发电机并网的接入方式，采用单位功率因素下，光伏发电交流汇集线路馈入端环流母线的无功功率实现电压源输出的电压动态计算。计算公式如式（3）所示：

式中：W为光伏发电并网电力系统中电压源输出电压；其余解释与上述公式阐释一致。当W=0 时，这时DG 电力系统的电压源输出电压为额定电压，且当W＞0 时，电力系统中换流站的无功功率输出则高于额定电压，则需要通过PWM调节器将高出部分的额定电压消耗。则其中消耗的具体的电压源电压值则可以将其表示为：

式中：U为DG 并网电力系统电压源的输出电压；I为DG 换流站PWM调节器输出的电流。

则当W＜0 时，DG 并网的电压源输出电压高于额定电压，需要进一步国通PWM 换流器对其高出部分的额定电压进行补偿输出，其输出的具体电压源输出值表示为：

在上述公式的综合计算下，得出DG 并网的电压源输出电压值。若公式的计算结果在光伏发电并网电力系统允许的波动范围值内，则表示系统的电压源处于稳定的状态。若是得出的结果超出了系统允许的波动范围时，则表示DG 并网电力系统的电压源为非稳定状态。根据计算结果的波动值和异常程度实施相应的电网调节措施，当光伏发电并网电力系统允许的额定输出电压越高，相应地其对应的允许波动范围就越大，电力系统的电压源稳定性规划范围就越广。

3 仿真计算与结果分析

为了检测文章设计的DG 并网电力系统稳定性检测方法的实际效果，构建CIGRE Benchmark 模型，其中电力系统中交直流网络中对应的额定功率及直流电压参数分别为1 000 MW 及220 kV。并且，在正常的运行状态下，将相应的换流母线的额定电压值为150 kV，则相对应的基准电压则表示换流母线的额定电压值。并且，光伏发电并网在受到外界环境的影响以及电网自身的特点，设定其允许的最大波动阈值范围为5.0%，且相对应的光伏惠及线路的等值电压抗阻为0.5 pu。基于此，光伏输出的电压变化曲线如图3 所示。

图3 光伏发电并网系统输出电压变化曲线

从图中可以看出，根据光伏发电并入配电网电力系统的特点，设定相应的管理白哦和准，则可以从中可以看出设置的测试数据中会存在超阈值的波动情况。基于此，文章对3 种不同的电压源稳定性检测方法进行对比，其结果如表1 所示。

表1 电压源移动波动稳定性检测误差对比

从表1 中可以看出，三种不同的方法对于异常波动时间为160 min 时的检测误差达到最小，而文章设计的电压源稳定性检测方法在任何异常波动时间内的误差均小于其余两种方法。也就是说，文章设计的光伏发电系统电压源的无功动态稳定性检测准确性更高，并可以为实际的DG 电力系统具有较高的应用价值。

4 结语

大规模光伏发电并入电力系统是当前新能源发展转型的重要供能方式，DG 并网的无功功率动态稳定性直接影响了供电系统覆盖区域的供电质量及用电安全。因此，文章在研究光伏发电并入电力系统的无功动态稳定性的基础上，分析了系统潮流对光伏发电并网系统的影响，设计了有效计算DG 并网电力系统电压源的异常波动值，为当前分布式电源并入配电网电力系统的稳定性提供有力的数据支持，进一步促进了电力系统的安全、高效运行。