光伏電站（PPS）建模及其對電網 穩(wěn)定性影響研究

王秀麗 王相峰 趙興勇

（1.山西大學，太原 030013；2.華北電力大學，北京 102206）

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為新能源的一種方式目前已應用較為廣泛，截止到2013年底，我國光伏電站并網累計裝機總容量近1942 萬kW。

含光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究文獻也較多，文獻[1]采用相應的控制策略，基于相關功率平衡原理，建立系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型，研究了光伏出力隨光強度變化情況；文獻[2]對分析了PV 接入配電網后的動態(tài)潮流及系統(tǒng)穩(wěn)定性，認為若大量PV 接入在配網的終端或饋線末端，可能會使負荷側電壓越限；文獻[3]簡化了光電系統(tǒng)的電池特性，建立光電系統(tǒng)接入對電網穩(wěn)態(tài)運行研究的光伏電源模型。本文則在PSASP 軟件基礎上，從不同因素下分析光伏并網對電網的影響。

1 光伏發(fā)電并網工作原理

圖1為光伏電站并網系統(tǒng)示意圖。光伏發(fā)電的基本工作過程是利用太陽光的能量，將光伏陣列產生的電能經控制器給蓄電池充電或經逆變器、變壓器將發(fā)出的交流電供給電網。

圖1 光伏電站并網系統(tǒng)示意圖

2 電壓穩(wěn)定性影響

光伏電站系統(tǒng)由于電流與電壓同相位，可以用電壓的相位作為電流的相位，輸入到電網系統(tǒng)中。光伏電站對電網電壓穩(wěn)定計算以各節(jié)點電壓水平及靈敏度變化水平為依據。

2.1 不同位置接入的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)具有間歇發(fā)電和隨機波動的特性，會造成系統(tǒng)的電壓和頻率波動以及繼電保護裝置的誤動作，同時光伏發(fā)電系統(tǒng)經過電力電子變換并網，會引起電網諧波問題，降低電能質量。下面通過研究光伏電站的并入位置，來討論它對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，這里采用EPRI-36 節(jié)點系統(tǒng)進行仿真計算驗證。

2.1.1 仿真條件

算例采用基準功率Sb=100MVA。EPRI-36 節(jié)點系統(tǒng)包括8 臺發(fā)電機組（其中BUS1 為平衡節(jié)點），9 個負荷，系統(tǒng)負荷總容量為2569+jl087MW。本算例所用EPRI-36 節(jié)點系統(tǒng)，在BUS20、BUS23、BUS29 處分別接入一個裝有 100 臺額定容量為1.5MW 的光伏電站，光伏電站機組控制方式設為恒電壓一恒功率因數(shù)控制（功率因數(shù)范圍設定為-0.9～0.9）[4-6]。

考慮到光伏電站的功率出力在不同天氣狀況下、不同時間點有所不同，所以分兩種情況分別進行討論。

圖2 光伏電站接入EPRI-36 節(jié)點系統(tǒng)示意圖

2.1.2 結果分析

通過電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP 對系統(tǒng)進行仿真計算，光伏電站2 和3 容量相同，在同一時刻接入位置不同時，得出EPRI-36 節(jié)點系統(tǒng)各負荷節(jié)點和發(fā)電機節(jié)點的各項電壓穩(wěn)定指標及P-V 曲線。通過對各項電壓穩(wěn)定性指標進行對比，分析風電功率波動對電壓穩(wěn)定性的影響。

1）電壓水平

（1）不同天氣情況

表1和表2分別為光伏電站2、光伏電站3 在上午10 點時，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節(jié)點的節(jié)點電壓水平。

表1 光伏電站2 上午10 點的節(jié)點電壓水平

表2 光伏電站3 上午10 點的節(jié)點電壓水平

對比二者可以得出相同的結論：①在上午10點，光伏電站2 和3（容量相同，接入位置不同）分別投入時會導致系統(tǒng)負荷節(jié)點和發(fā)電機節(jié)點的電壓變化，其中光伏電站3 投入產生的電壓變化較光伏電站2 投入產生的電壓變化大，原因是由于光伏電站3 接入點的負荷較大，因此對于電壓影響較大；②光伏電站2 和3 在晴天的電壓變化較多云時大，多云天氣狀況的電壓變化較陰天時大。

（2）不同時間情況

表3和表4分別為光伏電站2 和光伏電站3 在同樣的晴天狀況下，各時間點（主要選取了8∶00—18∶00，每2h 記錄次結果）不同時，容量相同的兩個光伏電站在不同位置情況下的節(jié)點電壓變化水平。

表3 光伏電站2 在晴天時的節(jié)點電壓水平

表4 光伏電站3 在晴天時的節(jié)點電壓水平

對比二者可以得出相同的結論：①在晴天時，光伏電站2 和3（容量相同，接入位置不同）分別投入時會導致系統(tǒng)負荷節(jié)點和發(fā)電機節(jié)點的電壓變化，其中光伏電站3 在早8∶00—18∶00 投入產生的電壓變化較光伏電站2 投入產生的電壓變化大，原因是由于光伏電站3 接入點的負荷較大，因此對于電壓影響較大；②光伏電站2 和3 在晴天時12∶00—16∶00 電壓變化情況較其它時間段大，這是因為這一時間段內光伏電站發(fā)出的功率較大引起的。

2）靈敏度

（1）不同天氣情況

表5和表6分別為光伏電站2、光伏電站3 在上午10∶00 時，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節(jié)點的靈敏度。

表5 光伏電站2 上午10∶00 的靈敏度

表6 光伏電站3 上午10∶00 的靈敏度

從表中可以看出，當光伏電站容量相同，位置不同時，光伏電站在晴天、多云、陰天時會導致光伏電站附近負荷節(jié)點和發(fā)電機節(jié)點的U-Q靈敏度變化，而靈敏度值為正且數(shù)值越小，母線電壓越穩(wěn)定。比較表中的光伏電站2 和3 的結果不難看出，無論是哪個光伏電站投入，對于發(fā)電機節(jié)點，光伏電站離發(fā)電機母線越近靈敏度越大，對負荷節(jié)點，光伏電站離母線越近靈敏度越大。

（2）不同時間情況

表7和表8分別為光伏電站2 和光伏電站3 在同樣的晴天狀況下，各時間點（主要選取了8∶00—18∶00，每兩小時記錄次結果）不同時，容量相同的兩個光伏電站在不同位置情況下的節(jié)點電壓變化水平。

從表7中可以看出，當光伏電站容量相同，位置不同時，光伏電站在不同時段會導致光伏電站附近負荷節(jié)點和發(fā)電機節(jié)點的U-Q靈敏度變化，而靈敏度值為正且數(shù)值越小，母線電壓越穩(wěn)定。比較表中的光伏電站2 和3 的結果不難看出，無論是哪個光伏電站投入，對于發(fā)電機節(jié)點，光伏電站離發(fā)電機母線越近靈敏度越大，對負荷節(jié)點，光伏電站離母線越近靈敏度越大。

表7 光伏電站2 在晴天時的靈敏度

表8 光伏電站3 在晴天時的靈敏度

2.2 不同容量接入的影響

為驗證光伏電站容量不同對于電網電壓的影響，現(xiàn)還是取上述算例，討論光伏電站3 在不同天氣（晴天、多云和陰天）和不同時間點兩種情形下的電壓變化情況、靈敏度及P-V曲線。

1）電壓水平

（1）不同天氣情況

表2為光伏電站3 在上午10 點時，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節(jié)點的節(jié)點電壓水平。

觀察表2，可以得出結論：①在上午10∶00，光伏電站3 在晴天、多云和陰天時容量會不相同，分別會導致系統(tǒng)負荷節(jié)點和發(fā)電機節(jié)點的電壓變化，其中光伏電站3 在晴天時投入產生的電壓變化較大，原因是由于光伏電站3 接入點的負荷較大，因此對于電壓影響較大；②上午10∶00，光伏電站3 晴天的電壓變化較之多云時大，多云的變化較之陰天大，這是由于晴天的光伏電站發(fā)出的功率大于多云時發(fā)出的功率，多云時發(fā)出的功率大于陰天發(fā)出的功率造成的。

（2）不同時間情況

表4為光伏電站3 在晴天狀況時，各時間點即8∶00—18∶00，光伏電站3 在容量不同時各節(jié)點的節(jié)點電壓水平，從表中可以發(fā)現(xiàn)：12∶00—16∶00，容量大的電壓影響大，這是因為這一時間段內光伏電站發(fā)出的功率較大引起的。

2）靈敏度

（1）不同天氣情況

表6為光伏電站3 在上午10∶00 時，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節(jié)點的靈敏度，可以發(fā)現(xiàn)，容量越大靈敏度越大。

（2）不同時間情況

表8為光伏電站3 在晴天狀況時，各時間點即8∶00—18∶00，光伏電站3 在容量不同時各節(jié)點的靈敏度，從表中可以發(fā)現(xiàn)：12∶00—16∶00，容量大的靈敏度大，這是因為這一時間段內光伏電站發(fā)出的功率較大引起的。

2.3 接入電壓等級的影響

為驗證光伏電站接入電壓等級不同對于電網電壓的影響，現(xiàn)還是取上述算例，討論光伏電站3 在35kV 和10kV 兩種情形下的電壓變化情況、靈敏度及P-V曲線。

1）電壓水平

（1）不同天氣情況

表2和表9分別為光伏電站3 在35kV 和10kV時上午10∶00 的節(jié)點電壓水平，從結果可以看出，在其它條件相同，而光伏電站電壓等級不同時，對發(fā)電機母線而言，節(jié)點電壓未發(fā)生改變，但對負荷母線而言，電壓等級小的電壓下降的百分比多，說明電壓等級越小，穩(wěn)定性越差。

表9 光伏電站3 上午10∶00 的節(jié)點電壓水平

（2）不同時間情況

表10 光伏電站3 在10kV 晴天時的節(jié)點電壓水平

表4和表10 分別為光伏電站3 在35kV 和10kV晴天時各時間點（早8∶00—晚18∶00）的節(jié)點電壓水平，從結果可以看出，對發(fā)電機母線而言，光伏電站在電壓等級不同時，節(jié)點電壓未發(fā)生改變，但對負荷母線而言，電壓等級小的電壓下降的百分比多，說明電壓等級越小，穩(wěn)定性越差。

2）靈敏度

（1）不同天氣情況

表6為光伏電站3 在35kV 時上午10∶00 的靈敏度，和10kV 時靈敏度相同，從結果可以看出，在其它條件相同，而光伏電站電壓等級不同時，靈敏度未發(fā)生改變。

（2）不同時間情況

表8為光伏電站3 在35kV 晴天時各時間點（8∶00—18∶00）的靈敏度，和10kV 時靈敏度相同，從結果可以看出，光伏電站在電壓等級不同時，靈敏度未發(fā)生改變。

3 結論

由以上分析可見，光伏發(fā)電對電網的影響會受到天氣狀況、不同時間點的影響，并且當光伏電站接入位置不同、接入容量不同以及接入電壓等級不同時對電網的影響也會不盡相同。

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