大型并網(wǎng)光伏電站對(duì)電力系統(tǒng)影響的研究

于海洋，祖光鑫，董爾佳，徐明宇，紀(jì) 游

（黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030）

大型并網(wǎng)光伏電站對(duì)電力系統(tǒng)影響的研究

于海洋，祖光鑫，董爾佳，徐明宇，紀(jì) 游

（黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030）

光伏發(fā)電具有不確定性和波動(dòng)性等特點(diǎn)，大型并網(wǎng)光伏電站對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行尤其對(duì)電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)功角穩(wěn)定產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。以黑龍江省泰來(lái)縣湯池9.9 MWp并網(wǎng)光伏電站為例，利用電力系統(tǒng)綜合分析程序PSASP建立1個(gè)9.9 MWp光伏電站接入系統(tǒng)仿真模型，針對(duì)光伏電站接入系統(tǒng)后出現(xiàn)的電壓和功角穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行深入分析。仿真結(jié)果表明，9.9 MWp并網(wǎng)光伏電站接入電網(wǎng)后不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的電壓和功角產(chǎn)生較大影響，為并網(wǎng)光伏電站的規(guī)?；_(kāi)發(fā)提供有力依據(jù)。

PSASP；光伏發(fā)電；仿真；暫態(tài)穩(wěn)定

并網(wǎng)的光伏發(fā)電一般采用MPPT方式［1］，由于光伏電站的輸出功率直接取決于光照強(qiáng)度，而光照強(qiáng)度在1天時(shí)間里隨時(shí)間和天氣等因素的變化不是一個(gè)穩(wěn)定值［2－6］，所以光伏發(fā)電的不確定性和波動(dòng)性導(dǎo)致輸出功率不穩(wěn)定，對(duì)系統(tǒng)供電可靠性造成一定程度的影響。此外，還存在電能質(zhì)量、線路損耗、無(wú)功補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。所以大型光伏電站并網(wǎng)之后，必然會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)一定的負(fù)面影響。

針對(duì)光伏電站接入電網(wǎng)后所產(chǎn)生的負(fù)面影響，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)［7］描述了光伏電站在電網(wǎng)中的“滲透率”，并針對(duì)電網(wǎng)中光伏電站的“高滲透率”所產(chǎn)生的負(fù)面影響進(jìn)行了綜述。文獻(xiàn)［8］分析了大規(guī)模光伏電站接入對(duì)系統(tǒng)振蕩穩(wěn)定性的影響，指出光伏發(fā)電分散接入比集中開(kāi)發(fā)更有利于系統(tǒng)的振蕩穩(wěn)定。文獻(xiàn)［9－11］對(duì)光伏電站接入后的電網(wǎng)潮流、無(wú)功功率等問(wèn)題進(jìn)行了仿真分析，提出了針對(duì)光伏電站發(fā)出的無(wú)功功率與接入點(diǎn)電壓關(guān)系以及光伏電站的故障特性。文獻(xiàn)［12］針對(duì)大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)可能引起的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，提出為了使光伏發(fā)電連續(xù)、均衡送電，所配備的儲(chǔ)能電池的容量通常大于光伏電站的容量，但大規(guī)模光伏電站受投資限制，一般不配備儲(chǔ)能設(shè)備，可通過(guò)有載調(diào)壓變壓器的方式進(jìn)行解決。

為全面掌握大型光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行后電網(wǎng)所面臨的問(wèn)題，本文基于PSASP仿真程序，建立了光伏電站的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)黑龍江省泰來(lái)縣容量為9.9 MWp的湯池光伏電站的實(shí)際情況和相關(guān)參數(shù)，對(duì)其接入系統(tǒng)后進(jìn)行仿真分析，對(duì)電網(wǎng)電壓和頻率等影響進(jìn)行深入研究并提出相應(yīng)解決對(duì)策。

1 建立基于PSASP的光伏電站仿真模型

PSASP設(shè)計(jì)了1種光伏電站模型，此模型為光伏電站單級(jí)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏電站單級(jí)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

光伏電源與電壓型逆變器經(jīng)穩(wěn)壓電容器相連，逆變器將光伏電源所發(fā)直流電轉(zhuǎn)換為交流電，經(jīng)濾波電感與電網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)光伏電站并網(wǎng)。模型適用的電壓等級(jí)為0.4 kV，模型出口需經(jīng)升壓變壓器與高電壓等級(jí)的電網(wǎng)相連。

泰來(lái)縣湯池光伏電站共有240 Wp的多晶硅太陽(yáng)能電池組件42 400塊，總?cè)萘繛?0 176 kW，每20塊組件為1個(gè)組串，每108串組件接入1臺(tái)500 kW的并網(wǎng)光伏逆變器，共有并網(wǎng)光伏逆變器20臺(tái)，電站內(nèi)有10臺(tái)容量為1 000 kVA、額定變比為38.5／0.27 kV的升壓變壓器。電站內(nèi)的接線如圖2所示。

圖2 泰來(lái)湯池光伏電站站內(nèi)接線

光伏電站以單回35 kV型號(hào)為L(zhǎng)GJ－50線路接入110 kV佰大變電站35 kV側(cè)，線路長(zhǎng)度約8 km。

仿真以東北2013年冬季大運(yùn)行方式數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)容量基準(zhǔn)值為100 MVA。在PSASP程序中所建模型如圖3所示。

圖3 光伏電站接入系統(tǒng)示意圖

2 光伏電站接入系統(tǒng)后的穩(wěn)態(tài)電壓分析

光伏電站功率因數(shù)為1、0.98、－0.98時(shí)，光伏電站不同出力情況下相關(guān)母線電壓情況如表1－表3所示。

表1 光伏電站不同出力情況下的相關(guān)母線電壓（功率因數(shù)＝1）kV

表2 光伏電站不同出力情況下的相關(guān)母線電壓（功率因數(shù)＝0.98）kV

表3 光伏電站不同出力情況下的相關(guān)母線電壓（功率因數(shù)＝－0.98）kV

從表1－表3可看出，泰來(lái)湯池光伏電站功率因數(shù)分別為1、0.98、－0.98，在不同出力時(shí)，光伏電站35 kV母線、佰大變35 kV母線、佰大變110 kV母線、昂昂溪變220 kV母線的電壓變化較小，各母線電壓均保持在運(yùn)行范圍內(nèi)?？梢?jiàn)，泰來(lái)湯池光伏電站投運(yùn)后，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生較大影響。

3 光伏電站接入系統(tǒng)后的時(shí)域仿真

光伏電站的動(dòng)態(tài)行為影響到接入系統(tǒng)的電壓和頻率波動(dòng)及暫態(tài)穩(wěn)定性，因此需要通過(guò)仿真的方法檢驗(yàn)系統(tǒng)在某些擾動(dòng)情況下是否失去安全性和穩(wěn)定性。時(shí)域仿真包括日照強(qiáng)度變化的仿真、切機(jī)擾動(dòng)的仿真和光伏電站臨近母線故障的仿真。

3.1 日照強(qiáng)度變化和切機(jī)的影響

3.1.1 典型日照變化擾動(dòng)

考慮泰來(lái)湯池光伏電站正常運(yùn)行情況下，云層飄過(guò)帶來(lái)的日照變化對(duì)系統(tǒng)的影響。在初始光照的基礎(chǔ)上疊加1個(gè)負(fù)向變化的日照擾動(dòng)，模擬實(shí)際日照強(qiáng)度變化情況，暫態(tài)過(guò)程時(shí)間為30 s（第5 s光照開(kāi)始下降，10 s擾動(dòng)達(dá)到峰值，15 s光照開(kāi)始上升，20 s擾動(dòng)結(jié)束），典型日照變化擾動(dòng)曲線如圖4所示。

在典型日照變化擾動(dòng)情況下，泰來(lái)湯池光伏電站35 kV母線、昂昂溪變220 kV母線、慶北變220 kV母線、富二廠220 kV母線電壓隨日照擾動(dòng)變化曲線如圖5所示。電站附近發(fā)電機(jī)功角變化曲線如圖6所示。

從圖4－圖6可以看出，日照強(qiáng)度減弱（增強(qiáng)）時(shí)，光伏電站出力下降（上升），光伏電站以及附近母線電壓和功角降低（升高），其變化趨勢(shì)與典型日照變化擾動(dòng)曲線保持一致，但這種電壓和功角的變化均在合理范圍內(nèi)，并能回到穩(wěn)定狀態(tài)，所以典型日照變化擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響較小。

圖4 典型日照變化擾動(dòng)曲線

圖5 典型日照變化擾動(dòng)情況下光伏電站附近母線電壓變化曲線

圖6 典型日照變化擾動(dòng)情況下光伏電站附近發(fā)電機(jī)功角變化曲線

3.1.2 按比例切機(jī)（突然切機(jī)100%）

模擬由于惡劣天氣或其他設(shè)備故障等原因?qū)е鹿夥娬竟收锨袡C(jī)，假設(shè)正常運(yùn)行時(shí)光伏電站處在滿發(fā)狀態(tài)，在2 s時(shí)切除整個(gè)光伏電站，泰來(lái)湯池光伏電站35 kV母線、昂昂溪變220 kV母線、慶北變220 kV母線、富二廠220 kV母線電壓隨日照擾動(dòng)變化曲線如圖7所示，電站附近發(fā)電機(jī)功角變化曲線如圖8所示。

圖7 泰來(lái)湯池光伏電站切機(jī)100%時(shí)附近母線電壓變化曲線

圖8 泰來(lái)湯池光伏電站切機(jī)100%時(shí)附近發(fā)電機(jī)功角變化曲線

從圖7、圖8可以看出，泰來(lái)湯池光伏電站額定出力運(yùn)行時(shí)，在2 s時(shí)切除了整個(gè)光伏電站，光伏電站附近的母線電壓、發(fā)電機(jī)功角在2 s時(shí)發(fā)生短暫的過(guò)渡過(guò)程，使電站附近的母線電壓和功角發(fā)生不同程度下降，最后能夠回到穩(wěn)定狀態(tài)，離光伏電站電氣距離越近受其影響越大，但突然切除光伏電站的情況對(duì)系統(tǒng)的影響在系統(tǒng)可承受范圍內(nèi)。

3.2 光伏電站接入系統(tǒng)后電網(wǎng)故障的穩(wěn)定性分析

光伏電站接入系統(tǒng)，應(yīng)考慮系統(tǒng)故障時(shí)，光伏電站與系統(tǒng)之間的相互影響。因此，計(jì)算分析昂慶甲線昂昂溪變側(cè)5 s時(shí)發(fā)生三相短路接地故障時(shí)，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。0.12 s后故障切除，光伏電站臨近母線電壓變化曲線如圖9所示，附近發(fā)電機(jī)功角變化曲線如圖10所示。0.2 s后故障切除，光伏電站臨近母線電壓變化曲線如圖11所示，附近發(fā)電機(jī)功角變化曲線如圖12所示。

從圖9－圖12可以看出，當(dāng)220 kV昂慶甲線昂昂溪變側(cè)發(fā)生三相永久接地短路故障時(shí)，無(wú)論在故障后0.12 s還是0.2 s切除故障，泰來(lái)湯池光伏電站附近母線電壓出現(xiàn)短時(shí)間小范圍波動(dòng)，但該波動(dòng)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，電網(wǎng)電壓和功角均可維持穩(wěn)定，系統(tǒng)仍可保持同步穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 0.12 s切除三相接地短路故障光伏電站附近母線電壓變化曲線

圖10 0.12 s切除三相接地短路故障光伏電站附近發(fā)電機(jī)功角變化曲線

圖11 0.2 s切除三相接地短路故障光伏電站附近母線電壓變化曲線

圖12 0.2 s切除三相接地短路故障光伏電站附近發(fā)電機(jī)功角變化曲線

4 結(jié)論

為分析研究大型光伏電站并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)的影響，本文基于PSASP軟件對(duì)黑龍江省泰來(lái)縣湯池光伏電站接入黑龍江省電網(wǎng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)電壓和暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析，得出以下結(jié)論。

a.在2013年的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷組成情況下，湯池光伏電站在正常運(yùn)行時(shí)接入電網(wǎng)，系統(tǒng)電壓水平在正常范圍內(nèi)，滿足入網(wǎng)穩(wěn)定要求。

b.在日照強(qiáng)度變化和切機(jī)擾動(dòng)情況下，湯池光伏電站接入電網(wǎng)，系統(tǒng)電壓和功角雖受到擾動(dòng)出現(xiàn)短暫波動(dòng)，但處在合理范圍，能維持穩(wěn)定運(yùn)行。

c.在光伏電站臨近母線發(fā)生故障并切除故障線路時(shí)，電網(wǎng)電壓和功角可維持穩(wěn)定，具有足夠長(zhǎng)的故障切除時(shí)間，系統(tǒng)能保持同步穩(wěn)定運(yùn)行。

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Research on Effect of Large?scale Grid?connected PV Power Station for Power System

YU Hai?yang，ZU Guang?xin，DONG Er?jia，XU Ming?yu，JI You
（Heilongjiang Electric Power Research Institute，Harbin，Heilongjiang 150030，China）

As volatility and uncertainty of photovoltaic（PV）generation，integration of large capacity PV power station to power grid inevitably has negative impact on the stability of power grid.This research takes Tangchi 9.9 MWp grid?connected PV power station as the research object，a simulation model of 9.9 MWp PV station connected in power system is established by the Power System Analysis Software Package（PSASP）.The voltage and power angle stability variation after PV integration to the power grid are analyzed.Simula?tion results show that the integration of 9.9 MWp PV power station to power grid cann't significantly influence voltage and power angle of power grid.This paper provides the support to power grid.

PSASP；PV generation；Simulation；Transient stability

TM615

A

1004－7913（2016）05－0013－04

于海洋（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析、新能源并網(wǎng)技術(shù)與檢測(cè)等研究工作。

2015－12－13）