大规模光伏接纳对电网安全稳定的影响及相关制约因素分析

侯玉强，李威

（中国电力科学研究院，江苏南京 210003）

随着全球经济迅速发展和人口激增，石油、天然气、煤炭等一次能源危机成为世界各国共同面临的课题。新能源开发利用已成为未来的全球化能源发展战略[1]。太阳能资源作为最丰富的可再生能源之一，因地域限制小、投资小、清洁无污染等优点引起社会关注，中国也将大力开发太阳能发电技术作为一项基本国策[2]。截至2010年底，我国光伏发电装机容量约600 MW，预计至2020年光伏发电总装机容量将达到20 GW[3]。

我国光伏并网呈现出“分散开发、低压就地消纳”与“大规模集中开发、中高压远距离送出”并举的发展特征[4-5]。我国西部地区太阳能资源丰富，特别适合大规模、集中式开发并网。然而，大规模光伏电力接入电网，尤其是接入相对薄弱的送端电网必然对电网运行特点、暂态及动态特性及相应的控制方式产生影响[6]。本文详述了大规模光伏电力接入对系统运行及稳定性的影响，分析了制约其接纳能力的关键因素。

1 大规模光伏并网发电的特点

与水火等常规电源和其他分布式电源相比，光伏发电特性在时间周期、地理位置、大电网并网接入方式、发电系统及控制系统特性等方面均有其自身特点[6]。光伏电池的I-V或P-V特性体现出强烈的非线性，且与光照强度和环境温度密切相关，如图1所示。

图1 不同光照强度和环境温度下光伏电池的电流及有功出力的电压特性Fig.1 Current and active power characteristics of the PV module under different light intensities and temperatures

相对于分布式光伏发电系统[7]，大规模光伏电站集中并网可直接将电能输送到大电网，由大电网统一调配；大电网同时可为光伏电站提供坚强有功功率备用及无功电压支撑，光伏电力也可为大电网起到削峰、调压等作用。

2 大规模光伏电力接入对电网的影响

大规模光伏电力接入系统后，对电网运行控制及动态特性的影响主要体现在以下几个方面[8-11]。

2.1 电网运行特性

光伏能源昼发夜停的自然特性造成光伏电站出力大幅、缓慢波动，使得电网运行特性反复变化。以我国西部某实际电网为例（其地理接线示意图见图2，图中省略330 kV以下及光伏电站内部详细接线），至2012年底其光伏装机总容量已超过100万千瓦。这些光伏电力接入后，日间光伏电力大发，电网潮流方向为西电东送，光伏并网点呈现送端特性；夜间光伏电力全失，电网潮流方向转为东电西送，电网转为受端电网，电网线路潮流和母线电压随之发生较大变化。

潮流反复变化加剧了电网运行和调控难度，也增加了调度运行人员压力；同时，由于大规模光伏电力接续式汇集，电网多个相继断面交互影响，相应控制措施也趋于复杂。

图2 我国某实际光伏接入电网的地理接线示意图Fig.2 Geographic wiring diagram of power grids with PV integrated

2.2 电网暂态及动态特性

光伏具有间歇式出力特性，对电网暂态功角稳定、电压稳定及频率安全均有较大影响；另一方面，因光伏电力本身无旋转惯量，大规模光伏电力接入必然造成电网等效惯量减少，发生功率大扰动后系统暂态稳定裕度下降。

另外，因光伏电站本身无功调节能力有限，而逆变环节损耗的无功功率与送出有功功率成正比例关系。一旦故障导致光伏电站母线电压大幅跌落，光伏电站升压变将从系统吸收更多无功，反而造成高压输电网电压难以恢复；另外，光伏电站若不具备低电压穿越能力，一旦电网发生故障导致大量光伏电站退出运行，可能导致电网频率跌落至可接受水平以下。

2.3 电能质量

光伏电站大量逆变装置将直流转变为交流过程中，往往产生大量谐波和三相电流不平稳。若控制不当造成多个谐波源能量叠加，可能导致电能质量不合格并激发更高次谐波。目前，谐波问题已成为制约光伏电站并网容量最主要问题之一[12]。

同时，大规模光伏并网可能对低压配电网和高压输电网电压质量造成影响[13]。以对配电网为例，由于网内动态无功调节相对有限，当光伏电力占总负荷比例较大时，一旦因日照突变导致光伏出力突降或失去，相应功率缺额可能导致电压的大幅跌落，进而导致配电网有载调压变压器动作，从而破坏光伏安装点甚至整个配电网的电压稳定性。

2.4 孤岛效应

大规模光伏电站接入增加了孤岛效应的发生概率。一般而言，孤岛效应对电网的危害主要表现在配电侧，具体包括:

1）电网恢复供电时，光伏孤岛系统因相位不同步而对电网用户造成巨大电流冲击；

2）孤岛区域因缺乏同步大电网支撑，其供电电压和频率稳定性差，容易损坏用电设备；

3）若孤岛供电系统内无储能元件或其容量太小，可能导致用户负荷发生电压闪变；

4）光伏电站单相供电模式可能造成配电网内出现三相负载不对称；

5）光伏电站脱离电力部门监管而孤岛运行，存在巨大隐患；因用户或线路维修人员未意识到该孤岛的存在，还可能引发人身安全事故。

2.5 安全稳定控制

对安稳控制策略而言，大规模光伏电力接入使得电网控制措施复杂化。从暂态稳定性的控制机理来看，优先切除临界群中的光伏电站可在减少加速功率的同时不明显降低系统惯量，因此对改善电网暂态稳定裕度更加有效。然而，安稳控制系统的设计必须充分考虑气象突变可能引起的光伏出力爬坡或突降现象，以确保切机控制及时、足额地得以实施[15]。

另外，与传统水电、火电机组单体容量相比，单个光伏阵列的容量可谓微乎其微。受实际条件约束，同时为防止切机后逆变器无功补偿过剩，安稳控制系统通常将逆变器直流侧作为末端控制对象，但仍可以实现控制量的连续、平滑控制。因此，光伏切机的控制策略与解决常规电网热稳定的控制策略相近，而与常规电网解决暂态稳定的控制手段与较大差别。

对安稳控制系统而言，即便是集中式并网方式，与传统电源相比，对光伏电站的控制仍特别分散，广域通信时延和控制主站的数据处理时延大大增加。从图3所示的针对图2电网的安稳控制系统通道配置示意图可见，尽管光伏电站集中接入并网，但仍导致安全稳定控制系统的通信结构相当复杂。

3 大规模光伏接纳能力制约因素

仍以图2所示的实际电网为例，详细分析制约大规模光伏接纳能力的关键因素，主要包括光伏接入地点、运行方式安排、无功电压控制方式等方面。

图3 针对图2所示实际电网的安稳控制系统通道配置图Fig.3 Security and control system channel configuration diagram of power system shown in Fig.2

3.1 接入地点

分别将光伏电站接在送端电网末端或送/受端联络断面附近，图4给出了某光伏电站出力递增过程中，关注的330 kV变电站电压变化曲线。

图4 光伏不同接入地点对系统电压的影响Fig.4 Impact of photovoltaic integrated location on the system voltage

由图4可见，在光伏接入初期，适量光伏电力接入有利于降低原受端电网受入断面潮流及高压主变下网功率，从而有利于促进负荷就地平衡，改善局部电压稳定性；随着光伏电力接入量的逐步增加，联络断面潮流反转，正常运行时还需电网向光伏电站倒送无功功率，导致电网电压随光伏接入容量的增加而下降。

若光伏集中接在送端电网末端，线路上大量有功功率和无功功率，特别是无功功率的传输，加剧了线路电压损耗，可能使得送端电网电压稳定性进一步恶化。

3.2 运行方式

大规模光伏电站接入点通常位于距负荷中心较远的荒漠环境中。网架结构的强壮性，特别是送电通道的电压等级、回路数及与主网间电气距离、光伏汇集站局部有无强大同步电源支撑等，对光伏接纳能力有显著影响。

同时，由图2可见，同步电源Se_Gen1一方面为光伏电力提供无功支撑；另一方面其有功输出与光伏电力输出共享同一输电通道，同步机组开机方式对光伏电力接纳能力也有直接影响。

3.2.1 开机安排

光伏电力接纳能力与并网近区同步电源开机方式及旋备裕度之间存在交互影响。同步机组出力越大，故障后的暂态过程中机组加速能量越大，暂态稳定性越差；相反地，机组保留旋备，既让出部分通道，又减轻了通道不完全开断后其余线路重载和电压跌落程度；而且降低了故障后同步机组的加速能量，有利于故障后机组功角稳定。因此，光伏近区同步机组保留旋备运行，有利于提高光伏接纳能力和系统暂态稳定裕度。

3.2.2 网架结构

由于距负荷中心相对较远，大规模并网光伏电力需远距离、大容量输送至受端电网；而远距离输电线路的输电能力与输电电压平方成正比，与线路阻抗成反比[16]。从表1给出的基于不同网架结构的光伏接纳比例可以看出，对于输电能力存在显著差异的高低压电磁环网而言，低电压等级线路检修或故障对光伏接纳影响较小；而高电压等级线路故障，大量潮流需迂回至电气距离更远、输送能力更弱的低电压网络，不仅加剧线路重载程度，还容易导致送端同步机组功角失稳。

表1 不同网架结构下光伏接纳容量Tab.1 PV accepted capacity in different grid structures

直流输电可远距离、大容量传输电能，且能够快速、灵活地实现功率调节。考虑在正常网架下，在光伏接入点Se_PV2处增加直流外送通道（直流额定功率占光伏装机容量的20%）。分析发现，直流通道输送功率较小时，其转移网内功率能力有限，交流断面外送能力仍相对强势；随着直流功率逐步增加，送端大量功率转移至直流通道，交流断面外送能力减弱，而光伏接纳能力随直流功率增加而增加。直流满功率输送时，受直流闭锁故障约束，光伏接纳容量可达81%。

3.2.3 无功电压控制

光伏并网容量占电网内总发电量比例逐步增大，若无功补偿不足或调节手段相对单一，可能影响到高压电网的电压稳定。

与传统分组投切电容器方式相比，以SVC[17]、STATCOM[18]及SSSC[19]为代表的新型无功补偿装置可实现无功快速补偿和电压连续平滑调节，并已广泛应用于提高电网暂态电压稳定性[20]、风电场接纳能力等。

本文以SVC为例，按光伏电站有功功率的20%～30%配置SVC后，光伏接纳能力大幅提高。极限方式下，受高电压通道开断后电压稳定约束的光伏接纳能力可提高至90%左右。该方式下，故障后系统电压动态响应曲线如图5所示，图中同时给出了不考虑SVC时，光伏接纳能力为72%的极限方式下，同一故障后系统电压响应曲线。

图5 计及SVC前后，极限方式下的系统电压响应曲线Fig.5 Voltage response curves under limit operation before and after considering SVC

4 结语

大规模光伏电力接入电网后，给电网安全稳定运行及其控制、电能质量等方面都带来深远影响。光伏电力与常规能源的交互影响可能出现新的稳定问题。优化光伏接入布点、改善电网网架结构、合理安排光伏接入电网内同步机组开机以及配置无功补偿装置，改善光伏集中接入局部无功电压控制手段，可有效提高光伏接纳能力。

后续分析可沿以下方向开展进一步研究：

1）研究利用智能分负荷技术，故障后将负荷移至光伏电站所处局部电网，实现光伏电力就地消纳，从而提高光伏电力接纳水平的可行性；

2）在大规模光伏电力并入电网内，配置类似于风电场的大型集群光伏有功智能控制系统，最大限度地提高电网输送能力，并保证电网在各种运行方式的安全稳定运行；同时，优化事故情况下光伏切除策略，实现光伏能源的有效利用。

[1]ASSOCIATIONE P I.Global market outlook for photovoltaic until 2014[R].Brussels,Belgium:European Photovoltaic Industry Association（EPIA），2010.

[2]我国未来光伏电池产业和市场发展的估计[EB/OL].[2009-03-01].http://www.solar-pv.cn.

[3]李胜茂.2010-2015年中国太阳能光伏发电产业投资分析及前景预测报告[R].北京:中投顾问产业研究中心，2010.

[4]赵争鸣，雷一，贺凡波，等.大容量并网光伏电站技术综述[J].电力系统自动化，2011，35（12）:101-107.ZHAO Zheng-ming，LEI Yi，HE Fan-bo，et al.Overview of large-scale grid-connected photovoltaic power plants[J].Automation of Electric Power Systems，2011，35（12）:101-107（in Chinese）.

[5]GB/T 19939-2005光伏系统并网技术要求[S].北京:国家质量监督检验检疫总局，2006.

[6]周倩，薛建，于辰.基于Matlab的光伏并网系统的仿真分析[J].陕西电力，2012，40（3）:19-22.ZHOU Qian，XUE Jian，YU Chen.Analysis and simulation for grid-connected photovoltaic system based on Matlab[J].Shaanxi Electric Power，2012，40（3）:19-22（in Chinese）.

[7]吕新良，张旭，宋晓林.分布式光伏发电运行控制技术研究[J].陕西电力，2012，40（2）:66-69.L譈 Xin-liang，ZHANG Xu，SONG Xiao-lin.Study on distributed photovoltaic operation control technology[J].Shaanxi Electric Power，2012，40（2）:66-69（in Chinese）.

[8]李碧君，方勇杰，杨卫东，等.光伏发电并网大电网面临的问题与对策[J].电网与清洁能源，2010，26（4）:52-59.LI Bi-jun，FANG Yong-jie，YANG Wei-dong，et al.Problems and countermeasures for large power grids in connection with photovoltaic power[J].Power System and Clean Energy，2010，26（4）:52-59（in Chinese）.

[9]郑志杰，李磊，王葵.大规模光伏并网电站接入系统若干问题的探讨[J].电网与清洁能源，2010，26（2）:74-76.ZHENG Zhi-jie，LI Lei，WANG Kui.Discussions on some issues of large scale PV grid connected system[J].Power System and Clean Energy，2010，26（2）:74-76（in Chinese）.

[10]杨卫东，薛峰，徐泰山，等.光伏并网发电系统对电网的影响及相关需求分析[J].水电自动化与大坝监测，2009，33（4）:35-39.YANG Wei-dong，XUE Feng，XU Tai-shan，et al.Gridconnected photovoltaic’s influence on power systems and some related issues[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring，2009，33（4）:35-39（in Chinese）.

[11]何国庆，许晓艳，黄越辉，等.大规模光伏电站控制策略对孤立电网稳定性的影响[J].电网技术，2009，33（15）:20-25.HE Guo-qing，XU Xiao-yan，HUANG Yue-hui，et al.Impact on stability of isolated grid of different control strategies of large photovoltaic station[J].Power System Technology，2009，33（15）:20-25（in Chinese）.

[12]崔金兰，刘天琪.分布式发电技术及其并网问题研究综述[J].现代电力，2007，24（3）:53-57.CUI Jin-lan，LIU Tian-qi.Distributed generation and its grid interconnection issue[J].Modern Electric Power，2007，24（3）:53-57（in Chinese）.

[13]刘伟，彭冬，卜广全，等.光伏发电接入智能配电网后的系统问题综述[J].电网技术，2009，33（19）:1-6.LIU Wei，PENG Dong，BU Guang-quan，et al.A survey on system problems in smart distribution network with grid-connected photovoltaic generation[J].Power System Technology，2009，33（19）:1-6（in Chinese）.

[14]张超，何湘宁，赵德安.一种新颖的光伏并网系统孤岛检测方法[J].电力电子技术，2007，41（11）:97-99.ZHANG Chao，HE Xiang-ning，ZHAO De-an.A novel anti-islanding method for photovoltaic power generation system[J].Power Electronics，2007，41（11）:97-99（in Chinese）.

[15]方勇杰.跨区互联电网紧急控制技术未来发展分析[J].电力系统自动化，2011，35（15）:1-5.FANG Yong-jie.Analysis on trends in emergency control technology of cross-regional interconnected power systems[J].Automation of Electric Power Systems，2011，35（15）:1-5（in Chinese）.

[16]刘振亚.特高压电网[M].北京:中国经济出版社，2005，36-92.

[17]迟永宁，关宏亮，王伟胜，等.SVC与桨距角控制改善异步机风电场暂态电压稳定性[J].电力系统自动化，2007，31（3）:95-100.CHI Yong-ning，GUAN Hong-liang，WANG Wei-sheng，et al.Enhancement of transient voltage stability of induction generator based wind farm by SVC and pitch control[J].Automation of Electric Power Systems，2007，31（3）:95-100（in Chinese）.

[18]KUMANO Teruhisa，HASEGAWA Naohiro.Fault ridethrough enhancement of wind power plant using series variable impedance[C].The 18th World Congress of IFAC，Milano，Italy:2011（in Chinese）.

[19]CHEN Jen-hung，LEE Wei-jen，CHEN Mo-shing.Using a static var compensator to balance a distribution system[J].IEEE Trans on Industry Applications，1999，35（2）:298-304（in Chinese）.

[20]任普春，石文辉，许晓艳，等.应用SVC提高风电场接入电网的电压稳定性[J].中国电力，2007，40（11）:97-101.REN Pu-chun，SHI Wen-hui，XU Xiao-yan，et al.A study ofvoltage stability improvementby static var compensators in the electric power system including wind farms[J].ElectricPower，2007，40（11）:97-101（inChinese）.