考虑光伏电站高渗透接入的火电机组一次调频参数优化

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(1．华北电力大学，河北省保定市071003;2．中国电力科学研究院，北京市100192;3．国网新疆电力公司经济技术研究院，乌鲁木齐市830016)

考虑光伏电站高渗透接入的火电机组一次调频参数优化

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(1．华北电力大学，河北省保定市071003;2．中国电力科学研究院，北京市100192;3．国网新疆电力公司经济技术研究院，乌鲁木齐市830016)

随着局部地区光伏并网容量的增加、光伏电站渗透率不断增大，光伏波动对系统电压波动和稳定特性的影响逐渐凸显，可考虑应用火电机组良好的调峰调频特性来满足更高渗透率的光伏接入。首先，通过建立非标准工况下光伏发电系统模型，分析了光伏发电的功率输出特性，阐述了不同渗透率下，光伏出力波动对系统特性的影响机理;其次，通过仿真遍历测试的方法，依据响应性能差异对比，确定优化火电机组一次调频放大倍数和时间常数的整定原则，以提高光伏电站高渗透率的接纳能力;最后，对新疆喀什地区电网进行了实际仿真验证，结果表明优化火电机组的一次调频参数有助于系统接纳光伏电站后维持其稳定运行，为光伏并网规划提供了有力支撑。

光伏电站;高渗透率;火电机组;放大倍数;时间常数

0 引言

随着全球能源消耗的不断增长，世界范围内化石燃料等不可再生能源正在日益枯竭［1］。新能源因其清洁、可再生等优势受到人们的广泛关注［2］。目前，以风电、太阳能为代表的新能源已经成为解决能源危机和环境危机的有效途径。作为可再生能源开发利用的重要形式之一，近年来光伏发电发展迅猛。在我国，光伏发电主要采取“分散开发、低压就地接入”与“大规模集中开发、中高压接入”并行的发展方式［3］，而后者因并网规模和容量的不断增大，对电力系统的影响愈加不容忽视［4］。众所周知，光伏出力受天气影响很大，在阴雨或多云天气都会出现剧烈波动，且光伏发电系统自身并不具备调频调峰能力。局部并网的光伏装机容量不断增大，接入系统的光伏渗透率越来越高，这使得光伏出力波动对系统安全稳定性的影响以及系统接纳光伏的能力等问题成为阻碍光伏发电大规模发展的技术瓶颈。

光伏波动对系统特性的影响，目前的研究主要基于2方面。一是模型的搭建改进，从原理上改善光伏发电系统的性能以抑制光伏波动。文献［5］构建了一种基于混合储能的光伏并网发电系统模型，以平抑并网功率的波动;文献［6］利用Buck/Boost双向变换器的多变量前馈控制策略在负荷剧烈变化情况下有效实现了对直流母线电压的控制。二是从系统侧入手，分析光伏接入后出力波动对系统的影响，并提出有效的措施以改善系统特性。文献［3］在基于光伏发电模型的基础上，综合分析了光伏出力波动对系统频率、电压、功角稳定、小扰动稳定等方面的影响，并提出了发展建议;文献［7］对国内外大型并网光伏电站在运行过程中凸显出来的问题进行了总结分析;文献［8］从电能质量、孤岛效应、可靠与稳定、电网效益等方面阐述了规模化光伏发电对电网影响，其可作为研究分析并网光伏电站接入系统的参考;文献［9］基于光伏发电单元暂态功率特性，提出了改善汇集线暂态无功的技术措施;文献［10］采用特征值分析法提出光伏发电系统阻尼控制策略，进一步提升了互联电力系统对光伏并网的接纳能力;文献［11］以玉树电网为例，分析了光伏电站出力和光伏接入地点对安全稳定控制策略的影响，提出采用低频减载方案解决频率稳定问题。

综上所述，目前对于光伏接入后系统特性的研究及其改善措施的文献虽多，但却缺少基于实际电网的仿真验证，也鲜有文献从系统常规机组的角度出发，研究改善光伏波动对系统安全稳定的负面影响。

本文首先建立非标准工况下光伏发电系统模型，并对光伏发电的功率特性进行描述，在此基础上分析不同光伏渗透率对系统特性的影响;其次通过仿真测试遍历的方法，依据响应性能差异对比，确定优化电网中火电机组一次调频能力的方法，提升系统接纳光伏的水平;最后对大容量光伏接入南疆电网进行仿真验证。

1 光伏发电系统模型

本节首先建立了光伏发电系统各部分模型，并将其转化为代数方程或微分方程的形式，然后将各部分联立，即可得到光伏发电系统的模型。

1.1光伏阵列工程用U-I模型

光伏阵列模型用于模拟在不同环境因素下，光伏方阵的光电转化特性［12］。实际中常利用开路电压和短路电流等参数对电池外特性拟合来建模。

在标准温度Tref和标准光照强度Sref下，光伏阵列的U-I特性可由式(1)—(3)表示。

式中:Ipv为光伏阵列输出电流;Isc为光伏阵列的短路电流;Ud为光伏阵列直流工作电压;Uoc为开路电压; Im为最大功率电流;Um为最大功率电压。

若输入环境量为当前工况的太阳辐照度S，当前工况的工作温度T，输入电气量为当前光伏阵列直流工作电压U'd，输出电气量为光伏阵列输出电流Ipv，根据标准工况下的参数，可推导出任意辐照度和温度下，光伏阵列U-I模型，如式(4)—(11)所示。

式中:I'sc为非标准状态下光伏阵列的短路电流;U'oc为非标准状态下的开路电压;I'm为非标准状态下的最大功率电流;U'm为非标准状态下的最大功率电压;I'pv为非标准状态下光伏阵列输出电流;a、b、c分别为计算常数，光伏阵列由硅材料构成时，典型值分别为0.002 5、0.000 5、0.002 88。

1.2逆变器控制模型

逆变器控制保护部分模拟逆变器的电气控制功能。稳态运行时，逆变器双环控制，其中外环控制与其控制目标和参考坐标相关，如图1所示。逆变器输入电气量为厂站级控制指令有功功率设定值Pord和无功功率设定值Qord;逆变器通过外环控制输出相应d轴和q轴参考电流Id_ref和Iq_ref;内环控制输出电流的d轴和q轴分量Id、Iq，与外环控制输出Id_ref和Iq_ref进行比较，通过 Pmd和 Pmq实现对 Id和 Iq的无偏差控制。

图1 逆变器控制环节Fig.1 Invertercontrollink

图1中:TP为直流电压或有功功率外环控制积分时间常数;KP为直流电压或有功功率外环控制比例系数;TQ为无功功率外环控制积分时间常数;KQ为无功功率外环控制比例系数;Tid为电流d轴分量内环控制积分时间常数;Kid为电流d轴分量内环控制比例系数;Tiq为电流q轴分量内环控制积分时间常数; Kiq为电流q轴分量内环控制比例系数。

1.3光伏发电系统模型

光伏发电系统的拓扑结构如图2所示。光伏发电系统主要包括多个光伏发电单元、集电线路、汇集母线、无功补偿装置和升压变压器［13］。其中光伏发电单元由光伏方阵、逆变器、单元升压变压器组成。

图2 光伏发电系统拓扑结构Fig.2 PVsystemtopologydiagram

光伏阵列在接收太阳能后，利用其光电转换特性，输出直流电流到逆变器;逆变器在实现逆变的同时，对有功功率和无功功率进行控制，输出交流功率;交流功率经单元升压变压器输出到集电线路，多条集电线路进一步汇入站内汇集母线，经站内升压变压器并入电网。

2 光伏发电功率特性

基于光伏电站的数学模型［14-15］，某装机容量为100 MW的并网光伏电站在夏季高温天气和多云天气的输出功率变化曲线如图3所示。

图3 光伏电站的出力特性Fig.3 OutputcharacteristicscurveofPVpower

晴天光伏电站日输出功率随太阳的朝升夕落有所不同，一般在13:00左右达到输出功率的峰值;而多云天气光伏出力曲线波动较大，这是由于太阳能受温度和光照强度等环境因素的综合影响，其出力情况并不确定;在某些特殊天气下，光伏有功出力可能在短时内从90%Pm下降到10%Pm～20%Pm。

根据装机容量的不同，光伏电站最大输出功率变化率为每分钟20%Pm～80%Pm［16］，受外界因素的影响，光伏出力波动频繁，波动量较大，对电力系统的安全稳定造成了一定的影响。

3 不同渗透率光伏波动对电力系统影响分析

光伏发电的功率输出特性受温度等环境因素的影响，难以预测。本文以光伏接入系统为例，分析随着光伏波动，系统电压和输电能力的变化。

3.1典型光伏并网系统

根据光伏发电系统通过汇集线路接入电网的结构及特点，构造光伏并网系统，如图4所示。

图4 光伏发电系统并网结构简化模型Fig.4 Simplifiedmodelofgridconnected PVpowergeneration

光伏发电和常规机组出力经公共接入点(point of common coupling，PCC)并入功率汇集支路，再经230 kV外送长线路接入电网。局部电网中光伏电站额定电压为 0.4 kV，常规机组运行额定电压为13.8 kV。假设光伏电站装机容量为150 MW，参考文献［17］定义某地区光伏渗透率等于该地区光伏装机容量对该地区总装机容量的占比。通常，间歇性电源渗透率达到或超过20%就可认为达到高渗透率水平。以下分析在不同光伏渗透率下，光伏波动对电力系统的影响。

3.2光伏波动对电力系统影响机理分析

由式(12)—(13)可知，当光伏出力P1增多时，电压降落增加，系统侧电压降低;反之，若光伏出力减少，相应地，电压升高。当波动值较大时，系统侧电压可能越限。式(14)为远距离输电线路的输送功率与线路始末端电压的关系。式(14)表明在线路两侧电压一定时，线路的静态电压稳定极限与线路阻抗成反比。因此，线路静稳电压极限受光伏渗透率的影响不大。

3.3不同渗透率光伏出力对电力系统影响验证

假设局部电网常规机组总装机容量为150 MW，若光伏出力分别为总装机容量的0～100%，利用PSD-BPA软件仿真得到不同渗透率下的光伏波动曲线，如图5所示。其中渗透率为10%、50%和100%时光伏出力变化如图5(a)所示，对应母线3电压变化如图5(b)所示。

图5 不同光伏渗透率下波动曲线Fig.5 FluctuationcurvesunderdifferentPVpenetration

如图5所示，母线3电压波动量随光伏渗透率的改变有所不同。根据《电能质量、电压波动和闪变:GB 12326－2008》相关标准规定，220 kV及以上电压等级电压，考虑随机性不规则的电压波动，其电压波动不宜超过电压额定值的2.5%，即母线3的电压波动值不超过5.75 kV。随着光伏渗透率的增大，电压波动量变化见表1。由表1可知，该系统最大可接纳光伏渗透率为50%。

表1 不同光伏渗透率下母线3电压波动情况Table1 Bus3voltagefluctuationunderdifferent PVpenetration

不同光伏渗透率下，母线节点3到母线节点4输电线路的输电能力变化如图6所示。由图6可知，光伏渗透率的改变对由静态电压稳定极限确定的输电能力的影响并不大。

图6 不同光伏渗透率下输电能力变化Fig.6 Changeoftransmissioncapacityunder differentPVpenetration

高渗透率光伏接入系统，虽然对线路输电能力的影响不大，但却会引起母线电压波动加剧，这是由于光伏发电受天气等环境因素影响很大。考虑光伏发电的日出力，晴天时发电相对平稳，随太阳的昼升夜降呈现规律性变化;多云天气时，云层遮挡使得太阳能辐射变化较大，使得光伏出力骤升骤降，造成光伏的快速波动和难以预测，这种不可人为控制的光伏波动对系统调峰能力提出了更高要求。

4 优化火电机组调速特性的电压影响分析

图7为汽轮机调速器模型的传递函数。其中T0为油动机开启时间常数，油动机开启时间常数与汽轮机增减进气量调节频率有关，该参数的选取将采用仿真遍历测试。K为转速放大倍数，即系统速度变动率α的倒数。其中，速度变动率α由式(15)给出:

式中:n1是汽轮机发电机未带负荷时的转速;n2是汽轮发电机达到满负荷时的转速;n为汽轮发电机额定转速。当电网故障或者发电厂内部故障造成汽轮机跳闸时，汽轮机转速会出现一个动态飞升，最高转速由速度变动率决定，通常α在3%至6%范围内取值［18］，考虑裕度，本文速度变动率取2% ～10%，即放大倍数取10～50。放大倍数可利用二分法进行选择，其选择流程图如图8所示。

图7 汽轮机调速器模型传递函数Fig.7 Transferfunctionofturbinegovernormodel

图8 放大倍数选择流程图Fig.8 Magnificationselectionflowchart

4.1放大倍数对母线电压影响

由表1可知，当放大倍数取20、油动机开启时间常数取2时，系统可接纳光伏的最大渗透率为50%;放大倍数分别取10、30时，母线3电压波动情况见表2。

表2 不同放大倍数和光伏渗透率下电压波动情况Table2 Voltagefluctuationunderdifferent magnificationsandPVpenetration

当放大倍数取10时，系统可接纳光伏渗透率为40%;当放大倍数取30时，系统最大光伏渗透率为60%。若光伏渗透率为50%，放大倍数分别取10、30、50时，常规机组机械功率变化如图9所示。由图9可知，光伏出力的波动，相应地影响着同步发电机调速器的控制输出。当光伏出力减少时，常规机组出力增加，以重建系统的功率平衡，反之亦然。但是，当光伏波动剧烈时，对常规机组调节能力的要求较高。由图9可知，当调速器的放大倍数增大时，常规机组对系统中功率变化的跟踪更为密切，且发电机机械功率的变化幅度较大，对系统动态平衡的调节能力更强。但是，相比于放大倍数取30的曲线，放大倍数为50时发电机频率变化较快，引起系统中电压和频率的剧烈波动，反而不利于系统稳定。

图9 不同放大倍数下火电机组机械功率示意Fig.9 Mechanicalpowerofthermalgenerator underdifferentmagnifications

4.2时间常数对母线电压影响

取放大倍数20，改变油动机开启时间常数为0.2和20时，不同渗透率下母线3电压波动情况见表3。

在不同的油动机开启时间常数下，系统可接纳光伏的最大渗透率均为50%。但是，比较同一渗透率下，不同时间常数对应的电压波动量，可得当油动机开启时间常数取2时，电压波动量较小。

图10为放大倍数取20，油动机开启时间常数T0分别取0.2、2和20时发电机机械功率的变化情况。时间常数取0.2和20时，发电机输出机械功率基本不变，当时间常数取2时，常规机组对光伏波动的调节能力略优于时间常数取0.2和20的情况，但调节油动机开启时间常数的效果并不理想。

5 仿真分析

新疆南部地区幅员辽阔，太阳能年辐射量高，这些都为光伏发电提供了有利条件。南疆地区为我国光伏发电的1级区域。中国规划到2020年，在新疆等地区建设多个百万 MW 级光电基地［16］。随着国家对南疆光伏项目的大力支持，有关光伏并网及其对新疆主网的影响越来越受到人们的关注。

表3 不同时间常数和光伏渗透率下电压波动情况Table3 Voltagefluctuationunderdifferenttime constantandPVpenetration

图10 不同时间常数下火电机组机械功率示意Fig.10 Mechanicalpowerofthermalgenerator underdifferenttimeconstant

基于PSD-BPA潮流和暂态稳定程序，本文对有大容量光伏接入的新疆喀什地区进行了仿真验证。喀什地区光伏接入的网架结构如图11所示。各光伏电站通过功率汇集母线并入汇集站，再通过高压线路接入主网。其中，喀什—巴楚断面由750 kV喀什—巴楚单回线、220 kV伽师—巴楚单回线和麦盖提—金鹿单回线组成。

图11 喀什地区光伏接入网架结构Fig.11 PVaccessnetworkstructureinKashgar

喀什电厂共有4台机组、总装机容量为800 MW。以喀什750 kV母线为例，光伏波动分别为100、200、300 MW时，母线电压变化见表4，可知，随着光伏波动量的增大，母线电压波动加剧。

喀什750 kV母线可接受电压波动为2.5%，即母线电压波动量为20 kV。改变喀什常规机组的放大倍数，其对光伏波动的接纳能力如表5所示。放大倍数取 1时，喀什地区可接纳光伏波动量为480 MW，即光伏渗透率为60%;调节放大倍数到30，可接纳光伏波动量增加到497 MW，此时喀什地区光伏渗透率达到62.1%。改变机组油动机开启时间常数，其可接纳光伏渗透率并没有明显变化。

表4 不同光伏波动下喀什母线电压波动情况Table4 Kashgarvoltagefluctuationunder differentPVfluctuation

表5 不同放大倍数下可接纳光伏波动量Table5 AdmissiblePVfluctuationunder differentmagnifications

6 结论

本文在搭建光伏发电系统模型、分析光伏输出功率特性的基础上，首先研究了不同渗透率光伏接入对系统特性的影响。随着光伏渗透率的增加，母线电压波动加剧，但静态稳定输电极限受光伏渗透率的影响不大。接着通过优化火电机组调速器的放大倍数和油动机开启时间常数，提高了系统接纳光伏的能力。最后以新疆喀什地区电网为例，仿真验证机组一次调频特性。优化后光伏渗透率提高了2.1个百分点。本文结论可为进一步增强电网光伏接纳能力提供技术支撑。

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(编辑 景贺峰)

Primary Frequency Parameter Optimization of Thermal Power Units Considering High-Penetration Access of Photovoltaic Power Plant

LI Yuan1，ZHANG Zhiqiang2，ZHENG Chao2，REN Jianwen1，LI Xiaojun2，LYU Pan3，SONG Xinfu3

(1．North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei Province，China; 2．China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China; 3．Economic Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Company，Urumchi830016，China)

With the increasing photovoltaic(PV)grid capacity as well as permeability of PV power，the fluctuation of PV output has obviously affected the system voltage fluctuation and the stability of the system．In addition，the good features of conventional units in peak and frequency regulation should also be considered to meet the higher permeability of PV system．Firstly，this paper analyzes the power output characteristics of PV power through the establishment of PV system model under non-standard conditions，and investigates the effects of the PV output fluctuation with different penetration rates on the bus voltage as well as its mechanism．Secondly，using the simulation traversal test method，according to the difference contrast of response performance，this paper proposes the adjust principle of optimizing the magnifications and time constant of thermal power unit to follow the PV fluctuation and improve the stability of the system with a highpenetration PV power plant access．Finally，simulation verification is also conducted on the grid of Kashgar，Xinjiang and the results show that the optimization of the primary frequency parameters can contribute to the system stability when it accepts PV power plant，which can provide a strong support for the planning of PV grid network．

photovoltaic power plant;high-penetration rate;thermal power unit;magnification;time constant

TM 615

A

1000－7229(2017)03－0115－08

10.3969/j．issn.1000－7229.2017.03.016

2016-11-01

李媛(1991)，女，硕士研究生，主要研究方向为电力系统稳定与控制、光伏并网技术;

张志强(1978)，男，高级工程师，主要研究方向为电力系统仿真分析及运行控制技术;

郑超(1977)，男，博士，教授级高级工程师，主要研究方向为电力系统稳定与控制;

任建文(1961)，男，博士，教授，主要研究方向为电力系统分析与控制;

李晓珺(1985)，女，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统安全稳定分析与控制;

吕盼(1983)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统规划与分析;

宋新甫(1984)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统规划与分析。

国家电网公司科技项目(XTB11201601985)