大规模光伏发电对电力系统影响

张志文 杜泽源 罗 熹

（国网湖北省电力有限公司十堰供电公司，湖北 十堰 442000）

0　前言

在社会快速发展中逐渐暴露出能源不足的问题，经济的发展提高了人们的生活水平，这大大增加了人们对电力资源的需求量，但是由于我国资源短缺，在供应过程中逐渐出现供不应求的现象，导致人们更加重视能源保护。目前一种可应用的电能资源主要是太阳能光伏发电，其可以有效的缓解传统火力和水力发电供应不足的状况，更好的服务人们的生产和生活。因此具体研究大规模光伏发电对电力系统的影响具有重要的现实意义。

1　大规模光伏发电系统的论述

1.1　光伏电池和阵列模型

构成大规模光伏发电系统的重要部分之一是光伏电池，因此需要具体仔细的研究其排列情况，光伏电池等效电路就是本文所说的大规模光伏发电系统中的光伏电池，其核心主要是二极管模型，而且其数学表达公式在KCL状态下是确定的。周星宇认为与工程计算相符合的模型表达公式是在光伏电池提供电流、开路电压以及最大功率电压等情况下确定的，之后利用串并联的方式展现出大规模光伏发电系统中的阵列模型[1]。

1.2　并网换流器和控制模型

并网换流器是一种暂态的并网特性，这主要是从大规模光伏发电系统大规模单元方面来说的。毛志成等人在研究中发现目前内外环双层结构是大规模光伏发电系统中主要使用的电压源型，这样可以使双环的控制方式得以形成，电流是内环控制方式的核心内容，其基础衡量标准主是以外环的电流参考值为主，而电流入网的目标是通过控制环节和换流器装置共同来实现的；输入电压的过程是外环控制主要的内容，内环控制的电流参考值是通过控制环节生成的，其对换流器的并网策略和外特性具有直接的决定性作用[2]。

在实际的应用过程中，主要对前馈结构控制策略进行应用，其主要目的是将控制器的设计进一步简化，通过这种策略可以将换流器的暂态模型及时的确定，同时可以将电力结构的处理方式根据暂态模型确定下来，最后要在内控制环节中直接添加这些控制条件。另外内环控制环节具有很小的时间常数，因此要想简化换流器和内环节控制，需要对充分考虑仿真软件计算步长的适应性。图1是换流器和内环控制模型。

图1　换流器和内环控制模型

根据图1可知，有功和无功是光伏并网环流率结构控制能力主要包括的内容，但是要根据光伏发电系统的实际需求对外环控制有功和无功并网策略进行合理的设计，图2是具体的外环控制模型。

图2　具体的外环控制模型

2　大规模光伏发电系统对电力系统的影响

2.1　影响有功频率的特性

随机波动性、低电压时无功动态特性不具备、四象限控制能力和脱网现象等是大规模光伏发电具备的特性，这些特性会改变电力系统的稳定特性，从而对系统的正常运行和规划造成一定的影响。包玉刚等人在研究中指出光伏电力随机波动性的幅度和频率会严重冲击系统的有功平衡性，从而对系统一二次调频和有功经济调度等运行的特性造成影响，同时会大大增加频率质量越限等相应的风险；在接入光伏后对改变系统备用优化策略，针对这种情况，需要将常规机组等电源有功频率协调控制的适应性需求进行及时的调整；而且由于非旋转静止元件是光伏电源的实质，由于不断增加接入的规模等原因大大降低了系统的等效转动惯量，使系统应对功率缺额的能力进一步恶化，这样增加了频率迅速变化的风险，从而对其正常运行造成不利影响[3]。

2.2　影响功角稳定性

王果等人在研究中发现静止元件是光伏电源的本质，在功角振荡过程中其本身是不参与的，因此功角稳定性的问题自然不会存在，但是由于其特性，如随机波动等，导致在接入大规模光伏以后对电网原有的潮流分布和传输功率等进行了改变，而且在故障穿越期间，光伏具备的动态支撑性能与常规组具有一定的差异性，所以在接入光伏以后会在一定程度上改变电网功角的稳定性，而电网拓扑结构以及控制光伏电源技术等对改变的程度具有决定性的作用，功能稳定性在接入光伏以后可能被改善，也可能会进一步恶化，只有通过仿真分析具体的场景才能确定其造成的影响是好是坏。另外如果故障没有足够的穿越能力则会引发光伏并网的脱网现象，一般在集中化和规模化以后这种现象更容易出现，脱网现象会更加强烈的冲击系统的稳定性，所以需要与实际并网情况相结合，将大规模光伏的脱网风险及时和正确的评估和预测。程康在研究中发现，我国光伏基地在集中接入以后将通道潮流分布的均匀性进行了改变，而且光伏电源的动态支撑性比较弱，通过对这两项影响的分析可知，如果降低了通道的传输极限，其安全性可以通过将光伏电源切除来保障。

2.3　影响小扰动稳定性

虽然机械与电磁量不平衡的动力学稳定问题是光伏电池本身不存在的，但是电气不稳定运行是光伏电池普遍存在的问题之一，因此电网的稳定性也会受到并网后大规模光伏的影响。李娟主要是对注入特定光伏功率问题进行了具体的研究，其对理论上不稳定的一个运行点利用小扰动法具体的分析，在具体的分析中发现在与最大功率运行点的高出力水平接近的地方更容易出现不稳定的现象。李石头等人对光伏电气不稳定运行机理从动态等效阻抗适配方面进行研究，其认为只有光伏电站的直流侧电容可以吸收故障期间不平衡的功率，而且由于电容具有较小的储能作用，所以直流侧电压上升的现象是由功率的不平衡性直接造成的，从而影响电源的正常运行。丁明等人在研究过程中通过对小信号数学模型的建立，其中光伏电池和逆变器等都是该模型所包括的内容，对小干扰对系统稳定性的影响通过特征值法进行了分析，将光照扰动后的稳定性用仿真模型进行了验证。

3　结论

我国电能供应供不应求的状况可以被大规模光伏发电有效的缓解，而且其与保护生态环境理念和可持续发展的战略要求相符合。为了使大规模光伏发电的目标得以实现，将光伏发电的优势地位充分体现出来，需要进一步详细的分析和研究光伏发电的机组。通过本文的研究可知，有功频率的特性、功角稳定性以及小扰动稳定性等各个方面都会受到大规模光伏发电的影响，所以只有将其研究力度不断加大，才能为电力系统的正常稳定运行提供有利的保障，从而可以促进我国经济的进一步发展。

【参考文献】

［1］李娟.分析大规模光伏发电入网对电力系统的影响[J].电 子 测 试 ，2015,25(19)：144-145.

［2］包玉刚,夏勇.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].通信电源技术，2016，33，16(04)：233-234.

［3］丁明,王伟胜,王秀丽,宋云亭,陈得治,孙鸣.大规模光伏发电对电力系统影响综述 [J].中国电机工程学报，2014，34(01)：1-14.