光伏发电并网系统电压源稳定性检测方法

张君则

（国网北京大兴供电公司，北京 102600）

0 引 言

为了确保光伏发电并网系统的输出稳定性，结合实际输出情况实施对应的调度管理很有必要。需要注意的是，调度管理工作的开展是建立在光伏发电并网系统运行状态的基础上，实施准确有效的检测措施十分重要[1-3]。电压源作为体现整个光伏发电并网系统输出情况的组成部分，其稳定性关系到供电质量[4]。在以电压源稳定性为核心的研究中，文献[5]充分考虑了电压测量特性，通过对模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）中高频阻抗进行建模处理，实现了对其稳定性的有效分析，检测结果的收敛性能存在一定的提升空间。文献[6]将全通复矢量滤波器应用到电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）电流双序模型的构建中，并利用该模型实现了对电压源稳定性的分析检测，但是受检测结果误差的影响，其应用范围存在一定的局限性。在此基础上，本文提出了一种光伏发电并网系统电压源稳定性检测方法，并在对比测试中分析验证了设计方法的检测效果和应用价值。

1 电压源稳定性检测方法设计

1.1 光伏发电并网系统潮流分析

在光伏发电并网系统中，潮流是影响交流网络和直流网络中各节点实际等效电阻的关键因素之一[7]。在实施电压源稳定性检测前，计算系统中所有节点电压幅值、相角以及直流电压和电流作用下电压源换流器的潮流。需要注意的是，大多数光伏发电并网系统均采用脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation，PWM）调节的方式实现对具体运行参数的调节控制，因此本文在具体计算过程中直接利用PWM的调制度和控制相角计算系统的潮流。

具体计算过程中，将光伏发电并网系统划分为2个子系统，分别对应交流网络和直流网络。在交流子系统中，设节点与电压源换流器VSC相连的换流器节点数量为nc，节点未与换流站直接关联的普通节点数量为nt，交流系统中的潮流方程可以表示为

式中：We表示光伏发电并网系统中交流子系统的潮流；Pc表示换流器节点的输出功率；Qt表示普通节点的输出功率；U0表示光伏发电并网系统的额定电压；ui表示电压源换流器输入端的电压值；gij表示PWM的调制度；aij表示PWM的控制相角；bij表示换流站内的无功补偿；uj表示电压源换流器输出端的电压值。

在直流子系统中，对应的潮流方程可以表示为

式中：W1表示光伏发电并网系统中直流子系统的潮流；P0、Q0表示电压源换流器VSC与系统母线之间的传输功率。在静态模式下，P0和Q0均为恒值；在动态模式下，P0和Q0会随着系统的运行逐渐发生变化。具体应用中，需要结合光伏发电并网系统的实际运行情况进行取值。

通过以上公式计算得到光伏发电并网系统的潮流，为后续的电压源输出计算提供依据。

1.2 电压源输出电压计算

结合计算得到的光伏发电并网系统潮流，充分考虑光伏并网逆变器的接入方式，利用单位功率因数下光伏发电交流汇集线路馈入端换流母线的无功功率实现对电压源输出电压的计算。具体的计算方式可以表示为

式中：Q表示换流母线的无功功率。当Q=0时，此时的电压源输出电压为额定电压。当Q＞0时，换流母线存在正向的无功功率输出，此时的电压源输出电压高于额定电压，需要通过换流母线消耗高出部分电压输出。电压源具体的电压值可以表示为

式中：U表示电压源输出电压；I表示VSC的输出电流。

当Q＜0时，此时的电压源输出电压高于额定电压，需要通过换流母线补偿不足部分的电压输出。电压源具体的电压值可以表示为

通过以上方式计算电压源输出电压值，当计算得到的结果在光伏发电并网系统允许波动范围内时，则认为此时的电压源处于稳定状态；当计算得到的结果在光伏发电并网系统超出允许波动范围时，则认为此时的电压源处于非稳态，可以根据实际的异常程度实施对应的调节措施。光伏发电并网系统的额定输出越高，对应的允许波动范围越大，电压源稳定性的划分范围越广，因此不能直接根据电压源输出电压值的大小对其稳定性进行判断。

2 测试与分析

2.1 测试环境

分析本文设计的电压源稳定性检测方法的实际应用效果时，构建包含对照组的测试环境，对照组采用文献[5]和文献[6]提出的分析方法。为了实现对实际光伏发电并网系统的模拟，对于直流系统的设计采用了CIGRE Benchmark模型，对应的额定功率和直流电压分别为1 000 MW和200 kV。在正常运行状态下，换流母线的额定电压值为150 kV，对应的基准电压即为换流母线的额定电压值。受外界环境和光伏发电并网自身的影响，允许最大波动阈值范围为5.0%。除此之外，设置光伏汇集线路的等值电抗为0.5 pu。光伏输出电压变化曲线如图1所示。

图1 光伏发电并网系统输出电压

从图1可以看出，按照测试光伏发电并网系统的管理标准，设置的测试数据中存在超阈值的波动情况。以图1中的测试数据为基础，分别采用3种方法开展检测。

2.2 测试结果

按照上述测试环境设置情况，分别采用3种方法进行电压源稳定性检测，测试结果如图2所示。

图2 不同方法的检测结果对比

从图2可以看出，3种方法的检测结果存在一定差异，对于40 min、80 min、100 min以及155 min时的超阈值波动数据的检测结果也表现出了明显的不同。在文献[5]所提方法的检测结果中，将45 min时的电压源输出值检测为超阈值波动，这与图1中的实验数据设置存在属性上的差异，因此可以初步判断文献[5]所提方法的检测效果略低。为了进一步分析3种方法的检测结果与实际值之间的关系，对4个异常波动数据的具体情况进行进一步比较，得到的数据结果如表1所示。

表1 异常波动数据检测结果误差统计表

通过对表1中的数据进行分析，3种方法对于155 min的电压源异常波动数据均实现了较为准确的检测。文献[5]所提方法对于超阈值波动数据的检测结果整体呈现出较为明显的波动性，最大误差为25.44 kV；文献[6]所提方法对于超阈值波动数据的检测结果整体更加稳定，但是其对前3个以上波动点的检测情况误差相对较大；本文设计方法的检测结果与实际光伏发电并网系统电压源数据的拟合度最好，最大误差仅为9.42 kV，明显优于另外2种对比方法。测试结果表明，本文设计的光伏发电并网系统电压源稳定性检测方法可以实现对其实际输出数据的准确分析，在稳定性检测方面有良好表现，在实际的电网管理中具有一定的应用价值。

3 结 论

光伏发电并网系统作为现阶段电力系统的一种主要供能方式，其稳定性直接关系到覆盖区域的用电质量和用电安全。以光伏发电并网系统为研究对象，提出了一种电压源稳定性检测方法，充分考虑系统潮流对光伏发电并网系统的影响，分别计算系统中交流网络和直流网络潮流，实现了对电压源异常波动的有效计算，为光伏发电并网系统的管控提供了可靠的数据基础。通过本文的研究，希望能够为电力系统的进一步发展提供帮助，助力电力安全的稳步推进。