大規(guī)模光伏接納對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響及相關(guān)制約因素分析

侯玉強(qiáng)，李威

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，江蘇南京 210003）

隨著全球經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人口激增，石油、天然氣、煤炭等一次能源危機(jī)成為世界各國(guó)共同面臨的課題。新能源開(kāi)發(fā)利用已成為未來(lái)的全球化能源發(fā)展戰(zhàn)略[1]。太陽(yáng)能資源作為最豐富的可再生能源之一，因地域限制小、投資小、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)引起社會(huì)關(guān)注，中國(guó)也將大力開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)作為一項(xiàng)基本國(guó)策[2]。截至2010年底，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量約600 MW，預(yù)計(jì)至2020年光伏發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到20 GW[3]。

我國(guó)光伏并網(wǎng)呈現(xiàn)出“分散開(kāi)發(fā)、低壓就地消納”與“大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)、中高壓遠(yuǎn)距離送出”并舉的發(fā)展特征[4-5]。我國(guó)西部地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，特別適合大規(guī)模、集中式開(kāi)發(fā)并網(wǎng)。然而，大規(guī)模光伏電力接入電網(wǎng)，尤其是接入相對(duì)薄弱的送端電網(wǎng)必然對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)、暫態(tài)及動(dòng)態(tài)特性及相應(yīng)的控制方式產(chǎn)生影響[6]。本文詳述了大規(guī)模光伏電力接入對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行及穩(wěn)定性的影響，分析了制約其接納能力的關(guān)鍵因素。

1 大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電的特點(diǎn)

與水火等常規(guī)電源和其他分布式電源相比，光伏發(fā)電特性在時(shí)間周期、地理位置、大電網(wǎng)并網(wǎng)接入方式、發(fā)電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)特性等方面均有其自身特點(diǎn)[6]。光伏電池的I-V或P-V特性體現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性，且與光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度密切相關(guān)，如圖1所示。

圖1 不同光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下光伏電池的電流及有功出力的電壓特性Fig.1 Current and active power characteristics of the PV module under different light intensities and temperatures

相對(duì)于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)[7]，大規(guī)模光伏電站集中并網(wǎng)可直接將電能輸送到大電網(wǎng)，由大電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配；大電網(wǎng)同時(shí)可為光伏電站提供堅(jiān)強(qiáng)有功功率備用及無(wú)功電壓支撐，光伏電力也可為大電網(wǎng)起到削峰、調(diào)壓等作用。

2 大規(guī)模光伏電力接入對(duì)電網(wǎng)的影響

大規(guī)模光伏電力接入系統(tǒng)后，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行控制及動(dòng)態(tài)特性的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[8-11]。

2.1 電網(wǎng)運(yùn)行特性

光伏能源晝發(fā)夜停的自然特性造成光伏電站出力大幅、緩慢波動(dòng)，使得電網(wǎng)運(yùn)行特性反復(fù)變化。以我國(guó)西部某實(shí)際電網(wǎng)為例（其地理接線示意圖見(jiàn)圖2，圖中省略330 kV以下及光伏電站內(nèi)部詳細(xì)接線），至2012年底其光伏裝機(jī)總?cè)萘恳殉^(guò)100萬(wàn)千瓦。這些光伏電力接入后，日間光伏電力大發(fā)，電網(wǎng)潮流方向?yàn)槲麟姈|送，光伏并網(wǎng)點(diǎn)呈現(xiàn)送端特性；夜間光伏電力全失，電網(wǎng)潮流方向轉(zhuǎn)為東電西送，電網(wǎng)轉(zhuǎn)為受端電網(wǎng)，電網(wǎng)線路潮流和母線電壓隨之發(fā)生較大變化。

潮流反復(fù)變化加劇了電網(wǎng)運(yùn)行和調(diào)控難度，也增加了調(diào)度運(yùn)行人員壓力；同時(shí)，由于大規(guī)模光伏電力接續(xù)式匯集，電網(wǎng)多個(gè)相繼斷面交互影響，相應(yīng)控制措施也趨于復(fù)雜。

圖2 我國(guó)某實(shí)際光伏接入電網(wǎng)的地理接線示意圖Fig.2 Geographic wiring diagram of power grids with PV integrated

2.2 電網(wǎng)暫態(tài)及動(dòng)態(tài)特性

光伏具有間歇式出力特性，對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定及頻率安全均有較大影響；另一方面，因光伏電力本身無(wú)旋轉(zhuǎn)慣量，大規(guī)模光伏電力接入必然造成電網(wǎng)等效慣量減少，發(fā)生功率大擾動(dòng)后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度下降。

另外，因光伏電站本身無(wú)功調(diào)節(jié)能力有限，而逆變環(huán)節(jié)損耗的無(wú)功功率與送出有功功率成正比例關(guān)系。一旦故障導(dǎo)致光伏電站母線電壓大幅跌落，光伏電站升壓變將從系統(tǒng)吸收更多無(wú)功，反而造成高壓輸電網(wǎng)電壓難以恢復(fù)；另外，光伏電站若不具備低電壓穿越能力，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致大量光伏電站退出運(yùn)行，可能導(dǎo)致電網(wǎng)頻率跌落至可接受水平以下。

2.3 電能質(zhì)量

光伏電站大量逆變裝置將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬟^(guò)程中，往往產(chǎn)生大量諧波和三相電流不平穩(wěn)。若控制不當(dāng)造成多個(gè)諧波源能量疊加，可能導(dǎo)致電能質(zhì)量不合格并激發(fā)更高次諧波。目前，諧波問(wèn)題已成為制約光伏電站并網(wǎng)容量最主要問(wèn)題之一[12]。

同時(shí)，大規(guī)模光伏并網(wǎng)可能對(duì)低壓配電網(wǎng)和高壓輸電網(wǎng)電壓質(zhì)量造成影響[13]。以對(duì)配電網(wǎng)為例，由于網(wǎng)內(nèi)動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)相對(duì)有限，當(dāng)光伏電力占總負(fù)荷比例較大時(shí)，一旦因日照突變導(dǎo)致光伏出力突降或失去，相應(yīng)功率缺額可能導(dǎo)致電壓的大幅跌落，進(jìn)而導(dǎo)致配電網(wǎng)有載調(diào)壓變壓器動(dòng)作，從而破壞光伏安裝點(diǎn)甚至整個(gè)配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

2.4 孤島效應(yīng)

大規(guī)模光伏電站接入增加了孤島效應(yīng)的發(fā)生概率。一般而言，孤島效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的危害主要表現(xiàn)在配電側(cè)，具體包括:

1）電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，光伏孤島系統(tǒng)因相位不同步而對(duì)電網(wǎng)用戶造成巨大電流沖擊；

2）孤島區(qū)域因缺乏同步大電網(wǎng)支撐，其供電電壓和頻率穩(wěn)定性差，容易損壞用電設(shè)備；

3）若孤島供電系統(tǒng)內(nèi)無(wú)儲(chǔ)能元件或其容量太小，可能導(dǎo)致用戶負(fù)荷發(fā)生電壓閃變；

4）光伏電站單相供電模式可能造成配電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)三相負(fù)載不對(duì)稱(chēng)；

5）光伏電站脫離電力部門(mén)監(jiān)管而孤島運(yùn)行，存在巨大隱患；因用戶或線路維修人員未意識(shí)到該孤島的存在，還可能引發(fā)人身安全事故。

2.5 安全穩(wěn)定控制

對(duì)安穩(wěn)控制策略而言，大規(guī)模光伏電力接入使得電網(wǎng)控制措施復(fù)雜化。從暫態(tài)穩(wěn)定性的控制機(jī)理來(lái)看，優(yōu)先切除臨界群中的光伏電站可在減少加速功率的同時(shí)不明顯降低系統(tǒng)慣量，因此對(duì)改善電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度更加有效。然而，安穩(wěn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須充分考慮氣象突變可能引起的光伏出力爬坡或突降現(xiàn)象，以確保切機(jī)控制及時(shí)、足額地得以實(shí)施[15]。

另外，與傳統(tǒng)水電、火電機(jī)組單體容量相比，單個(gè)光伏陣列的容量可謂微乎其微。受實(shí)際條件約束，同時(shí)為防止切機(jī)后逆變器無(wú)功補(bǔ)償過(guò)剩，安穩(wěn)控制系統(tǒng)通常將逆變器直流側(cè)作為末端控制對(duì)象，但仍可以實(shí)現(xiàn)控制量的連續(xù)、平滑控制。因此，光伏切機(jī)的控制策略與解決常規(guī)電網(wǎng)熱穩(wěn)定的控制策略相近，而與常規(guī)電網(wǎng)解決暫態(tài)穩(wěn)定的控制手段與較大差別。

對(duì)安穩(wěn)控制系統(tǒng)而言，即便是集中式并網(wǎng)方式，與傳統(tǒng)電源相比，對(duì)光伏電站的控制仍特別分散，廣域通信時(shí)延和控制主站的數(shù)據(jù)處理時(shí)延大大增加。從圖3所示的針對(duì)圖2電網(wǎng)的安穩(wěn)控制系統(tǒng)通道配置示意圖可見(jiàn)，盡管光伏電站集中接入并網(wǎng)，但仍導(dǎo)致安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。

3 大規(guī)模光伏接納能力制約因素

仍以圖2所示的實(shí)際電網(wǎng)為例，詳細(xì)分析制約大規(guī)模光伏接納能力的關(guān)鍵因素，主要包括光伏接入地點(diǎn)、運(yùn)行方式安排、無(wú)功電壓控制方式等方面。

圖3 針對(duì)圖2所示實(shí)際電網(wǎng)的安穩(wěn)控制系統(tǒng)通道配置圖Fig.3 Security and control system channel configuration diagram of power system shown in Fig.2

3.1 接入地點(diǎn)

分別將光伏電站接在送端電網(wǎng)末端或送/受端聯(lián)絡(luò)斷面附近，圖4給出了某光伏電站出力遞增過(guò)程中，關(guān)注的330 kV變電站電壓變化曲線。

圖4 光伏不同接入地點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)電壓的影響Fig.4 Impact of photovoltaic integrated location on the system voltage

由圖4可見(jiàn)，在光伏接入初期，適量光伏電力接入有利于降低原受端電網(wǎng)受入斷面潮流及高壓主變下網(wǎng)功率，從而有利于促進(jìn)負(fù)荷就地平衡，改善局部電壓穩(wěn)定性；隨著光伏電力接入量的逐步增加，聯(lián)絡(luò)斷面潮流反轉(zhuǎn)，正常運(yùn)行時(shí)還需電網(wǎng)向光伏電站倒送無(wú)功功率，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓隨光伏接入容量的增加而下降。

若光伏集中接在送端電網(wǎng)末端，線路上大量有功功率和無(wú)功功率，特別是無(wú)功功率的傳輸，加劇了線路電壓損耗，可能使得送端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化。

3.2 運(yùn)行方式

大規(guī)模光伏電站接入點(diǎn)通常位于距負(fù)荷中心較遠(yuǎn)的荒漠環(huán)境中。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)壯性，特別是送電通道的電壓等級(jí)、回路數(shù)及與主網(wǎng)間電氣距離、光伏匯集站局部有無(wú)強(qiáng)大同步電源支撐等，對(duì)光伏接納能力有顯著影響。

同時(shí)，由圖2可見(jiàn)，同步電源Se_Gen1一方面為光伏電力提供無(wú)功支撐；另一方面其有功輸出與光伏電力輸出共享同一輸電通道，同步機(jī)組開(kāi)機(jī)方式對(duì)光伏電力接納能力也有直接影響。

3.2.1 開(kāi)機(jī)安排

光伏電力接納能力與并網(wǎng)近區(qū)同步電源開(kāi)機(jī)方式及旋備裕度之間存在交互影響。同步機(jī)組出力越大，故障后的暫態(tài)過(guò)程中機(jī)組加速能量越大，暫態(tài)穩(wěn)定性越差；相反地，機(jī)組保留旋備，既讓出部分通道，又減輕了通道不完全開(kāi)斷后其余線路重載和電壓跌落程度；而且降低了故障后同步機(jī)組的加速能量，有利于故障后機(jī)組功角穩(wěn)定。因此，光伏近區(qū)同步機(jī)組保留旋備運(yùn)行，有利于提高光伏接納能力和系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度。

3.2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

由于距負(fù)荷中心相對(duì)較遠(yuǎn)，大規(guī)模并網(wǎng)光伏電力需遠(yuǎn)距離、大容量輸送至受端電網(wǎng)；而遠(yuǎn)距離輸電線路的輸電能力與輸電電壓平方成正比，與線路阻抗成反比[16]。從表1給出的基于不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的光伏接納比例可以看出，對(duì)于輸電能力存在顯著差異的高低壓電磁環(huán)網(wǎng)而言，低電壓等級(jí)線路檢修或故障對(duì)光伏接納影響較小；而高電壓等級(jí)線路故障，大量潮流需迂回至電氣距離更遠(yuǎn)、輸送能力更弱的低電壓網(wǎng)絡(luò)，不僅加劇線路重載程度，還容易導(dǎo)致送端同步機(jī)組功角失穩(wěn)。

表1 不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下光伏接納容量Tab.1 PV accepted capacity in different grid structures

直流輸電可遠(yuǎn)距離、大容量傳輸電能，且能夠快速、靈活地實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)?？紤]在正常網(wǎng)架下，在光伏接入點(diǎn)Se_PV2處增加直流外送通道（直流額定功率占光伏裝機(jī)容量的20%）。分析發(fā)現(xiàn)，直流通道輸送功率較小時(shí)，其轉(zhuǎn)移網(wǎng)內(nèi)功率能力有限，交流斷面外送能力仍相對(duì)強(qiáng)勢(shì)；隨著直流功率逐步增加，送端大量功率轉(zhuǎn)移至直流通道，交流斷面外送能力減弱，而光伏接納能力隨直流功率增加而增加。直流滿功率輸送時(shí)，受直流閉鎖故障約束，光伏接納容量可達(dá)81%。

3.2.3 無(wú)功電壓控制

光伏并網(wǎng)容量占電網(wǎng)內(nèi)總發(fā)電量比例逐步增大，若無(wú)功補(bǔ)償不足或調(diào)節(jié)手段相對(duì)單一，可能影響到高壓電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定。

與傳統(tǒng)分組投切電容器方式相比，以SVC[17]、STATCOM[18]及SSSC[19]為代表的新型無(wú)功補(bǔ)償裝置可實(shí)現(xiàn)無(wú)功快速補(bǔ)償和電壓連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，并已廣泛應(yīng)用于提高電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性[20]、風(fēng)電場(chǎng)接納能力等。

本文以SVC為例，按光伏電站有功功率的20%～30%配置SVC后，光伏接納能力大幅提高。極限方式下，受高電壓通道開(kāi)斷后電壓穩(wěn)定約束的光伏接納能力可提高至90%左右。該方式下，故障后系統(tǒng)電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖5所示，圖中同時(shí)給出了不考慮SVC時(shí)，光伏接納能力為72%的極限方式下，同一故障后系統(tǒng)電壓響應(yīng)曲線。

圖5 計(jì)及SVC前后，極限方式下的系統(tǒng)電壓響應(yīng)曲線Fig.5 Voltage response curves under limit operation before and after considering SVC

4 結(jié)語(yǔ)

大規(guī)模光伏電力接入電網(wǎng)后，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及其控制、電能質(zhì)量等方面都帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。光伏電力與常規(guī)能源的交互影響可能出現(xiàn)新的穩(wěn)定問(wèn)題。優(yōu)化光伏接入布點(diǎn)、改善電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、合理安排光伏接入電網(wǎng)內(nèi)同步機(jī)組開(kāi)機(jī)以及配置無(wú)功補(bǔ)償裝置，改善光伏集中接入局部無(wú)功電壓控制手段，可有效提高光伏接納能力。

后續(xù)分析可沿以下方向開(kāi)展進(jìn)一步研究：

1）研究利用智能分負(fù)荷技術(shù)，故障后將負(fù)荷移至光伏電站所處局部電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光伏電力就地消納，從而提高光伏電力接納水平的可行性；

2）在大規(guī)模光伏電力并入電網(wǎng)內(nèi)，配置類(lèi)似于風(fēng)電場(chǎng)的大型集群光伏有功智能控制系統(tǒng)，最大限度地提高電網(wǎng)輸送能力，并保證電網(wǎng)在各種運(yùn)行方式的安全穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，優(yōu)化事故情況下光伏切除策略，實(shí)現(xiàn)光伏能源的有效利用。

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