光伏電站接入對多機電力系統(tǒng)低頻振蕩的影響分析

黃忠培

摘要：本文以兩區(qū)四機系統(tǒng)為例，結合模式分析法，就光伏電站并網(wǎng)對多機電力系統(tǒng)低頻振蕩的影響進行了分析，對分析結果進行了驗證，也證明了光伏電站的接入并不會在多機電力系統(tǒng)中引發(fā)新的低頻振蕩，在不同場景下，光伏電站接入對系統(tǒng)低頻振蕩的影響存在顯著差異。

關鍵詞：光伏電站；多機電力系統(tǒng)；低頻振蕩；影響

前言：

光伏發(fā)電是一種清潔環(huán)保的發(fā)電形式，能夠對越發(fā)緊張的電能供需矛盾進行緩解，促進電網(wǎng)和諧發(fā)展。而最近幾年，我國的光伏并網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴大，其對于既有電力系統(tǒng)的影響也受到了越來越多的關注。本文基于兩區(qū)四機系統(tǒng)的典型算理，就光伏電站接入對多機電力系統(tǒng)低頻振蕩的影響進行了分析，希望能夠為電網(wǎng)的規(guī)劃設計和調整提供一些參考。

1 光伏電站動態(tài)建模

現(xiàn)階段，在我國多數(shù)光伏電站中，采用的都是單極式結構，包括光伏陣列、控制系統(tǒng)和逆變器等，這里采用工程實用模型進行光伏電站動態(tài)建模。一是逆變器和控制模型，從便于設計的角度，針對逆變器交流側電壓方程進行了dq變換，構建數(shù)學模型

模型中，ω表示電力系統(tǒng)的角頻率，L表示輸出濾波器電感，Idpv和Iqpv分別表示并網(wǎng)電流dq軸分量，Vd和Vq表示逆變器交流側電壓的dq軸分量，Vdpv和Vqpv表示節(jié)點電壓的dq軸分量。一般情況下，會將d軸固定在節(jié)點電壓，即Vqpv的取值為0。

在實際操作中，光伏逆變器采用的多是雙環(huán)控制策略，內環(huán)為電流環(huán)，針對逆變器交流側電流進行控制，外環(huán)為電壓環(huán)，針對直流側電壓進行控制。無論是電壓外環(huán)還是電流內環(huán)，采用的全部是比例-積分控制，為確保單位功率因數(shù)運行，需要設置q軸參考電流為0[1]。

二是直流電容方程，在忽略逆變器損耗的情況下，依照直流側和交流側功率平衡的特點，能夠得到直流側電容方程：

方程中的Cdc表示直流濾波電容，Udc表示電容電壓，Iarray則表示光伏陣列的輸出電流。

2 多機電力系統(tǒng)模態(tài)分析

2.1系統(tǒng)旋轉慣量改變

對于高滲透率光伏并網(wǎng)而言，會利用光伏電站取代部分常規(guī)機組，而如果零慣量光伏電站接入，同步發(fā)電機退出，則會使得系統(tǒng)旋轉慣量有所下降。這里就不同接入位置對于局部模式和區(qū)間模式的影響進行簡單分析。

2.1.1局部模式影響

需要考慮在基本運行方式下，退出一臺機組同時在母線上接入等容光伏電站的影響。結合相關計算結果分析，當一臺同步機組退出后，系統(tǒng)震蕩模式會減少一個，表明光伏電站本身并不會參與到系統(tǒng)低頻振蕩中，振蕩模式之所以減少，主要是因為同步電機退出引起。而伴隨著同步電機的退出而減少的振蕩模式屬于局部模式，在光伏電站不參與低頻振蕩的前提下，區(qū)域內原本兩臺電機相互搖擺的情況會因為其中一臺電機退出而消失，而無論是同步電機的退出，還是光伏電站的接入，都不會對另外區(qū)域的局部模式造成影響。在不同區(qū)域，局部模式之間并不存在很強的耦合性，在這種情況下，另一區(qū)域機組所屬的局部模式總參與因子基本不會發(fā)生很大變化。

2.1.2區(qū)間模式影響

與局部模式影響類似，考慮基本運行方式下分別推出一臺機組，同時在相應母線接入等容量光伏電站后對于區(qū)域模式可能產生的影響。結果如圖1所示。

結合圖1分析，當G2同步機推出，在母線6位置接入光伏電站后，區(qū)間模式得到最大阻尼比，同步機G1和G4的退出次之，若同步機G3退出，并且在母線11位置接入光伏電站，則可以獲得最小的區(qū)間阻尼比。當區(qū)域局部模式消失，G4輸出的有功響應只能提取到區(qū)間模式，對于局部模式則無能為力。G2輸出有功響應體現(xiàn)出的局部模式和區(qū)間模式信息與模式分析法得到的結果沒有很大差異。為了針對得到的結論進行驗證，在聯(lián)絡線傳輸功率為100MW、200MW和300MW的情況下，實驗不同機組退出，對光伏電站接入后區(qū)間模式阻尼比與退出機組所處原區(qū)間模式中參與因子的關系。結果表明，對于雖有運行方式，兩者都表現(xiàn)為負相關關系[2]。

2.2系統(tǒng)旋轉慣量不變

從我國光伏電站的發(fā)展情況分析，其容量多數(shù)都不會超過常規(guī)機組，在不考慮負荷增長的情況下，如果想要提高光伏滲透率，則必須相應減少同步電機有功出力，以保證功率平衡，避免系統(tǒng)旋轉慣量的改變。

2.2.1局部模式影響

在母線5和母線11位置接入光伏電站，逐步提升有功出力，同時減少同步機G1和G3的有功出力來實現(xiàn)功率平衡，結合模式分析法對不同接入位置下，光伏電站有功出力對于局部模式的影響進行分析。無論接入位置如何，在任意區(qū)域增加光伏滲透率，都不會影響另外區(qū)域的局部模式，接入?yún)^(qū)域的局部模式阻尼比則會呈現(xiàn)出顯著增長的趨勢。當光伏出力達到600MW時，所處區(qū)域局部模式阻尼比會超過14%，低頻振蕩穩(wěn)定性大大增強。

2.2.2區(qū)間模式影響

對母線5位置接入光伏電站的影響進行分析。伴隨著光伏滲透率的增加，系統(tǒng)區(qū)間模式的阻尼比會先減小然后增大，不過這個變化趨勢并不明顯。G1的區(qū)間模式參與程度較低，在沒有附加控制的情況下，無法實現(xiàn)對系統(tǒng)振蕩的有效抑制，阻尼性能也會出現(xiàn)明顯的下降。

對母線11位置接入光伏電站的影響進行分析。伴隨著光伏滲透率的增加，區(qū)間模式阻尼比會呈現(xiàn)出顯著上升的趨勢，能夠顯著改善區(qū)域內局部模式以區(qū)間模式的阻尼特性，對系統(tǒng)低頻振蕩穩(wěn)定性進行改善[3]。

3 結論

結合上述分析可知，光伏并網(wǎng)并不會引發(fā)新的低頻振蕩模式，不過會通過向同步電機振蕩回路注入附加分量的方式，間接改變振蕩模式的阻尼特性。當系統(tǒng)慣量改變時，退出同步電機的參與因子越大，則表明其在系統(tǒng)功率平衡中的作用越顯著，退出后的影響也越大；當系統(tǒng)慣量不變時，光伏電站接入位置和接入容量的不同對系統(tǒng)阻尼特性產生的影響差異巨大，結合仿真結果分析，想要切實保證系統(tǒng)振蕩模式的穩(wěn)定性，應該考慮在參與程度高的同步機組附近接入光伏電站。

參考文獻：

[1]葛景.大規(guī)模光伏并網(wǎng)對低頻振蕩的影響及控制方法研究[D].南京理工大學，2017.

[2]杜文娟.多機電力系統(tǒng)中光伏發(fā)電廠附加穩(wěn)定器的設計[J].電力科學與技術學報，2011，26（4）：5-13.

[3]任偉.大型光伏電站參與抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩控制策略研究[D].重慶大學，2015.