光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓源穩(wěn)定性檢測方法

張君則

（國網(wǎng)北京大興供電公司，北京 102600）

0 引 言

為了確保光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性，結(jié)合實(shí)際輸出情況實(shí)施對應(yīng)的調(diào)度管理很有必要。需要注意的是，調(diào)度管理工作的開展是建立在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，實(shí)施準(zhǔn)確有效的檢測措施十分重要[1-3]。電壓源作為體現(xiàn)整個(gè)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)輸出情況的組成部分，其穩(wěn)定性關(guān)系到供電質(zhì)量[4]。在以電壓源穩(wěn)定性為核心的研究中，文獻(xiàn)[5]充分考慮了電壓測量特性，通過對模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）中高頻阻抗進(jìn)行建模處理，實(shí)現(xiàn)了對其穩(wěn)定性的有效分析，檢測結(jié)果的收斂性能存在一定的提升空間。文獻(xiàn)[6]將全通復(fù)矢量濾波器應(yīng)用到電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC）電流雙序模型的構(gòu)建中，并利用該模型實(shí)現(xiàn)了對電壓源穩(wěn)定性的分析檢測，但是受檢測結(jié)果誤差的影響，其應(yīng)用范圍存在一定的局限性。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓源穩(wěn)定性檢測方法，并在對比測試中分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的檢測效果和應(yīng)用價(jià)值。

1 電壓源穩(wěn)定性檢測方法設(shè)計(jì)

1.1 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)潮流分析

在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，潮流是影響交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)實(shí)際等效電阻的關(guān)鍵因素之一[7]。在實(shí)施電壓源穩(wěn)定性檢測前，計(jì)算系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)電壓幅值、相角以及直流電壓和電流作用下電壓源換流器的潮流。需要注意的是，大多數(shù)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)均采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse-Width Modulation，PWM）調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)對具體運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)控制，因此本文在具體計(jì)算過程中直接利用PWM的調(diào)制度和控制相角計(jì)算系統(tǒng)的潮流。

具體計(jì)算過程中，將光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)劃分為2個(gè)子系統(tǒng)，分別對應(yīng)交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)。在交流子系統(tǒng)中，設(shè)節(jié)點(diǎn)與電壓源換流器VSC相連的換流器節(jié)點(diǎn)數(shù)量為nc，節(jié)點(diǎn)未與換流站直接關(guān)聯(lián)的普通節(jié)點(diǎn)數(shù)量為nt，交流系統(tǒng)中的潮流方程可以表示為

式中：We表示光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中交流子系統(tǒng)的潮流；Pc表示換流器節(jié)點(diǎn)的輸出功率；Qt表示普通節(jié)點(diǎn)的輸出功率；U0表示光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的額定電壓；ui表示電壓源換流器輸入端的電壓值；gij表示PWM的調(diào)制度；aij表示PWM的控制相角；bij表示換流站內(nèi)的無功補(bǔ)償；uj表示電壓源換流器輸出端的電壓值。

在直流子系統(tǒng)中，對應(yīng)的潮流方程可以表示為

式中：W1表示光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中直流子系統(tǒng)的潮流；P0、Q0表示電壓源換流器VSC與系統(tǒng)母線之間的傳輸功率。在靜態(tài)模式下，P0和Q0均為恒值；在動(dòng)態(tài)模式下，P0和Q0會(huì)隨著系統(tǒng)的運(yùn)行逐漸發(fā)生變化。具體應(yīng)用中，需要結(jié)合光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行取值。

通過以上公式計(jì)算得到光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的潮流，為后續(xù)的電壓源輸出計(jì)算提供依據(jù)。

1.2 電壓源輸出電壓計(jì)算

結(jié)合計(jì)算得到的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)潮流，充分考慮光伏并網(wǎng)逆變器的接入方式，利用單位功率因數(shù)下光伏發(fā)電交流匯集線路饋入端換流母線的無功功率實(shí)現(xiàn)對電壓源輸出電壓的計(jì)算。具體的計(jì)算方式可以表示為

式中：Q表示換流母線的無功功率。當(dāng)Q=0時(shí)，此時(shí)的電壓源輸出電壓為額定電壓。當(dāng)Q＞0時(shí)，換流母線存在正向的無功功率輸出，此時(shí)的電壓源輸出電壓高于額定電壓，需要通過換流母線消耗高出部分電壓輸出。電壓源具體的電壓值可以表示為

式中：U表示電壓源輸出電壓；I表示VSC的輸出電流。

當(dāng)Q＜0時(shí)，此時(shí)的電壓源輸出電壓高于額定電壓，需要通過換流母線補(bǔ)償不足部分的電壓輸出。電壓源具體的電壓值可以表示為

通過以上方式計(jì)算電壓源輸出電壓值，當(dāng)計(jì)算得到的結(jié)果在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)允許波動(dòng)范圍內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為此時(shí)的電壓源處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)計(jì)算得到的結(jié)果在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)超出允許波動(dòng)范圍時(shí)，則認(rèn)為此時(shí)的電壓源處于非穩(wěn)態(tài)，可以根據(jù)實(shí)際的異常程度實(shí)施對應(yīng)的調(diào)節(jié)措施。光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的額定輸出越高，對應(yīng)的允許波動(dòng)范圍越大，電壓源穩(wěn)定性的劃分范圍越廣，因此不能直接根據(jù)電壓源輸出電壓值的大小對其穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。

2 測試與分析

2.1 測試環(huán)境

分析本文設(shè)計(jì)的電壓源穩(wěn)定性檢測方法的實(shí)際應(yīng)用效果時(shí)，構(gòu)建包含對照組的測試環(huán)境，對照組采用文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]提出的分析方法。為了實(shí)現(xiàn)對實(shí)際光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的模擬，對于直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了CIGRE Benchmark模型，對應(yīng)的額定功率和直流電壓分別為1 000 MW和200 kV。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，換流母線的額定電壓值為150 kV，對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓即為換流母線的額定電壓值。受外界環(huán)境和光伏發(fā)電并網(wǎng)自身的影響，允許最大波動(dòng)閾值范圍為5.0%。除此之外，設(shè)置光伏匯集線路的等值電抗為0.5 pu。光伏輸出電壓變化曲線如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓

從圖1可以看出，按照測試光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的管理標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置的測試數(shù)據(jù)中存在超閾值的波動(dòng)情況。以圖1中的測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別采用3種方法開展檢測。

2.2 測試結(jié)果

按照上述測試環(huán)境設(shè)置情況，分別采用3種方法進(jìn)行電壓源穩(wěn)定性檢測，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的檢測結(jié)果對比

從圖2可以看出，3種方法的檢測結(jié)果存在一定差異，對于40 min、80 min、100 min以及155 min時(shí)的超閾值波動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果也表現(xiàn)出了明顯的不同。在文獻(xiàn)[5]所提方法的檢測結(jié)果中，將45 min時(shí)的電壓源輸出值檢測為超閾值波動(dòng)，這與圖1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置存在屬性上的差異，因此可以初步判斷文獻(xiàn)[5]所提方法的檢測效果略低。為了進(jìn)一步分析3種方法的檢測結(jié)果與實(shí)際值之間的關(guān)系，對4個(gè)異常波動(dòng)數(shù)據(jù)的具體情況進(jìn)行進(jìn)一步比較，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 異常波動(dòng)數(shù)據(jù)檢測結(jié)果誤差統(tǒng)計(jì)表

通過對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，3種方法對于155 min的電壓源異常波動(dòng)數(shù)據(jù)均實(shí)現(xiàn)了較為準(zhǔn)確的檢測。文獻(xiàn)[5]所提方法對于超閾值波動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果整體呈現(xiàn)出較為明顯的波動(dòng)性，最大誤差為25.44 kV；文獻(xiàn)[6]所提方法對于超閾值波動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果整體更加穩(wěn)定，但是其對前3個(gè)以上波動(dòng)點(diǎn)的檢測情況誤差相對較大；本文設(shè)計(jì)方法的檢測結(jié)果與實(shí)際光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓源數(shù)據(jù)的擬合度最好，最大誤差僅為9.42 kV，明顯優(yōu)于另外2種對比方法。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓源穩(wěn)定性檢測方法可以實(shí)現(xiàn)對其實(shí)際輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析，在穩(wěn)定性檢測方面有良好表現(xiàn)，在實(shí)際的電網(wǎng)管理中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)作為現(xiàn)階段電力系統(tǒng)的一種主要供能方式，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到覆蓋區(qū)域的用電質(zhì)量和用電安全。以光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，提出了一種電壓源穩(wěn)定性檢測方法，充分考慮系統(tǒng)潮流對光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的影響，分別計(jì)算系統(tǒng)中交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)潮流，實(shí)現(xiàn)了對電壓源異常波動(dòng)的有效計(jì)算，為光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的管控提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過本文的研究，希望能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供幫助，助力電力安全的穩(wěn)步推進(jìn)。