芻議大規模光伏發電對電力系統的影響

李石頭 王小川 胡彥雪

（大盛微電科技股份有限公司，河南 許昌 461000）

隨著能源形勢的日益緊張以及環保要求的不斷提高，現代社會經濟發展過程中對于可再生能源尤其新型能源的需求正在迅猛增長。 隨著其應用范圍的逐漸擴展，其對電力系統的規劃設計、仿真、電力調度以及系統控制等方面的影響也正成為各界人士研究與關注的重點， 為研究大規模光伏發電對電力系統的影響提供了現實條件。

1 大規模光伏系統的建模

1.1 光伏電池以及其陣列模型

該模型基于單二極管模型，根據基爾霍夫原理建立了自己的光伏等效電路，并且在此基礎上對理論的公式進行簡化，得到了適合工程計算的數學表達式。 光伏陣列的模型可以根據相應的光伏電池模型以及相互之間的串并聯關系得到， 模型建立的關鍵在于計算出光伏陣列的光伏組件差異造成的P-V 特性的多峰值，這對光伏陣列的集群建模有著關鍵性的作用。

1.2 換流器以及內環控制模型

目前主要的換流器都具有內外環雙環控制的結構，外環主要負責電壓輸入的控制，并將其轉化為內環控制的參考電流，進而決定并網的策略以及外特性； 內環的電流輸入主要依據與外環控制生成的電流參考值， 并且通過控制環節的控制以及與環流器的轉換來實現電流的順利入網。

1.3 光伏發電的動態模型

建立動態模型時，需要使用方程組建立發電系統中的各組成部分的狀態方程， 并將逆變器以及MPPT 的控制轉化為狀態方程，進而將兩個方程聯立，組建起方程組，建立光伏發電系統的模型。

1.4 光伏發電系統模型的研發

上述的建模原理為電力系統的仿真平臺的建立與研發提供了理論基礎，目前為止，已經研制成功的平臺包括PSD-BPA以及PSASP 兩大類，這兩類平臺集成了光伏發電的動態以及穩態模型，初步形成了大規模光伏發電并網的仿真手段，并且一些商業性質較強的平臺軟件已經具有了靈活的自定義的功能模塊，這些平臺研發為發電站的建模研究提供了基礎。

2 大規模光伏發電對系統特性的影響

2.1 對系統有功頻率特性的影響

光伏發電具有的特性包括外出力的速記波動性、靜止的電源、環路器并網過程中的無轉動慣性、低電壓穿越期間的不同特征以及脫網現象比較頻繁等， 這些特性的存在使得大規模光伏發電的介入會使得系統的穩態與暫態特性發生變化， 進而對整個系統的運行與規劃帶來根本性的影響。

光伏發電的過程會產生大幅度的頻繁的隨機波動，進而對系統的平衡造成沖擊，影響系統的一次以及二次調頻，對系統的有功經濟調度等運行特性都有著根本性的影響與作用； 同時系統備用的優化策略也會因為大規模光伏發電的接入而不得不做出適時的調整與變化；此外，因為電源是靜止的元件，所以隨著接入的光伏發電的規模的增大，電源的不足之處便逐漸明顯，需要不斷更換電源以適應光伏發電的需要， 甚至會因為光伏發電的功率過大而使得系統崩潰，需要對系統不斷進行維護。

2.2 對無功電壓特性的影響

需要接入大規模光伏發電的電力系統多數位于荒漠戈壁地區，這類地區的電力系統往往具有較低的負荷水平，電網容量也比較小。 所以大規模、遠距離的光伏發電的傳輸容易對當地電網的無功平衡性造成影響與干擾， 進而造成母線沿線的電壓出現大幅度的波動。

同時， 當地的實際并網的電壓都具有比較弱的支撐能力，所以在輸電的過程中比較容易出現電壓失穩的現象。 因為大規模光伏發電的接入改變的不僅是當地電網原有的輻射狀網架結構，更改變了當地電網系統的電源結構，影響了電網潮流的分布情況，進而對配電網的電壓質量造成根本性影響。

2.3 對攻角穩定性的影響

光伏發電的電源是靜止的元件， 本身并不參與攻角的震蕩，也就不存在攻角需要穩定的問題。 但是大規模光伏發電接入到系統中后， 系統的隨機波動性以及無轉動的慣性等性能均受到了影響，系統的等效慣量不得不變小，所以系統的攻角穩定性能便發生了變化， 其具體的變化方向與幅度取決于電網的拓撲結構、電網運行方式、電源控制技術、光伏發電接入的位置以及接入的規模等因素， 需要結合具體的情況進行具體的分析與計算。 同時，在電力系統中接入大規模的光伏發電還可能造成脫網現象，尤其是在集中化、規?；?，脫網給電力系統帶來的沖擊會變得更加強烈。

攻角失穩的主要表現便是振蕩型的失穩。 因為波動的光伏出力改變了系統運行的特點， 加上并網的逆變器與常規機具有不同的控制策略，所以系統的阻尼會在外界的影響下發生變化，進而改變系統原有的機電震蕩的模式， 帶來新頻段范圍內的振蕩。 但是具體的光伏發電的接入會為系統帶來怎樣的影響，需要根據實際情況進行具體的分析。

2.4 對小擾動穩定性的分析

在光伏電池使用過程中不存在機械與電磁量不平衡的動力學難題，但是卻存在電氣運行不穩定的問題，所以大規模的光伏發電的接入會影響電網的穩定性，影響系統功能的順利實現。光伏發電的接入改變了系統的功率，小擾動法分析的結果顯示，在系統的內部出現了運行不穩定的現象， 并且這種不穩定的現象主要存在于系統內部的最大功率點的附近。 因為系統的不平衡功率能夠被系統的直流側電吸收， 進而使得電容的存儲能力減弱，影響了系統的可靠運行。

3 結語

光伏發電具有清潔無污染的特性，是比較理想的清潔能源之一，能夠緩解我國經濟發展過程中能源緊張的問題，促進經濟的發展，但是其大規模的接入會對目標電力系統的穩態特征、無功特性、攻角穩定性等性能造成顯著的不確定的影響，所以需要慎重考慮其大規模的接入，充分發揮其作用與功能。

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