光伏電站（PPS）建模及其對電網 穩定性影響研究

王秀麗 王相峰 趙興勇

（1.山西大學，太原 030013；2.華北電力大學，北京 102206）

光伏發電系統作為新能源的一種方式目前已應用較為廣泛，截止到2013年底，我國光伏電站并網累計裝機總容量近1942 萬kW。

含光伏發電系統電壓穩定性的研究文獻也較多，文獻[1]采用相應的控制策略，基于相關功率平衡原理，建立系統穩態模型，研究了光伏出力隨光強度變化情況；文獻[2]對分析了PV 接入配電網后的動態潮流及系統穩定性，認為若大量PV 接入在配網的終端或饋線末端，可能會使負荷側電壓越限；文獻[3]簡化了光電系統的電池特性，建立光電系統接入對電網穩態運行研究的光伏電源模型。本文則在PSASP 軟件基礎上，從不同因素下分析光伏并網對電網的影響。

1 光伏發電并網工作原理

圖1為光伏電站并網系統示意圖。光伏發電的基本工作過程是利用太陽光的能量，將光伏陣列產生的電能經控制器給蓄電池充電或經逆變器、變壓器將發出的交流電供給電網。

圖1 光伏電站并網系統示意圖

2 電壓穩定性影響

光伏電站系統由于電流與電壓同相位，可以用電壓的相位作為電流的相位，輸入到電網系統中。光伏電站對電網電壓穩定計算以各節點電壓水平及靈敏度變化水平為依據。

2.1 不同位置接入的影響

光伏發電系統具有間歇發電和隨機波動的特性，會造成系統的電壓和頻率波動以及繼電保護裝置的誤動作，同時光伏發電系統經過電力電子變換并網，會引起電網諧波問題，降低電能質量。下面通過研究光伏電站的并入位置，來討論它對靜態電壓穩定性的影響，這里采用EPRI-36 節點系統進行仿真計算驗證。

2.1.1 仿真條件

算例采用基準功率Sb=100MVA。EPRI-36 節點系統包括8 臺發電機組（其中BUS1 為平衡節點），9 個負荷，系統負荷總容量為2569+jl087MW。本算例所用EPRI-36 節點系統，在BUS20、BUS23、BUS29 處分別接入一個裝有 100 臺額定容量為1.5MW 的光伏電站，光伏電站機組控制方式設為恒電壓一恒功率因數控制（功率因數范圍設定為-0.9～0.9）[4-6]。

考慮到光伏電站的功率出力在不同天氣狀況下、不同時間點有所不同，所以分兩種情況分別進行討論。

圖2 光伏電站接入EPRI-36 節點系統示意圖

2.1.2 結果分析

通過電力系統分析綜合程序PSASP 對系統進行仿真計算，光伏電站2 和3 容量相同，在同一時刻接入位置不同時，得出EPRI-36 節點系統各負荷節點和發電機節點的各項電壓穩定指標及P-V 曲線。通過對各項電壓穩定性指標進行對比，分析風電功率波動對電壓穩定性的影響。

1）電壓水平

（1）不同天氣情況

表1和表2分別為光伏電站2、光伏電站3 在上午10 點時，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節點的節點電壓水平。

表1 光伏電站2 上午10 點的節點電壓水平

表2 光伏電站3 上午10 點的節點電壓水平

對比二者可以得出相同的結論：①在上午10點，光伏電站2 和3（容量相同，接入位置不同）分別投入時會導致系統負荷節點和發電機節點的電壓變化，其中光伏電站3 投入產生的電壓變化較光伏電站2 投入產生的電壓變化大，原因是由于光伏電站3 接入點的負荷較大，因此對于電壓影響較大；②光伏電站2 和3 在晴天的電壓變化較多云時大，多云天氣狀況的電壓變化較陰天時大。

（2）不同時間情況

表3和表4分別為光伏電站2 和光伏電站3 在同樣的晴天狀況下，各時間點（主要選取了8∶00—18∶00，每2h 記錄次結果）不同時，容量相同的兩個光伏電站在不同位置情況下的節點電壓變化水平。

表3 光伏電站2 在晴天時的節點電壓水平

表4 光伏電站3 在晴天時的節點電壓水平

對比二者可以得出相同的結論：①在晴天時，光伏電站2 和3（容量相同，接入位置不同）分別投入時會導致系統負荷節點和發電機節點的電壓變化，其中光伏電站3 在早8∶00—18∶00 投入產生的電壓變化較光伏電站2 投入產生的電壓變化大，原因是由于光伏電站3 接入點的負荷較大，因此對于電壓影響較大；②光伏電站2 和3 在晴天時12∶00—16∶00 電壓變化情況較其它時間段大，這是因為這一時間段內光伏電站發出的功率較大引起的。

2）靈敏度

（1）不同天氣情況

表5和表6分別為光伏電站2、光伏電站3 在上午10∶00 時，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節點的靈敏度。

表5 光伏電站2 上午10∶00 的靈敏度

表6 光伏電站3 上午10∶00 的靈敏度

從表中可以看出，當光伏電站容量相同，位置不同時，光伏電站在晴天、多云、陰天時會導致光伏電站附近負荷節點和發電機節點的U-Q靈敏度變化，而靈敏度值為正且數值越小，母線電壓越穩定。比較表中的光伏電站2 和3 的結果不難看出，無論是哪個光伏電站投入，對于發電機節點，光伏電站離發電機母線越近靈敏度越大，對負荷節點，光伏電站離母線越近靈敏度越大。

（2）不同時間情況

表7和表8分別為光伏電站2 和光伏電站3 在同樣的晴天狀況下，各時間點（主要選取了8∶00—18∶00，每兩小時記錄次結果）不同時，容量相同的兩個光伏電站在不同位置情況下的節點電壓變化水平。

從表7中可以看出，當光伏電站容量相同，位置不同時，光伏電站在不同時段會導致光伏電站附近負荷節點和發電機節點的U-Q靈敏度變化，而靈敏度值為正且數值越小，母線電壓越穩定。比較表中的光伏電站2 和3 的結果不難看出，無論是哪個光伏電站投入，對于發電機節點，光伏電站離發電機母線越近靈敏度越大，對負荷節點，光伏電站離母線越近靈敏度越大。

表7 光伏電站2 在晴天時的靈敏度

表8 光伏電站3 在晴天時的靈敏度

2.2 不同容量接入的影響

為驗證光伏電站容量不同對于電網電壓的影響，現還是取上述算例，討論光伏電站3 在不同天氣（晴天、多云和陰天）和不同時間點兩種情形下的電壓變化情況、靈敏度及P-V曲線。

1）電壓水平

（1）不同天氣情況

表2為光伏電站3 在上午10 點時，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節點的節點電壓水平。

觀察表2，可以得出結論：①在上午10∶00，光伏電站3 在晴天、多云和陰天時容量會不相同，分別會導致系統負荷節點和發電機節點的電壓變化，其中光伏電站3 在晴天時投入產生的電壓變化較大，原因是由于光伏電站3 接入點的負荷較大，因此對于電壓影響較大；②上午10∶00，光伏電站3 晴天的電壓變化較之多云時大，多云的變化較之陰天大，這是由于晴天的光伏電站發出的功率大于多云時發出的功率，多云時發出的功率大于陰天發出的功率造成的。

（2）不同時間情況

表4為光伏電站3 在晴天狀況時，各時間點即8∶00—18∶00，光伏電站3 在容量不同時各節點的節點電壓水平，從表中可以發現：12∶00—16∶00，容量大的電壓影響大，這是因為這一時間段內光伏電站發出的功率較大引起的。

2）靈敏度

（1）不同天氣情況

表6為光伏電站3 在上午10∶00 時，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節點的靈敏度，可以發現，容量越大靈敏度越大。

（2）不同時間情況

表8為光伏電站3 在晴天狀況時，各時間點即8∶00—18∶00，光伏電站3 在容量不同時各節點的靈敏度，從表中可以發現：12∶00—16∶00，容量大的靈敏度大，這是因為這一時間段內光伏電站發出的功率較大引起的。

2.3 接入電壓等級的影響

為驗證光伏電站接入電壓等級不同對于電網電壓的影響，現還是取上述算例，討論光伏電站3 在35kV 和10kV 兩種情形下的電壓變化情況、靈敏度及P-V曲線。

1）電壓水平

（1）不同天氣情況

表2和表9分別為光伏電站3 在35kV 和10kV時上午10∶00 的節點電壓水平，從結果可以看出，在其它條件相同，而光伏電站電壓等級不同時，對發電機母線而言，節點電壓未發生改變，但對負荷母線而言，電壓等級小的電壓下降的百分比多，說明電壓等級越小，穩定性越差。

表9 光伏電站3 上午10∶00 的節點電壓水平

（2）不同時間情況

表10 光伏電站3 在10kV 晴天時的節點電壓水平

表4和表10 分別為光伏電站3 在35kV 和10kV晴天時各時間點（早8∶00—晚18∶00）的節點電壓水平，從結果可以看出，對發電機母線而言，光伏電站在電壓等級不同時，節點電壓未發生改變，但對負荷母線而言，電壓等級小的電壓下降的百分比多，說明電壓等級越小，穩定性越差。

2）靈敏度

（1）不同天氣情況

表6為光伏電站3 在35kV 時上午10∶00 的靈敏度，和10kV 時靈敏度相同，從結果可以看出，在其它條件相同，而光伏電站電壓等級不同時，靈敏度未發生改變。

（2）不同時間情況

表8為光伏電站3 在35kV 晴天時各時間點（8∶00—18∶00）的靈敏度，和10kV 時靈敏度相同，從結果可以看出，光伏電站在電壓等級不同時，靈敏度未發生改變。

3 結論

由以上分析可見，光伏發電對電網的影響會受到天氣狀況、不同時間點的影響，并且當光伏電站接入位置不同、接入容量不同以及接入電壓等級不同時對電網的影響也會不盡相同。

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[4] 王一波,李晶,許洪華.考慮電網安全穩定約束的光伏電站最大安裝容量計算與分析[J].太陽能學報,2008,29(8): 971-975.

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