大型并網光伏電站對電力系統影響的研究

于海洋，祖光鑫，董爾佳，徐明宇，紀 游

（黑龍江省電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030）

大型并網光伏電站對電力系統影響的研究

于海洋，祖光鑫，董爾佳，徐明宇，紀 游

（黑龍江省電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030）

光伏發電具有不確定性和波動性等特點，大型并網光伏電站對電力系統的穩定運行尤其對電網電壓和發電機功角穩定產生一定的負面影響。以黑龍江省泰來縣湯池9.9 MWp并網光伏電站為例，利用電力系統綜合分析程序PSASP建立1個9.9 MWp光伏電站接入系統仿真模型，針對光伏電站接入系統后出現的電壓和功角穩定問題進行深入分析。仿真結果表明，9.9 MWp并網光伏電站接入電網后不會對電力系統的電壓和功角產生較大影響，為并網光伏電站的規模化開發提供有力依據。

PSASP；光伏發電；仿真；暫態穩定

并網的光伏發電一般采用MPPT方式［1］，由于光伏電站的輸出功率直接取決于光照強度，而光照強度在1天時間里隨時間和天氣等因素的變化不是一個穩定值［2－6］，所以光伏發電的不確定性和波動性導致輸出功率不穩定，對系統供電可靠性造成一定程度的影響。此外，還存在電能質量、線路損耗、無功補償等問題。所以大型光伏電站并網之后，必然會對電力系統的正常運行帶來一定的負面影響。

針對光伏電站接入電網后所產生的負面影響，國內外專家學者進行了大量的研究，文獻［7］描述了光伏電站在電網中的“滲透率”，并針對電網中光伏電站的“高滲透率”所產生的負面影響進行了綜述。文獻［8］分析了大規模光伏電站接入對系統振蕩穩定性的影響，指出光伏發電分散接入比集中開發更有利于系統的振蕩穩定。文獻［9－11］對光伏電站接入后的電網潮流、無功功率等問題進行了仿真分析，提出了針對光伏電站發出的無功功率與接入點電壓關系以及光伏電站的故障特性。文獻［12］針對大規模光伏電站并網可能引起的穩定性問題進行了深入研究，提出為了使光伏發電連續、均衡送電，所配備的儲能電池的容量通常大于光伏電站的容量，但大規模光伏電站受投資限制，一般不配備儲能設備，可通過有載調壓變壓器的方式進行解決。

為全面掌握大型光伏電站并網運行后電網所面臨的問題，本文基于PSASP仿真程序，建立了光伏電站的數學模型，根據黑龍江省泰來縣容量為9.9 MWp的湯池光伏電站的實際情況和相關參數，對其接入系統后進行仿真分析，對電網電壓和頻率等影響進行深入研究并提出相應解決對策。

1 建立基于PSASP的光伏電站仿真模型

PSASP設計了1種光伏電站模型，此模型為光伏電站單級并網結構，系統結構如圖1所示。

圖1 光伏電站單級并網結構

光伏電源與電壓型逆變器經穩壓電容器相連，逆變器將光伏電源所發直流電轉換為交流電，經濾波電感與電網相連，實現光伏電站并網。模型適用的電壓等級為0.4 kV，模型出口需經升壓變壓器與高電壓等級的電網相連。

泰來縣湯池光伏電站共有240 Wp的多晶硅太陽能電池組件42 400塊，總容量為10 176 kW，每20塊組件為1個組串，每108串組件接入1臺500 kW的并網光伏逆變器，共有并網光伏逆變器20臺，電站內有10臺容量為1 000 kVA、額定變比為38.5／0.27 kV的升壓變壓器。電站內的接線如圖2所示。

圖2 泰來湯池光伏電站站內接線

光伏電站以單回35 kV型號為LGJ－50線路接入110 kV佰大變電站35 kV側，線路長度約8 km。

仿真以東北2013年冬季大運行方式數據為基礎，系統容量基準值為100 MVA。在PSASP程序中所建模型如圖3所示。

圖3 光伏電站接入系統示意圖

2 光伏電站接入系統后的穩態電壓分析

光伏電站功率因數為1、0.98、－0.98時，光伏電站不同出力情況下相關母線電壓情況如表1－表3所示。

表1 光伏電站不同出力情況下的相關母線電壓（功率因數＝1）kV

表2 光伏電站不同出力情況下的相關母線電壓（功率因數＝0.98）kV

表3 光伏電站不同出力情況下的相關母線電壓（功率因數＝－0.98）kV

從表1－表3可看出，泰來湯池光伏電站功率因數分別為1、0.98、－0.98，在不同出力時，光伏電站35 kV母線、佰大變35 kV母線、佰大變110 kV母線、昂昂溪變220 kV母線的電壓變化較小，各母線電壓均保持在運行范圍內。可見，泰來湯池光伏電站投運后，不會對電網電壓產生較大影響。

3 光伏電站接入系統后的時域仿真

光伏電站的動態行為影響到接入系統的電壓和頻率波動及暫態穩定性，因此需要通過仿真的方法檢驗系統在某些擾動情況下是否失去安全性和穩定性。時域仿真包括日照強度變化的仿真、切機擾動的仿真和光伏電站臨近母線故障的仿真。

3.1 日照強度變化和切機的影響

3.1.1 典型日照變化擾動

考慮泰來湯池光伏電站正常運行情況下，云層飄過帶來的日照變化對系統的影響。在初始光照的基礎上疊加1個負向變化的日照擾動，模擬實際日照強度變化情況，暫態過程時間為30 s（第5 s光照開始下降，10 s擾動達到峰值，15 s光照開始上升，20 s擾動結束），典型日照變化擾動曲線如圖4所示。

在典型日照變化擾動情況下，泰來湯池光伏電站35 kV母線、昂昂溪變220 kV母線、慶北變220 kV母線、富二廠220 kV母線電壓隨日照擾動變化曲線如圖5所示。電站附近發電機功角變化曲線如圖6所示。

從圖4－圖6可以看出，日照強度減弱（增強）時，光伏電站出力下降（上升），光伏電站以及附近母線電壓和功角降低（升高），其變化趨勢與典型日照變化擾動曲線保持一致，但這種電壓和功角的變化均在合理范圍內，并能回到穩定狀態，所以典型日照變化擾動對系統的影響較小。

圖4 典型日照變化擾動曲線

圖5 典型日照變化擾動情況下光伏電站附近母線電壓變化曲線

圖6 典型日照變化擾動情況下光伏電站附近發電機功角變化曲線

3.1.2 按比例切機（突然切機100%）

模擬由于惡劣天氣或其他設備故障等原因導致光伏電站故障切機，假設正常運行時光伏電站處在滿發狀態，在2 s時切除整個光伏電站，泰來湯池光伏電站35 kV母線、昂昂溪變220 kV母線、慶北變220 kV母線、富二廠220 kV母線電壓隨日照擾動變化曲線如圖7所示，電站附近發電機功角變化曲線如圖8所示。

圖7 泰來湯池光伏電站切機100%時附近母線電壓變化曲線

圖8 泰來湯池光伏電站切機100%時附近發電機功角變化曲線

從圖7、圖8可以看出，泰來湯池光伏電站額定出力運行時，在2 s時切除了整個光伏電站，光伏電站附近的母線電壓、發電機功角在2 s時發生短暫的過渡過程，使電站附近的母線電壓和功角發生不同程度下降，最后能夠回到穩定狀態，離光伏電站電氣距離越近受其影響越大，但突然切除光伏電站的情況對系統的影響在系統可承受范圍內。

3.2 光伏電站接入系統后電網故障的穩定性分析

光伏電站接入系統，應考慮系統故障時，光伏電站與系統之間的相互影響。因此，計算分析昂慶甲線昂昂溪變側5 s時發生三相短路接地故障時，對系統穩定的影響。0.12 s后故障切除，光伏電站臨近母線電壓變化曲線如圖9所示，附近發電機功角變化曲線如圖10所示。0.2 s后故障切除，光伏電站臨近母線電壓變化曲線如圖11所示，附近發電機功角變化曲線如圖12所示。

從圖9－圖12可以看出，當220 kV昂慶甲線昂昂溪變側發生三相永久接地短路故障時，無論在故障后0.12 s還是0.2 s切除故障，泰來湯池光伏電站附近母線電壓出現短時間小范圍波動，但該波動在國家標準允許范圍內，電網電壓和功角均可維持穩定，系統仍可保持同步穩定運行。

圖9 0.12 s切除三相接地短路故障光伏電站附近母線電壓變化曲線

圖10 0.12 s切除三相接地短路故障光伏電站附近發電機功角變化曲線

圖11 0.2 s切除三相接地短路故障光伏電站附近母線電壓變化曲線

圖12 0.2 s切除三相接地短路故障光伏電站附近發電機功角變化曲線

4 結論

為分析研究大型光伏電站并網后對電力系統的影響，本文基于PSASP軟件對黑龍江省泰來縣湯池光伏電站接入黑龍江省電網進行了穩態電壓和暫態穩定仿真分析，得出以下結論。

a.在2013年的電網結構和負荷組成情況下，湯池光伏電站在正常運行時接入電網，系統電壓水平在正常范圍內，滿足入網穩定要求。

b.在日照強度變化和切機擾動情況下，湯池光伏電站接入電網，系統電壓和功角雖受到擾動出現短暫波動，但處在合理范圍，能維持穩定運行。

c.在光伏電站臨近母線發生故障并切除故障線路時，電網電壓和功角可維持穩定，具有足夠長的故障切除時間，系統能保持同步穩定運行。

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Research on Effect of Large?scale Grid?connected PV Power Station for Power System

YU Hai?yang，ZU Guang?xin，DONG Er?jia，XU Ming?yu，JI You
（Heilongjiang Electric Power Research Institute，Harbin，Heilongjiang 150030，China）

As volatility and uncertainty of photovoltaic（PV）generation，integration of large capacity PV power station to power grid inevitably has negative impact on the stability of power grid.This research takes Tangchi 9.9 MWp grid?connected PV power station as the research object，a simulation model of 9.9 MWp PV station connected in power system is established by the Power System Analysis Software Package（PSASP）.The voltage and power angle stability variation after PV integration to the power grid are analyzed.Simula?tion results show that the integration of 9.9 MWp PV power station to power grid cann't significantly influence voltage and power angle of power grid.This paper provides the support to power grid.

PSASP；PV generation；Simulation；Transient stability

TM615

A

1004－7913（2016）05－0013－04

于海洋（1983—），男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統分析、新能源并網技術與檢測等研究工作。

2015－12－13）