光伏電站接入對多機電力系統低頻振蕩的影響分析

黃忠培

摘要：本文以兩區四機系統為例，結合模式分析法，就光伏電站并網對多機電力系統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中引發新的低頻振蕩，在不同場景下，光伏電站接入對系統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；低頻振蕩；影響

前言：

光伏發電是一種清潔環保的發電形式，能夠對越發緊張的電能供需矛盾進行緩解，促進電網和諧發展。而最近幾年，我國的光伏并網規模持續擴大，其對于既有電力系統的影響也受到了越來越多的關注。本文基于兩區四機系統的典型算理，就光伏電站接入對多機電力系統低頻振蕩的影響進行了分析，希望能夠為電網的規劃設計和調整提供一些參考。

1 光伏電站動態建模

現階段，在我國多數光伏電站中，采用的都是單極式結構，包括光伏陣列、控制系統和逆變器等，這里采用工程實用模型進行光伏電站動態建模。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，構建數學模型

模型中，ω表示電力系統的角頻率，L表示輸出濾波器電感，Idpv和Iqpv分別表示并網電流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表示節點電壓的dq軸分量。一般情況下，會將d軸固定在節點電壓，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控制策略，內環為電流環，針對逆變器交流側電流進行控制，外環為電壓環，針對直流側電壓進行控制。無論是電壓外環還是電流內環，采用的全部是比例-積分控制，為確保單位功率因數運行，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 多機電力系統模態分析

2.1系統旋轉慣量改變

對于高滲透率光伏并網而言，會利用光伏電站取代部分常規機組，而如果零慣量光伏電站接入，同步發電機退出，則會使得系統旋轉慣量有所下降。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，都不會對另外區域的局部模式造成影響。在不同區域，局部模式之間并不存在很強的耦合性，在這種情況下，另一區域機組所屬的局部模式總參與因子基本不會發生很大變化。

2.1.2區間模式影響

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間阻尼比。當區域局部模式消失，G4輸出的有功響應只能提取到區間模式，對于局部模式則無能為力。G2輸出有功響應體現出的局部模式和區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間模式阻尼比與退出機組所處原區間模式中參與因子的關系。結果表明，對于雖有運行方式，兩者都表現為負相關關系[2]。

2.2系統旋轉慣量不變

從我國光伏電站的發展情況分析，其容量多數都不會超過常規機組，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，在任意區域增加光伏滲透率，都不會影響另外區域的局部模式，接入區域的局部模式阻尼比則會呈現出顯著增長的趨勢。當光伏出力達到600MW時，所處區域局部模式阻尼比會超過14%，低頻振蕩穩定性大大增強。

2.2.2區間模式影響

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，系統區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的區間模式參與程度較低，在沒有附加控制的情況下，無法實現對系統振蕩的有效抑制，阻尼性能也會出現明顯的下降。

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，區間模式阻尼比會呈現出顯著上升的趨勢，能夠顯著改善區域內局部模式以區間模式的阻尼特性，對系統低頻振蕩穩定性進行改善[3]。

3 結論

結合上述分析可知，光伏并網并不會引發新的低頻振蕩模式，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，則表明其在系統功率平衡中的作用越顯著，退出后的影響也越大；當系統慣量不變時，光伏電站接入位置和接入容量的不同對系統阻尼特性產生的影響差異巨大，結合仿真結果分析，想要切實保證系統振蕩模式的穩定性，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.大規模光伏并網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.多機電力系統中光伏發電廠附加穩定器的設計[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低頻振蕩控制策略研究[D].重慶大學，2015.