大規模光伏發電對電力系統影響綜述

周星宇

（武漢電力職業技術學院，湖北 武漢 430000）

大規模光伏發電對電力系統影響綜述

周星宇

（武漢電力職業技術學院，湖北 武漢 430000）

電能已經成為生產生活中一種不可或缺的能源類型，伴隨其利用率的逐漸提升，傳統的能源提供方式已經無法滿足電能需求，可再生能源成為應用與開發的重點方向。太陽能光伏發電作為一種可再生資源，有效緩解對傳統電能的需求。但由于大規模發電對整個電力系統會產生一定影響，需要全面分析，對其影響進行綜述。

大規模；光伏發電；電力系統

太陽能光伏發電作為當前可應用的一種電能資源，可有效緩解傳統火力發電與水力發電兩種電能來源電能提供不足的問題，為生產生活用電需求更好的提供服務。但想要光伏發電拆修為電力系統提供電能，則需要有效解決大規模光伏發電對電力系統所產生的影響，也是本次研究的重點。

1 大規模光伏發電系統介紹

1.1 光伏電池與陣列模型

在大規模光伏發電系統化中，光伏電池是重要的構成要素，其具體的排列狀況也需要具體處理。這里所說的光伏電池主要是以二極管模型為核心的一種光伏電池等效電路，在KCL狀態下最終卻確定光伏電池模型的數學表達式。對各項基礎參數完成拆解與表達之后確定電流與開路電壓，當然也包括最大功率點電壓等，得出適用于工程計算基礎條件的模型表達式。大規模光伏發電系統當中的陣列模型主要是基于陣列模型得出，最終陣列狀態是以串并聯的方式呈現。

1.2 并網換流器與控制模型

并網換流器在大規模光伏發電系統當中主要是針對大規模單元而言的一種暫態的并網特性。當前主要運用到大規模光伏發電系統當中的電壓源型以內外環雙層結構為主，形成一種雙環的控制方式。內環控制方式以電流為主，其電流值需要與外環的電力參考值作為基礎衡量標準，最終經過控制環節與換流器裝置外按成電流的入網操作；外環則是電壓輸入過程，具體與以內環生成的電流作為參考標準及依據，經過換流器的并網策略處理與外部特性完成操作。

控制模型包括兩類，一類是內環控制模型，所運用到的控制策略以前饋解耦為主，確定換流器的暫態模型，最終依據暫態模型確定電力解耦的處理方式，將這些控制因素直接添加到內環控制當中。內環模型如圖1所示。

圖1 換流器及內環控制模型

從圖1模型當中可以發現，光伏并網環流率的解耦控制能力包括有功與無功兩個方面。外環控制模型則需要根據電網對于光伏發電系統的實際需求去具體設計與實現有功類與無功類的并網額策略，具體外環控制模型如圖2所示。

圖2 電流源并網模式下外環控制模型

1.3 光伏發電系統模型

在光伏發電系統模型的構建方面，依據方程組當中的各項基本構成完成拆分之后得出最為基礎的構成部分，確定各個基本狀態的方程因素。這期間將逆變器與MPPT等控制環節進行操作處理，得出狀態方程。以聯立處理的基本方式最終去確定光伏發電系統模型。根據研究的需求與光伏發電系統模型要求，選擇不同的建模方法。

2 大規模光伏發電對電力系統的影響

大規模光伏發電對于電力系統的影響主要表現在以下幾個方面。

2.1 對有功頻率特性的影響

大規模光伏發電作為目前電力提供的一種重要方式，其所表現出的特性主要集中在以下幾個方面：

第一，具有隨機波動性；第二，電源無轉動慣量；第三，低電壓時期具有無功動態特性；第四，容易產生脫網現象；第五，具有四象限控制的能力。光伏電力大伏的隨機波動性會對整個系統的功平衡性帶來影響，從而影響一次調頻和二次調頻，造成調頻運動特性風險增加的特征。此外，光伏電源是一種非旋轉的靜止電子元件，其在工作的過程中隨著交替電源的使用，會降低系統等效轉動慣量，從而對系統的功率造成影響，容易產生頻率急劇變化，影響運行的問題。

2.2 對功角穩定性的影響

功夫電源發電在其根本上自身是不參與功角振蕩的，因此在其本質上應該不存在功角穩定性的問題。但是，由于光伏電源發電元件的隨機波動和無轉動慣量等特征的產生，導致系統在接入大規模光伏后致使電源網內部呈現潮流分布，從而對其通道內的整體電流功率造成了影響，呈下降的效果，影響了系統內的等效慣量。此外，由于光伏電接入電網，在電網的整體形成上使其基本性能產生了變化，從而降低了電網系統內部拓撲結構的補充方式和電力傳輸的運行方式，致使模降低，影響系統的功角穩定性。因此，光伏網在實際故障產生的情況下經常會出現穿越能力不足引發脫網的故障，其中尤其是以集中化、規模化后更容易產生該種故障，因此在其改進的過程中必須充分的利用光伏配電站內部出場的作用，實現配電站無功補償，有效提升系統安全性。

2.3 對電能質量的影響

光伏大規模的接入電網，導致電網內部電力電子元件的數量逐漸增加，提升了系統的信息化和智能化處理。但是也對容易產生污染現象，一旦產生污染現象會導致整個電網系統內部的電能質量下降。為了進一步掌握對電能質量的影響，采用逆變器開關速度為例進行深入分析，最終發現在大規模光伏發電中逆變器開關速度的整體緩慢，會對電網系統內部的整體動態性能輸出帶來影響，產生小范圍的諧波，在外在陽光照射的因素下，會出現輸出功率較低，變化幅度較大的情況，更加促進了諧波變化范圍的拓展。

目前，從國內外大型光伏電站運行經驗中發現，單一的并網逆變器的輸出電流諧波較小，但是多臺并網逆變器并聯后輸出電流的諧波會產生疊加，從而形成輸出電流超標的現象。此外，經過多年的實踐工作經驗，發現大規模光伏發電在日常工作過程中會產生逆變器并聯的現象，該種現象的產生會導致耦合效應，從而降低并網逆變器控制回路的寬帶和穩定裕度，最終產生并網電流諧波含量超標的問題。

2.4 對配電系統保護的影響

光伏電源接入配電網后由于光伏電源自身規模因素，其對整個配電網內部特征會產生一定的影響，從而造成繼電保護和自動裝置缺失的問題。根據自身工作經驗和目前國內外對該方面的研究現狀，其主要表現在以下幾個方面。

第一，大規模光伏發電網架結構在其基本組成結構上采用的是雙電源、多電源等復雜拓撲結構，而該種結構的在光伏電網電力輸出的過程中會使整個電網的電流產生變化，其表現形式為大小、方向和時間。因此，容易造成饋線保護失誤，裝置誤動和拒動的故障。第二，光伏電源接入配電網后改變了配電網中原有的變壓器連接方式，從而使得變壓器與逆變器之間的回路產生變化，造成電路中零序電流增大，對整個電網的保護動作特性帶來影響。

3 結語

大規模光伏發電系統的建模與仿真分析進一步的為光伏介入對系統動態和穩態特性的影響分析奠定了基礎。筆者根據自身工作經驗和目前國內外研究資料，總結了大規模光伏發電對有功頻率特性、功角穩定性的影響及對電能質量、配電系統保護等造成的影響。

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