光伏并網對電力系統頻率穩定性的研究

摘""要：研究探討光伏并網對電力系統頻率穩定性的影響，特別是在雙高電力系統背景下，隨著國家對清潔能源的政策推動，光伏發電的并網比例逐漸上升，給頻率控制帶來了新的挑戰。研究采用具有典型光伏并網點的頻率數據，對光伏并網電力系統的頻率波動進行數學擬合分析，旨在揭示光伏發電對頻率穩定性的影響機制。研究為進一步優化光伏并網技術和電力系統調控策略提供理論依據，助力實現可再生能源的高效利用與電力系統的安全運行。

關鍵詞：光伏發電；頻率穩定性；雙高電力系統

1概述

光伏發電作為可再生能源的重要組成部分，其在電力系統中的應用日益廣泛。然而，光伏發電的間歇性和波動性特征，對電力系統的頻率穩定性構成了嚴峻挑戰。光伏發電的輸出強烈程度依賴于氣候條件和日照時間，導致其發電功率在短時間內會出現顯著變化。當光照條件突變或負荷急劇波動時，傳統的頻率控制手段（如慣性調節和一次調頻）往往難以有效應對，這使得含有光伏發電的電力系統的頻率非常容易受到擾動，進而影響電力供應的可靠性。

隨著光伏比例的不斷增加，常規發電機組（如燃煤和燃氣機組）的調節能力逐漸減弱[1]。這一趨勢不僅降低了傳統發電機組在頻率調節中的主導作用，也使得整個電力系統的頻率調節能力不足，頻率偏離的風險顯著上升。特別的，在光伏發電高滲透率的情況下，系統內的慣性減少，導致頻率恢復能力下降，此時，任何負荷的變化都有可能引發頻率的劇烈波動。

為了應對上述挑戰，研究如何在雙高電力系統（高比例可再生能源和高負荷需求）中實現頻率穩定顯得尤為重要。首先，改進調度策略是解決頻率問題的關鍵。智能化的調度系統可以實時監測電網狀態，靈活調整發電組合和負荷管理，以優化頻率調節能力。通過精準的負荷預測和靈活的發電調度，可以最大限度地減少由于光伏波動帶來的頻率擾動。

同時，可以引入先進技術手段，如需求響應和儲能系統，能夠有效應對光伏發電帶來的不確定性。需求響應技術允許消費者在高峰時段調整用電量，從而減輕電力系統的負荷壓力。而儲能系統（如電池儲能和抽水蓄能）則能夠在光伏發電過剩時儲存多余的電能，并在光伏發電不足時迅速釋放，提供必要的頻率調節支持。這種雙向調節能力，不僅提升了電力系統的靈活性，也為頻率穩定提供了新的保障。

因此，研究如何在雙高電力系統中實現頻率穩定，不僅是對傳統電力系統運行模式的挑戰，更是實現可再生能源與電力系統高效融合的必要步驟。通過綜合應用先進的調度策略與技術手段，可以有效提高電力系統的安全性與穩定性，為可再生能源的廣泛應用鋪平道路。

2光伏并網逆變器對頻率影響

頻率的變化是由于電力系統中產生的有功功率（通過HVDC輸入）和消耗的有功功率（通過HVDC輸出）之間的不平衡。在有光伏接入的電力系統中，由于光伏發電設備無法提供無功功率，因此需要電力電子設備控制有功功率和無功功率。光伏并網逆變器在光伏發電系統中發揮著至關重要的作用，其對電力系統頻率的影響體現在多個方面。逆變器的主要功能是將直流電轉化為交流電，并確保其與電網的相位和頻率同步。然而，逆變器的控制策略和運行特性對頻率穩定性有直接影響。

逆變器通常采用基于功率控制的策略，包括電壓和頻率調節功能。當電網頻率下降時，逆變器可以通過減少輸出功率來幫助恢復頻率，這一過程被稱為“頻率響應”。但是，一些傳統逆變器的這一功能并不完善，導致在電網頻率急劇下降時無法快速反應，從而加劇頻率波動。一些具有先進控制策略的逆變器可以提供靈活的功率調節，提升系統的頻率恢復能力。

逆變器的并網模式也會影響頻率穩定性。有些逆變器在并網時會限制其輸出功率，以防止對電網造成過大沖擊。這種限制雖然在短期內有助于維護系統安全，但在光伏發電比例高的情況下，可能導致光伏電站的整體發電能力無法充分利用，抑制了對頻率調節的支持，從而導致頻率波動加劇。

同時，逆變器的動態響應特性需要適應在負荷變化或突發事件（如光照條件急劇變化）時，能夠快速調整輸出滿足電網需求，降低頻率波動的幅度。

目前電網中存在的新能源機組依靠逆變器向電網輸送功率，分為跟網型控制（電流源型新能源機組）和構網型控制（電壓源型新能源機組）兩類[2]，二者主要區別在于其控制策略不同。跟網型逆變器的控制變量為電流，是一種引入鎖相環以電網電壓相角δ為參考的電流閉環控制，并網時等效為受控電流源，因此也被稱為電流控制型逆變器。當電網呈現弱電網強度時，由于鎖相環的引入，使得跟網型逆變器系統穩定性較差，存在諧波振蕩問題也會惡化系統穩定性。構網型逆變器的控制變量為電壓的相角與幅值，不需要鎖相環的介入，便可以生成控制策略的參考相角，因此穩定性要優于跟網型逆變器

2.1跟網型控制器

跟網型逆變器，通常用于將直流電能（如太陽能電池板產生的電能）轉換為交流電能，以便接入電網。其結構設計較為簡單，通常由直流輸入端、逆變橋、控制電路和交流輸出端組成。逆變橋使用功率半導體元件（如IGBT或MOSFET）進行直流到交流的轉換。其控制電路負責監測輸入電壓和電流，并調節逆變橋的開關狀態，以實現所需的輸出波形。跟網型控制器主要用于光伏發電系統與電網的同步控制，其基本功能是保持與電網的相位和頻率一致。其控制策略是通過鎖相環跟蹤光伏并網點的電壓相位，矢量電流的控制是基于并網點電壓的dq參考系確定的，其新能源機組作為功率源運行[3]。這種控制器通過實時監測電網頻率變化，調節光伏發電的輸出，確保其在電網頻率范圍內運行。跟網型控制器通常具備快速響應能力，可以實時調整發電功率以應對電網頻率波動，但是出力受天氣影響，不具備當頻率下降時增發有功功率。

2.2構網型控制器

構網型逆變器主要用于微電網或分布式發電系統，其結構特點與跟網型逆變器有所不同，構網型逆變器的結構設計允許多種電源（如太陽能、風能、儲能系統）同時接入，這種靈活性使其能夠更好地適應分布式發電的需求，因此，通常配備多個直流輸入端，以連接不同類型的可再生能源設備。由于構網型逆變器需要處理多種電源和負載，所以其控制策略通常更加復雜，因此更側重于系統的整體控制和協調，其控制策略是通過有功功率控制和無功功率控制來調節并網變流器的輸出有功和無功功率，產生作為基準的電壓相位角和電壓幅值，并通過電壓控制回路調節逆變器輸出的電壓[4];該控制策略可以很好的為系統提供頻率和電壓支撐，但是需要儲能環節提供穩定的直流電壓和額外的功率支撐。

在光伏并網的背景下，構網型控制器能有效協調不同發電單元的出力，減輕瞬時負荷變化對頻率的影響。此外，在極端天氣條件下，若多個光伏單元同時遭遇輸出下降，構網型控制器可能導致整體系統頻率的劇烈波動。

隨著新能源滲透率的不斷提高，電網的低慣量特性可能會導致頻率的波動加劇，跟網型逆變器由于依賴外部電網的穩定頻率和電壓參考，其穩定性較弱；構網型逆變器則是通過內部設點的電壓參考實時調整輸出，具有更好的穩定性。但是，在實際光伏電站的并網逆變器選擇中，要綜合考慮所在地區的慣量、儲備能力是否能滿足當光伏出力出現較大波動時，依舊能夠保證該地區的頻率穩定性。

3光伏發電對頻率的影響

光伏新能源并網對電力系統頻率的影響主要體現在其間歇性和波動性特征[5]，光伏發電的輸出受氣候條件（如光照強度和天氣變化）的顯著影響，這導致其發電功率存在較大的隨機性。當光伏發電占比逐漸提高時，電力系統面臨的頻率波動風險隨之增加。

在正常運行條件下，光伏發電可為電力系統提供額外的能量支持，但在快速負荷變化或光照條件突變的情況下，系統頻率可能出現劇烈波動。具體而言，光伏發電的快速上升或下降可能導致頻率的瞬時偏離，迫使調度中心迅速采取響應措施。這種頻率偏差在高光伏滲透率情況下尤為明顯，可能導致頻率控制的時間延遲，加劇頻率的波動。

此外，傳統的發電機組主要依賴機械慣性來提供頻率調節，而光伏發電系統通常不具備這種慣性響應能力。這意味著，在光伏發電占據較大比例時，系統的慣性減少，頻率恢復能力下降，可能引發更嚴重的頻率失穩問題。因此，為了有效應對光伏并網帶來的頻率挑戰，需探索先進的控制策略與儲能解決方案，增強電力系統的調度靈活性和頻率響應能力，以確保系統在高比例可再生能源環境下的安全穩定運行。

4典型數據擬合分析

針對電力系統頻率穩定性分析，選取某地光伏發電較多的節點頻率數據進行分析，數據包含一天24小時，抽樣間隔為3分鐘的頻率變化，圖3為頻率-時間曲線，反映該節點一天的頻率變化，可以看出頻率在小范圍內"的波動較為明顯；圖4為時間-頻率的散點圖，可以看出該節點絕大多數時間的頻率穩定在50Hz。

根據上面頻率波動曲線和散點圖中點的分布來看，采用正態分布對該節點數據進行擬合比較恰當，圖5為根據該節點數據做的正態分布擬合結果，可見該節點的頻率波動符合正態分布，具體表現為圍繞基準上下波動0.03Hz，該節點具有良好的頻率穩定性。

結論

光伏發電具有綠色、環保、清潔、可再生的特點，但是由于其間歇性、波動性，在并網過程中對導致電力系統電能質量問題，主要表現在頻率波動，系統慣量不足。因此，研究光伏并網逆變器對電力系統頻率穩定性影響、光伏發電對電力系統頻率穩定性的影響分析，有助于對電力系統慣量分布特性的研究，在慣量低的地區設置備用慣量，更加合理的分配新能源發電和傳統能源發電。

參考文獻

[1]孫東陽，申文強，周凱，等.電網次同步振蕩對光伏發電系統的影響分析及抑制策略研究[J].中國電機工程學報，2024，44（23）：9262-9275.

[2]馬駿超，陸承宇，王晨旭，等.新型電力系統慣量特性及其實時感知技術[J].浙江電力，2024，43（02）：1-12.

[3]程成，謝少軍，譚玲娟，等.跟網型逆變器的非線性模型及穩定性分析方法[J].電力系統自動化，2022，46（06）：137-143.

[4]趙炳洋，趙波，張芳，等.構網型逆變器技術綜述[J].北京信息科技大學學報（自然科學版），2022，37（04）：57-67.

[5]丁明，王偉勝，王秀麗，等.大規模光伏發電對電力系統影響綜述[J].中國電機工程學報，2014，34（01）：1-14.

作者簡介：陳洪波（1989—"），女，漢族，安徽霍邱人，本科，工程師，研究方向：電氣工程與自動化；付捷（2000—"），男，漢族，安徽巢湖人，本科，研究方向：電力系統風險評估。