大规模光伏发电对电力系统的影响冯卫忠

大规模光伏发电对电力系统的影响冯卫忠

冯卫忠史丹萍

（中国能源建设集团天津电力建设有限公司天津300012）

摘要：低碳经济背景下，清洁能源业务是电力行业转型升级的必然选择。太阳能光伏发电作为清洁能源可有效缓解传统火力发电与水力发电两种电能来源电能提供不足的问题，为生产生活用电需求更好的提供服务，但想要光伏发电为电力系统提供电能，则需要有效解决大规模光伏发电对电力系统所产生的影响,也是本次研究的重点。

关键词：光伏发电；电力系统；策略

一、大规模光伏发电系统介绍

（一）光伏电池与阵列模型

在大规模光伏发电系统化中,光伏电池是重要的构成要素,其具体的排列状况也需要具体处理。这里所说的光伏电池主要是以二极管模型为核心的一种光伏电池等效电路,在KCL状态下最终却确定光伏电池模型的数学表达式。对各项基础参数完成拆解与表达之后确定电流与开路电压,当然也包括最大功率点电压等,得出适用于工程计算基础条件的模型表达式。大规模光伏发电系统当中的阵列模型主要是基于阵列模型得出,最终阵列状态是以串并联的方式呈现。

（二）并网换流器与控制模型

并网换流器在大规模光伏发电系统当中主要是针对大规模单元而言的一种暂态的并网特性。当前主要运用到大规模光伏发电系统当中的电压源型以内外环双层结构为主,形成一种双环的控制方式。内环控制方式以电流为主,其电流值需要与外环的电力参考值作为基础衡量标准,最终经过控制环节与换流器装置外按成电流的入网操作;外环则是电压输入过程,具体与以内环生成的电流作为参考标准及依据,经过换流器的并网策略处理与外部特性完成操作。控制模型包括两类,一类是内环控制模型,所运用到的控制策略以前馈解耦为主,确定换流器的暂态模型,最终依据暂态模型确定电力解耦的处理方式,将这些控制因素直接添加到内环控制当中。

二、大规模光伏发电系统的建模

（一）光伏电池及其阵列建模

光伏电池是基于单二级管模型的光伏电池等效电路,并基于KCL的基础上得出光伏电池数学表达式。工作人员可以利用光伏电池供应商提供的技术参数短路电流、最大功率点的电流以及电压等,得出大规模光伏系统计算模型的表达式。而光伏阵列集成模型也可以根据光伏电池模型,或者串并联的组合等得到。光伏电池及其阵列模型的形成过程中存在着很多问题,包括光伏组件之间存在着差异、逆变器某型有问题等。

（二）换流器以及内环控制模型

作为光伏发电系统中的重要组件,换流器也决定着光伏发电单位的暂态以及其他并网特性。而当前的换流器主要采用内外环结构的控制方式。就内环来说,主要以电流输入为主,将外环所控制生成的电流参考值作为重要基准,并通过换流器将电流纳入输电网络系统。在外环控制中主要是以电压为输入。而外环控制主要通过电压输入进行,并经过各个控制环节来生成内环控制的电流参考值,这也就决定了换流器的并网策略和外特性等。在换流器及内外装置的设计过程中,工作人员一般会采用解耦控制策略,将换流器机电暂态某型下的电压、电流等进行解耦处理,并将这些信息添加到内环控制过程中。为了促进模型更好地应用,我们最好对换流器及内环控制环节进行简化。就外环控制某型来说,工作人员要根据电网系统对光伏发电系统的要求进行设定,从而实现换流器的并网功能。

（三）光伏发电动态模型

工作人员先要采用方程组法构建大规模光电发电系统中的各个状态性方程,同时得到联合的方程组。在此情况下,大规模光伏发电系统的动态模型也就被建立起来。

（四）光伏发电系统模型

这里所说的模型是一种稳态模型。光伏发电系统是通过逆变器接入电网的,工作人员可以在这个过程中测算出PV节点以及PI节点等。同时,还可以建立含变压器等在内的问题模型的方程等。总之,大规模光伏发电系统的运行需要多个模型的控制。工作人员要综合考虑光伏阵列、换流器的组合方式以及变压器的参数等,并结合全过程的防真模型,做好并网分析。

三、大规模光伏发电对电力系统的影响

大规模光伏发电系统的应用,极大地优化了我国的电力系统,提高了电力系统的应用效率等。下面,笔者将从五个方面对大规模光伏发电对电力系统的影响进行探讨。

（一）对系统无功电压特性的影响

一般来说,大规模光伏发电都是在戈壁或者荒漠地带进行的,这些地区负荷水平较低,接入地区电网短路的容量较小,大量电力都是通过高压输电网络进行外送的。这个过程将对电网电压的特性产生影响,母线电压也会因此产生波动,使得电网系统出现电压失去稳定的风险。同时,在某些地区,大规模光伏发电系统的接入会使得电网原有的网架结构发生改变,进而影响电压的质量。

（二）对功角稳定性的影响

一般来说,光伏电源是静止的元件,并不参与功角的振荡。但是,大规模光伏接入系统之后,会使得电网原有的潮流分别发生改变,系统的等效惯量会减小,进而使得电网的功角稳定性发生变化。当然,这种变化有可能是良性的,也有可能是恶性的。大规模光伏并网过程中可能会发生某种故障,影响电网的穿透能力,进而导致脱网现象发生。

（三）对电能质量的影响

大规模光伏系统的引入使得电力电子等得以广泛应用,这对原来的电力系统就造成了一定的污染,影响电能的质量。例如,如果当地的太阳光急剧变化,谐波就会发生较大的波动,甚至出现叠加现象等。同时,直流的注入也会引发电源波动等,对电能质量也会造成影响。

（四）对有功频率特性的影响

大规模光伏接入导致频繁的随机波动,不利于维持系统的有功平衡,从而影响电网系统的运行特性。而且,电力的频率质量越低,风险也会进一步加大。同时,光伏系统大规模接入之后,系统的等效转动惯量会降低,系统的应对功率就会波动,进而会影响到系统的有功频率特性。

（五）对配电系统保护的影响

大规模光伏电源接入配电系统之后,配电系统的故障特征也会发生变化,进而产生一系列的负面影响。例如,网架结构会转化为双电源、多电源的拓扑结构,保护装置会发生误动或拒动。另外,部分工作人员在那些较为敏感的并网光伏变换器中增加了一些不必要的保护装置,这也对配电系统中变电站备用电源的自投装置的正常应用产生一定的不良影响。

结束语

大规模光伏发电系统的建模与仿真分析进一步的为光伏介入对系统动态和稳态特性的影响分析奠定了基础。笔者根据自身工作经验和目前国内外研究资料,总结了大规模光伏发电对有功频率特性、功角稳定性的影响及对电能质量、配电系统保护等造成的影响。

参考文献：

[1]田艳军,陈波,王毅,魏石磊,高皓楠.光伏直流升压汇集系统改进功率权重分层控制策略[J/OL].高电压技术:1-9[2018-11-25].https://doi.org/10.13336/j.1003-6520.hve.20181121012.

[2]田拥军,曾小波,葛庆.基于分时电价政策的用户侧光伏发电并网优化控制研究[J].仪器仪表用户,2018(12):13-16.

[3]王贵波,马健,胡伟.户用型光伏发电系统对配电网的影响[J].山东工业技术,2018(24):219.

[4]杨万玉,王旭东.基于可行性经济分析的光伏电站项目研究[J].科技风,2018(34):212.

[5]刘瑞,吕玮,张昊,张文文.基于人工蜂群算法提高光伏阵列多峰的功率输出[J].信息技术,2018(11):143-147.