王秀麗 王相峰 趙興勇

（1.山西大學(xué)，太原 030013；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為新能源的一種方式目前已應(yīng)用較為廣泛，截止到2013年底，我國光伏電站并網(wǎng)累計(jì)裝機(jī)總?cè)萘拷?942 萬kW。

含光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究文獻(xiàn)也較多，文獻(xiàn)[1]采用相應(yīng)的控制策略，基于相關(guān)功率平衡原理，建立系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型，研究了光伏出力隨光強(qiáng)度變化情況；文獻(xiàn)[2]對(duì)分析了PV 接入配電網(wǎng)后的動(dòng)態(tài)潮流及系統(tǒng)穩(wěn)定性，認(rèn)為若大量PV 接入在配網(wǎng)的終端或饋線末端，可能會(huì)使負(fù)荷側(cè)電壓越限；文獻(xiàn)[3]簡(jiǎn)化了光電系統(tǒng)的電池特性，建立光電系統(tǒng)接入對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行研究的光伏電源模型。本文則在PSASP 軟件基礎(chǔ)上，從不同因素下分析光伏并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響。

1 光伏發(fā)電并網(wǎng)工作原理

圖1為光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖。光伏發(fā)電的基本工作過程是利用太陽光的能量，將光伏陣列產(chǎn)生的電能經(jīng)控制器給蓄電池充電或經(jīng)逆變器、變壓器將發(fā)出的交流電供給電網(wǎng)。

圖1 光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

2 電壓穩(wěn)定性影響

光伏電站系統(tǒng)由于電流與電壓同相位，可以用電壓的相位作為電流的相位，輸入到電網(wǎng)系統(tǒng)中。光伏電站對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定計(jì)算以各節(jié)點(diǎn)電壓水平及靈敏度變化水平為依據(jù)。

2.1 不同位置接入的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)具有間歇發(fā)電和隨機(jī)波動(dòng)的特性，會(huì)造成系統(tǒng)的電壓和頻率波動(dòng)以及繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，同時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)過電力電子變換并網(wǎng)，會(huì)引起電網(wǎng)諧波問題，降低電能質(zhì)量。下面通過研究光伏電站的并入位置，來討論它對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，這里采用EPRI-36 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證。

2.1.1 仿真條件

算例采用基準(zhǔn)功率Sb=100MVA。EPRI-36 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)包括8 臺(tái)發(fā)電機(jī)組（其中BUS1 為平衡節(jié)點(diǎn)），9 個(gè)負(fù)荷，系統(tǒng)負(fù)荷總?cè)萘繛?569+jl087MW。本算例所用EPRI-36 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，在BUS20、BUS23、BUS29 處分別接入一個(gè)裝有 100 臺(tái)額定容量為1.5MW 的光伏電站，光伏電站機(jī)組控制方式設(shè)為恒電壓一恒功率因數(shù)控制（功率因數(shù)范圍設(shè)定為-0.9～0.9）[4-6]。

考慮到光伏電站的功率出力在不同天氣狀況下、不同時(shí)間點(diǎn)有所不同，所以分兩種情況分別進(jìn)行討論。

圖2 光伏電站接入EPRI-36 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示意圖

2.1.2 結(jié)果分析

通過電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，光伏電站2 和3 容量相同，在同一時(shí)刻接入位置不同時(shí)，得出EPRI-36 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)及P-V 曲線。通過對(duì)各項(xiàng)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，分析風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響。

1）電壓水平

（1）不同天氣情況

表1和表2分別為光伏電站2、光伏電站3 在上午10 點(diǎn)時(shí)，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓水平。

表1 光伏電站2 上午10 點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓水平

表2 光伏電站3 上午10 點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓水平

對(duì)比二者可以得出相同的結(jié)論：①在上午10點(diǎn)，光伏電站2 和3（容量相同，接入位置不同）分別投入時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的電壓變化，其中光伏電站3 投入產(chǎn)生的電壓變化較光伏電站2 投入產(chǎn)生的電壓變化大，原因是由于光伏電站3 接入點(diǎn)的負(fù)荷較大，因此對(duì)于電壓影響較大；②光伏電站2 和3 在晴天的電壓變化較多云時(shí)大，多云天氣狀況的電壓變化較陰天時(shí)大。

（2）不同時(shí)間情況

表3和表4分別為光伏電站2 和光伏電站3 在同樣的晴天狀況下，各時(shí)間點(diǎn)（主要選取了8∶00—18∶00，每2h 記錄次結(jié)果）不同時(shí)，容量相同的兩個(gè)光伏電站在不同位置情況下的節(jié)點(diǎn)電壓變化水平。

表3 光伏電站2 在晴天時(shí)的節(jié)點(diǎn)電壓水平

表4 光伏電站3 在晴天時(shí)的節(jié)點(diǎn)電壓水平

對(duì)比二者可以得出相同的結(jié)論：①在晴天時(shí)，光伏電站2 和3（容量相同，接入位置不同）分別投入時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的電壓變化，其中光伏電站3 在早8∶00—18∶00 投入產(chǎn)生的電壓變化較光伏電站2 投入產(chǎn)生的電壓變化大，原因是由于光伏電站3 接入點(diǎn)的負(fù)荷較大，因此對(duì)于電壓影響較大；②光伏電站2 和3 在晴天時(shí)12∶00—16∶00 電壓變化情況較其它時(shí)間段大，這是因?yàn)檫@一時(shí)間段內(nèi)光伏電站發(fā)出的功率較大引起的。

2）靈敏度

（1）不同天氣情況

表5和表6分別為光伏電站2、光伏電站3 在上午10∶00 時(shí)，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節(jié)點(diǎn)的靈敏度。

表5 光伏電站2 上午10∶00 的靈敏度

表6 光伏電站3 上午10∶00 的靈敏度

從表中可以看出，當(dāng)光伏電站容量相同，位置不同時(shí)，光伏電站在晴天、多云、陰天時(shí)會(huì)導(dǎo)致光伏電站附近負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的U-Q靈敏度變化，而靈敏度值為正且數(shù)值越小，母線電壓越穩(wěn)定。比較表中的光伏電站2 和3 的結(jié)果不難看出，無論是哪個(gè)光伏電站投入，對(duì)于發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，光伏電站離發(fā)電機(jī)母線越近靈敏度越大，對(duì)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，光伏電站離母線越近靈敏度越大。

（2）不同時(shí)間情況

表7和表8分別為光伏電站2 和光伏電站3 在同樣的晴天狀況下，各時(shí)間點(diǎn)（主要選取了8∶00—18∶00，每?jī)尚r(shí)記錄次結(jié)果）不同時(shí)，容量相同的兩個(gè)光伏電站在不同位置情況下的節(jié)點(diǎn)電壓變化水平。

從表7中可以看出，當(dāng)光伏電站容量相同，位置不同時(shí)，光伏電站在不同時(shí)段會(huì)導(dǎo)致光伏電站附近負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的U-Q靈敏度變化，而靈敏度值為正且數(shù)值越小，母線電壓越穩(wěn)定。比較表中的光伏電站2 和3 的結(jié)果不難看出，無論是哪個(gè)光伏電站投入，對(duì)于發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，光伏電站離發(fā)電機(jī)母線越近靈敏度越大，對(duì)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，光伏電站離母線越近靈敏度越大。

表7 光伏電站2 在晴天時(shí)的靈敏度

表8 光伏電站3 在晴天時(shí)的靈敏度

2.2 不同容量接入的影響

為驗(yàn)證光伏電站容量不同對(duì)于電網(wǎng)電壓的影響，現(xiàn)還是取上述算例，討論光伏電站3 在不同天氣（晴天、多云和陰天）和不同時(shí)間點(diǎn)兩種情形下的電壓變化情況、靈敏度及P-V曲線。

1）電壓水平

（1）不同天氣情況

表2為光伏電站3 在上午10 點(diǎn)時(shí)，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓水平。

觀察表2，可以得出結(jié)論：①在上午10∶00，光伏電站3 在晴天、多云和陰天時(shí)容量會(huì)不相同，分別會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的電壓變化，其中光伏電站3 在晴天時(shí)投入產(chǎn)生的電壓變化較大，原因是由于光伏電站3 接入點(diǎn)的負(fù)荷較大，因此對(duì)于電壓影響較大；②上午10∶00，光伏電站3 晴天的電壓變化較之多云時(shí)大，多云的變化較之陰天大，這是由于晴天的光伏電站發(fā)出的功率大于多云時(shí)發(fā)出的功率，多云時(shí)發(fā)出的功率大于陰天發(fā)出的功率造成的。

（2）不同時(shí)間情況

表4為光伏電站3 在晴天狀況時(shí)，各時(shí)間點(diǎn)即8∶00—18∶00，光伏電站3 在容量不同時(shí)各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓水平，從表中可以發(fā)現(xiàn)：12∶00—16∶00，容量大的電壓影響大，這是因?yàn)檫@一時(shí)間段內(nèi)光伏電站發(fā)出的功率較大引起的。

2）靈敏度

（1）不同天氣情況

表6為光伏電站3 在上午10∶00 時(shí)，在不同的天氣狀況下（晴天、多云、陰天）各節(jié)點(diǎn)的靈敏度，可以發(fā)現(xiàn)，容量越大靈敏度越大。

（2）不同時(shí)間情況

表8為光伏電站3 在晴天狀況時(shí)，各時(shí)間點(diǎn)即8∶00—18∶00，光伏電站3 在容量不同時(shí)各節(jié)點(diǎn)的靈敏度，從表中可以發(fā)現(xiàn)：12∶00—16∶00，容量大的靈敏度大，這是因?yàn)檫@一時(shí)間段內(nèi)光伏電站發(fā)出的功率較大引起的。

2.3 接入電壓等級(jí)的影響

為驗(yàn)證光伏電站接入電壓等級(jí)不同對(duì)于電網(wǎng)電壓的影響，現(xiàn)還是取上述算例，討論光伏電站3 在35kV 和10kV 兩種情形下的電壓變化情況、靈敏度及P-V曲線。

1）電壓水平

（1）不同天氣情況

表2和表9分別為光伏電站3 在35kV 和10kV時(shí)上午10∶00 的節(jié)點(diǎn)電壓水平，從結(jié)果可以看出，在其它條件相同，而光伏電站電壓等級(jí)不同時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)母線而言，節(jié)點(diǎn)電壓未發(fā)生改變，但對(duì)負(fù)荷母線而言，電壓等級(jí)小的電壓下降的百分比多，說明電壓等級(jí)越小，穩(wěn)定性越差。

表9 光伏電站3 上午10∶00 的節(jié)點(diǎn)電壓水平

（2）不同時(shí)間情況

表10 光伏電站3 在10kV 晴天時(shí)的節(jié)點(diǎn)電壓水平

表4和表10 分別為光伏電站3 在35kV 和10kV晴天時(shí)各時(shí)間點(diǎn)（早8∶00—晚18∶00）的節(jié)點(diǎn)電壓水平，從結(jié)果可以看出，對(duì)發(fā)電機(jī)母線而言，光伏電站在電壓等級(jí)不同時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓未發(fā)生改變，但對(duì)負(fù)荷母線而言，電壓等級(jí)小的電壓下降的百分比多，說明電壓等級(jí)越小，穩(wěn)定性越差。

2）靈敏度

（1）不同天氣情況

表6為光伏電站3 在35kV 時(shí)上午10∶00 的靈敏度，和10kV 時(shí)靈敏度相同，從結(jié)果可以看出，在其它條件相同，而光伏電站電壓等級(jí)不同時(shí)，靈敏度未發(fā)生改變。

（2）不同時(shí)間情況

表8為光伏電站3 在35kV 晴天時(shí)各時(shí)間點(diǎn)（8∶00—18∶00）的靈敏度，和10kV 時(shí)靈敏度相同，從結(jié)果可以看出，光伏電站在電壓等級(jí)不同時(shí)，靈敏度未發(fā)生改變。

3 結(jié)論

由以上分析可見，光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響會(huì)受到天氣狀況、不同時(shí)間點(diǎn)的影響，并且當(dāng)光伏電站接入位置不同、接入容量不同以及接入電壓等級(jí)不同時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響也會(huì)不盡相同。

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