張繼元，黃 磊，舒 杰，王 浩，丁建寧

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5. 江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 常州 213164）

高滲透率下分布式發(fā)電對(duì)大電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響*

張繼元1，2，3，4，黃 磊1，2，3，4，舒 杰1，2，3?，王 浩1，2，3，丁建寧5

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5. 江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 常州 213164）

為了研究高滲透率下分布式發(fā)電對(duì)大電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，針對(duì)不同類型的分布式微源特性，提出了相應(yīng)的并網(wǎng)控制策略，在此基礎(chǔ)上建立逆變型分布式電源發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型。通過理論分析和仿真，重點(diǎn)研究了分布式發(fā)電并網(wǎng)在不同滲透率下對(duì)電網(wǎng)靜態(tài)電壓的影響，分析了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及頻率的動(dòng)態(tài)特性，并探討了不同控制策略的分布式微源在故障期間對(duì)電力系統(tǒng)的影響。仿真分析結(jié)果表明：微電網(wǎng)能夠?qū)Υ箅娋W(wǎng)提供電壓支撐，但滲透率過大會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響；采用電壓源型控制策略的分布式微源，能夠?qū)收虾箅娋W(wǎng)電壓、頻率的恢復(fù)起到積極作用。

分布式發(fā)電；高滲透率；控制策略；靜態(tài)電壓；動(dòng)態(tài)特性

0 引 言

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)多以化石能源作為一次能源，由于大規(guī)模開采使用，造成了能源枯竭、環(huán)境污染等問題，嚴(yán)重影響當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步［1］?；诜植际诫娫矗╠istributed generation，DG）組建的微電網(wǎng)，為可再生能源（如太陽能、風(fēng)能、潮汐能及地?zé)崮艿龋┑木C合利用提供了有效途徑［2］。微電網(wǎng)不僅供電靈活、安全可靠，還能夠削峰填谷、降低網(wǎng)損，實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保的低碳電網(wǎng)，將是解決能源與環(huán)境危機(jī)的重要途徑［3-5］。微電網(wǎng)容量的快速增長(zhǎng)以及分布式微源所占比重的不斷提高，對(duì)大電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定影響。因此，針對(duì)高滲透率下分布式發(fā)電接入大電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的暫穩(wěn)態(tài)影響進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，將具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

微電網(wǎng)能夠?qū)⒍喾N可再生能源有效組織并合理利用起來，但是由于分布式電源多采用基于電力電子的控制技術(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)，具有弱慣性、高抗性以及電氣特性各異等特征，使得以分布式發(fā)電為基礎(chǔ)的微電網(wǎng)構(gòu)成復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)，其運(yùn)行特性相對(duì)傳統(tǒng)大電網(wǎng)存在著并網(wǎng)運(yùn)行、電網(wǎng)故障時(shí)孤島運(yùn)行、恢復(fù)并網(wǎng)等多種狀態(tài)。處于并網(wǎng)運(yùn)行情況下的微電網(wǎng)，能夠接受上層調(diào)度，有效的調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率平衡，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在電力系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落或故障的情況下，微電網(wǎng)根據(jù)孤島檢測(cè)以及控制策略，提供電壓支撐實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，或者無縫切換至孤島模式，配合當(dāng)?shù)毓╇娋W(wǎng)絡(luò)，保障和支撐微電網(wǎng)內(nèi)部的關(guān)鍵負(fù)荷，對(duì)于提高供電安全穩(wěn)定性具有積極作用。

隨著大規(guī)模分布式電源并網(wǎng)發(fā)電接入電網(wǎng)后，將極大地影響整個(gè)配電系統(tǒng)，太陽能及風(fēng)能的功率受外界環(huán)境影響較大，可能造成配電系統(tǒng)中電壓的波動(dòng)和閃變，同時(shí)大規(guī)模的電力電子裝置并網(wǎng)將會(huì)造成電力諧波污染［6-8］，同時(shí)原有的配電系統(tǒng)將作為有源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃，而系統(tǒng)潮流以及電壓分布也將隨之變化，尤其是電壓的上升越限［9］。高滲透率的分布式發(fā)電接入必將對(duì)大電網(wǎng)的電壓頻率和功角穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，給大電網(wǎng)的穩(wěn)定性、調(diào)度運(yùn)行和控制保護(hù)策略等方面帶來新的問題和挑戰(zhàn)［10］，因此有必要研究高滲透率下分布式發(fā)電對(duì)大電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響、內(nèi)在機(jī)理，以及提高穩(wěn)定性的策略，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行和微電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)提供理論指導(dǎo)，同時(shí)為制訂相關(guān)大規(guī)模分布式發(fā)電接入大電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行規(guī)范提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 分布式微源建模

微電網(wǎng)將多種分布式及常規(guī)能源組合，如太陽能、風(fēng)能、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等，但分布式發(fā)電具有隨機(jī)性和功率波動(dòng)等特性。因此，需針對(duì)微電源進(jìn)行建模和分析，對(duì)其運(yùn)行特性和控制方法進(jìn)行研究，以滿足微電網(wǎng)強(qiáng)魯棒性和快速調(diào)節(jié)的要求。

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏電池屬于半導(dǎo)體光電元器件，其典型的數(shù)學(xué)模型如下圖1所示，由等效電流源、并聯(lián)二極管以及串、并聯(lián)電阻組成，其工作特性可通過此等效電路進(jìn)行描述［11］。

圖1 光伏電池模型Fig. 1 Photovoltaic cell model

光伏電池輸出電流和電壓的非線性I-U特性關(guān)系如下式（1）所示。

式中：IL為光伏電池短路電流；I0為二極管反向飽和電流，通常取10-4A；q為電子電量常數(shù)，1.6×10-19C；m為曲線擬合參數(shù)，無量綱，取值范圍為1 ≤ m ≤ 2；k為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；T為光伏電池溫度；Rs、Rsh分別為光伏電池串、并聯(lián)等效電阻，Rsh通常大于 1 kΩ；I、U分別為光伏電池輸出電流、電壓。

光伏電池的輸出特性如圖2所示。光伏陣列在特定環(huán)境下其P-U特性曲線呈近似拋物線形狀，因而存在唯一與其工作電壓對(duì)應(yīng)的最大功率點(diǎn)。由此，調(diào)節(jié)光伏逆變器的輸入電壓達(dá)到特性曲線中對(duì)應(yīng)的最大功率點(diǎn)位置時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏的最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）。

圖2 光伏輸出特性Fig. 2 Photovoltaic characteristic

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常是由扇葉、發(fā)電機(jī)、整流器和逆變器組成。當(dāng)氣流流過扇葉時(shí)，產(chǎn)生與氣流流動(dòng)方向垂直的轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能［12］。

由空氣動(dòng)力學(xué)原理得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率如式（2）所示。

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；R為扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m；v為風(fēng)速，m/s；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，與尖速比λ和槳距角β的相關(guān)。在風(fēng)速和密度不變的條件下，風(fēng)力系統(tǒng)的輸出功率與Cp成正比關(guān)系。

隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率也不同，但是存在最大輸出功率點(diǎn)。不同風(fēng)速下的功率特性曲線如圖3所示，將輸出功率曲線簇中的最大點(diǎn)連接起來得到最大功率曲線。

圖3 風(fēng)力系統(tǒng)功率特性曲線Fig. 3 Wind power system characteristic curve

1.3 微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)由燃?xì)廨啓C(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器和 LC濾波器組成，采用單軸結(jié)構(gòu)，具有效率高、緊湊可靠的優(yōu)點(diǎn)［13］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)以Rowen所提單軸單循環(huán)重負(fù)荷燃?xì)廨啓C(jī)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行建模［14］，其中控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速、溫度、燃料和加速度控制模塊。控制轉(zhuǎn)速使得在特定負(fù)荷下維持轉(zhuǎn)速基本不變；溫度控制保證燃?xì)廨啓C(jī)溫度在設(shè)定的最大值下安全工作；燃料控制以確保足夠的燃料流量；加速度控制限制轉(zhuǎn)速變化率過高。燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所產(chǎn)生的交流電經(jīng)過整流成直流電后，經(jīng)由并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生工頻交流電送入大電網(wǎng)［15-16］，為符合微電網(wǎng)運(yùn)行特性，常采用功率控制（PQ控制）或V/f控制。

燃?xì)廨啓C(jī)的溫度函數(shù)（f1）和轉(zhuǎn)矩輸出函數(shù)（f2）分別為：

式中：TR為燃?xì)廨啓C(jī)額定溫度，視燃?xì)廨啓C(jī)的類型而定；αf1、βf1、αf2、βf2、cf2為系統(tǒng)給定常數(shù)；Δωg為轉(zhuǎn)子角速度偏差。

圖4 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Micro gas turbine power generation system structure

2 微源并網(wǎng)控制策略

微電網(wǎng)中的分布式發(fā)電作為受控電源，通過并網(wǎng)逆變器不同策略控制為電壓或電流源，與大電網(wǎng)進(jìn)行交互。典型的并網(wǎng)逆變型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，采用三相全橋結(jié)構(gòu)，逆變器的開關(guān)視為理想開關(guān)，基于空間矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）策略運(yùn)行。

圖5 并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 5 The topology of grid-connected inverter

根據(jù)上圖可得到，以流入電網(wǎng)電流方向?yàn)檎?，得到三相靜止坐標(biāo)系下的逆變電壓表達(dá)式：

式中，x取三相ABC，由于電網(wǎng)交流變量的時(shí)變性，給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來很大困難。因此，需將數(shù)學(xué)模型中三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的兩相d-q坐標(biāo)系，通過PARK變換使ABC坐標(biāo)系下的交流量變換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d-q軸中的直流分量。

PARK變換矩陣公式：

將公式（5）代入公式（4）中，可得到逆變電壓在d-q坐標(biāo)系下的直流分量表達(dá)式：

式中，usd、usq分別為逆變輸出電壓d軸、q軸分量，id、iq為系統(tǒng)輸出電流d軸、q軸分量，ud、uq為電網(wǎng)直流分量。由上式可知，系統(tǒng)除受電網(wǎng)擾動(dòng)影響，還受 id和 iq的耦合影響。根據(jù)文獻(xiàn)［17］對(duì)其進(jìn)行解耦控制，此時(shí)電流控制采用PI控制，實(shí)現(xiàn)d-q軸電流的無靜差調(diào)節(jié)。同時(shí)在電流參考值前添加兩個(gè)PI控制器，實(shí)現(xiàn)功率 PQ控制策略，這樣可通過控制電流分量直接調(diào)整相應(yīng)的功率，PQ控制策略流程圖如圖6所示。最終計(jì)算得出逆變電壓usd、usq，將其送入控制器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng) IGBT從而發(fā)出指定電壓波形。

圖6 PQ控制策略流程圖Fig. 6 Diagram of the PQ control strategy

上述 PQ控制穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提是，電力系統(tǒng)具有剛性的穩(wěn)定電壓，其電壓頻率穩(wěn)定，擁有固定的電氣時(shí)鐘坐標(biāo)軸，使得 PQ控制能夠按照指令輸出額定功率。

DG系統(tǒng)不僅具有PQ控制，而采用具有V/f控制策略的分布式發(fā)電單元，還可輔助穩(wěn)定支撐系統(tǒng)運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)如頻率調(diào)節(jié)、電壓控制等功能，幫助建立穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓，與采用 PQ控制的分布電源協(xié)同組成微電網(wǎng)系統(tǒng)。V/f控制方程如式（7）所示，模式中依據(jù)所承擔(dān)的負(fù)荷特性以及預(yù)期所要求的V/f頻率電壓控制效果，需要整定不同的下垂控制系數(shù)。

式中，f0、U0分別為空載輸出的額定頻率與電壓幅值，kDroop-P、kDroop-Q為下垂系數(shù)。由f、U合成輸出指令參考值。考慮到對(duì)功率分配精度的影響，下垂系數(shù)的選取如下式（8）所示［18-19］：

其中，Δω、ΔU分別為角頻率和電壓幅值偏差最大值，Pmax、Qmax分別為發(fā)電系統(tǒng)自身輸出最大有功、無功功率。得到輸出指令參考值后送入V/f控制，再經(jīng)過電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制，從而精確快速的控制系統(tǒng)電壓和頻率。

3 分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

微電網(wǎng)將大規(guī)模分布式發(fā)電整合后，作為相對(duì)于大電網(wǎng)的單一受控源，通過公共連接點(diǎn)（point of common coupling，PCC）實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行。目前文獻(xiàn)多將微電網(wǎng)作為電流源型并網(wǎng)，系統(tǒng)在具有弱慣性條件下考察不同滲透率對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，目前的研究缺乏對(duì)系統(tǒng)的精確建模，并且仍處于探索階段。

本文研究探討分布式發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，主要針對(duì)高滲透率下微電網(wǎng)接入對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行分析。電力系統(tǒng)在不同滲透率的并網(wǎng)情況下能否保持暫態(tài)穩(wěn)定，是電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的必要前提。而隨著大規(guī)模分布式發(fā)電通過微電網(wǎng)集中接入大電網(wǎng)后，由于微電網(wǎng)內(nèi)部配置眾多分布式電源，使得系統(tǒng)衍生了諸如高電抗、弱慣性等電力電子裝置具有的特性，在與傳統(tǒng)電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行條件下，尤其是高滲透率下接入系統(tǒng)，勢(shì)必會(huì)對(duì)大電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。因此，有必要對(duì)微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定及運(yùn)行影響進(jìn)行研究。

目前電力系統(tǒng)穩(wěn)定性模型通常采用節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)［20-21］，本文對(duì)其優(yōu)化改進(jìn)，以反映電力電子裝置在微電網(wǎng)中的特性，采用圖7中所示的微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，研究微電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

圖7 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 7 Structure of micro-grid system

為定量研究不同滲透率下，微電網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)的影響，將滲透率λ定義為分布式發(fā)電（或微電網(wǎng)）與大電網(wǎng)交換功率占電力系統(tǒng)總功率的比率，即：

式中：Pm代表分布式發(fā)電（或微電網(wǎng)）并網(wǎng)功率，其數(shù)值可由微電網(wǎng)中分布式發(fā)電總功率PDG與微電網(wǎng)內(nèi)部總負(fù)荷量Pload運(yùn)算得到；PT代表電力系統(tǒng)總功率；Pi是微電網(wǎng)中第i臺(tái)分布式微源發(fā)電功率；n是分布式微源總數(shù)。

由上述可知，當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部分布式微源、負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，微電網(wǎng)滲透率λ也隨之改變，通常滲透率λ≥10%即被認(rèn)為是高滲透率，分布式發(fā)電與負(fù)荷功率的改變將與電力系統(tǒng)中的主同步發(fā)電機(jī)互相影響，使系統(tǒng)特性發(fā)生變化。用滲透率表征微電網(wǎng)與電網(wǎng)間的功率交換比率，對(duì)研究不同容量等級(jí)的微電網(wǎng)與電力系統(tǒng)的作用機(jī)理有重要意義。

3.1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性

研究靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，是為了分析并網(wǎng)連接點(diǎn)PCC處的母線電壓在不同滲透率情況下的變化趨勢(shì)。圖8所示為以λ=0時(shí)作為參考基準(zhǔn)，在不同滲透率下的PCC電壓曲線。

圖8 不同滲透率下PCC電壓變化Fig. 8 PCC voltage under different penetration

由上圖可知，在分布式發(fā)電并網(wǎng)情況下，隨著滲透率的不斷增大（即微電網(wǎng)注入大電網(wǎng)的功率不斷增大），系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)情況下測(cè)定 PCC處電壓也相應(yīng)增大，說明在電力系統(tǒng)中，微電網(wǎng)向大電網(wǎng)注入的功率對(duì)電網(wǎng)電壓起到了支撐作用。

電壓穩(wěn)定性的定義：在正常運(yùn)行情況下或遭受擾動(dòng)后，系統(tǒng)電壓能夠在允許范圍內(nèi)維持運(yùn)行。通常電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定包括電壓、頻率的波動(dòng)，是由于系統(tǒng)不能滿足有功、無功功率的需求［22］。本文在研究不同滲透率下動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)，將研究不同控制策略的分布式微源對(duì)系統(tǒng)電壓的影響。

3.2 動(dòng)態(tài)特性分析

對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，針對(duì)電力系統(tǒng)在故障前后并網(wǎng)點(diǎn)PCC處的電壓、頻率變化進(jìn)行檢測(cè)，由此得出在不同滲透率情況下，微電網(wǎng)在故障期間及故障后對(duì)電網(wǎng)電壓及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并分析導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)的潛在因素。

3.2.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

由于逆變型分布式發(fā)電在微電網(wǎng)應(yīng)用中較為常見，因此選用逆變型DG發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，通過變壓器接入大電網(wǎng)，研究其對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

通過調(diào)節(jié)DG的輸出功率（PQ控制），使逆變型DG在λ=0、20%、40%三種滲透率下運(yùn)行。為研究動(dòng)態(tài)特性，設(shè)置電力系統(tǒng)的輸電線路發(fā)生三相短路故障，并在發(fā)生故障100 ms后，通過跳開故障線路解除故障。在故障期間，逆變型DG發(fā)電系統(tǒng)和大電網(wǎng)保持連接。

圖9是在三種不同滲透率下，系統(tǒng)發(fā)生短路故障期間，逆變型DG發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性曲線。由圖中可以看出，系統(tǒng)在故障清除恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，隨著滲透率的增加，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差峰值也隨之增大，系統(tǒng)自愈性降低。結(jié)合之前的分析可知，滲透率的增加能夠?yàn)榇箅娋W(wǎng)快速恢復(fù)提供電壓支撐，但同時(shí)系統(tǒng)振蕩加劇，過高的滲透率可能會(huì)引起系統(tǒng)的崩潰。

3.2.2 動(dòng)態(tài)頻率分析

圖10所示為發(fā)生故障期間，DG發(fā)電機(jī)輸出頻率的變化曲線。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在1 s處發(fā)生故障，并在100 ms之后清除故障，系統(tǒng)頻率經(jīng)歷了不同程度的震蕩并最終趨于穩(wěn)定。大電網(wǎng)以額定頻率50 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)微電網(wǎng)滲透率由0增大至40%時(shí)，頻率曲線振蕩加劇，恢復(fù)至參考標(biāo)幺值的過渡時(shí)間增長(zhǎng)。在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障到恢復(fù)至正常范圍的過渡時(shí)間內(nèi)，由于微電網(wǎng)內(nèi)部引入的電力電子裝置，也會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成高次諧波干擾，可導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的小幅度震蕩。

3.2.3 不同控制策略特性分析

分布式微源采用不同的控制策略，導(dǎo)致其輸出特性相異。為研究控制策略對(duì)系統(tǒng)電壓的影響，檢測(cè)在滲透率λ=20%情況下，DG采用V/f控制、PQ控制以及電流控制策略下的轉(zhuǎn)速曲線，如圖 11所示。由圖可以看出：采用V/f控制策略下的轉(zhuǎn)速偏差最小，振蕩周期短以及最快恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。PQ控制以及電流控制在上面的分析中可以看到，其控制本質(zhì)相似，而V/f控制是通過控制電壓的幅值與頻率，使系統(tǒng)作為電壓源形式與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)故障清除后，能夠?yàn)榇箅娋W(wǎng)的恢復(fù)提供功率支撐。

圖12是在故障期間不同控制策略下PCC點(diǎn)的電壓曲線。從圖中可以看到，以故障前的穩(wěn)態(tài)電壓為標(biāo)幺值，故障發(fā)生后電壓降落曲線一致，在故障清除后，采用V/f控制策略的系統(tǒng)，能夠?qū)ο到y(tǒng)提供電壓、頻率的支撐，使得電壓能夠快速恢復(fù)至標(biāo)幺值并穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 故障期間轉(zhuǎn)速曲線Fig. 9 Speed curve under different penetration during the fault

圖10 故障期間頻率曲線Fig. 10 Frequency curve under different penetration during the fault

圖11 不同控制策略在故障期間轉(zhuǎn)速曲線Fig. 11 Speed curve under different control strategy during the fault

圖12 不同控制策略在故障期間電壓曲線Fig. 12 PCC voltage curve under different control strategy during the fault

4 結(jié) 論

為了研究高滲透率下分布式發(fā)電接入對(duì)大電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，對(duì)不同類型的分布式電源特性展開研究，建立微電網(wǎng)中光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)等分布式電源模型，同時(shí)研究設(shè)計(jì)了應(yīng)用于微電網(wǎng)的接口變換器，并提出相應(yīng)的控制策略。在此基礎(chǔ)上建立DG發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，通過仿真可知在不同滲透率下微電網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)的電壓和頻率的影響具有較大差異。微電網(wǎng)能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的電壓提供一定的支撐，但滲透率過大會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率的振蕩，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。而采用電壓源型控制策略的分布式微源，能夠?qū)收虾蟠箅娋W(wǎng)電壓、頻率的恢復(fù)起到積極作用，改善電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性。

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Impacts of Distributed Generations with High Penetration Level on Voltage Stability of Power System

ZHANG Ji-yuan1，2，3，4，HUANG Lei1，2，3，4，SHU Jie1，2，3，WANG Hao1，2，3，DING Jian-ning5
（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2. Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，China；4. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；5. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Photovoltaic Science and Engineering，Jiangsu Changzhou 213164，China）

In order to investigate the impacts of distributed generation （DG） with high penetration level on voltage stability of power system，this paper focuses on the characteristics of different DGs，presents corresponding grid-tied control strategies and the DG generators’ dynamic model. Theoretical analysis and numerical study was conducted for the effects of the grid-connection DGs on the grid static voltage，dynamic characteristics of DG speed and frequency under different penetration levels，as well as the impacts of DGs with different control strategies on the power system during the fault. The results show that micro-grid can provide voltage support，but with the penetration increases it generates negative effect on grid stability；and the voltage source DGs can promote the recovery of grid voltage and frequency after the fault.

distributed generation；high penetration level；control strategy；static voltage；dynamic characteristics

TK01+9；TM712

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.05.007

2095-560X（2016）05-0379-07

張繼元（1990-），男，博士研究生，助理研究員，主要從事電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

黃 磊（1986-），女，博士研究生，助理研究員，主要從事可再生能源發(fā)電預(yù)測(cè)、微電網(wǎng)仿真技術(shù)和能量管理研究。

舒 杰（1969-），男，博士，研究員，主要從事可再生能源及微電網(wǎng)技術(shù)研究。

2016-07-18

2016-09-18

廣州市創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)與共享專項(xiàng)（201509010018）；佛山市院市合作項(xiàng)目（2014HK100051）；中國科學(xué)院廣州能源研究所所長(zhǎng)創(chuàng)新培育基金（y407pa1001）；廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺(tái)環(huán)境建設(shè)項(xiàng)目（2014B040404002）

? 通信作者：舒 杰，E-mail：shujie@ms.giec.ac.cn