黃忠培

摘要：本文以兩區(qū)四機(jī)系統(tǒng)為例，結(jié)合模式分析法，就光伏電站并網(wǎng)對多機(jī)電力系統(tǒng)低頻振蕩的影響進(jìn)行了分析，對分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，也證明了光伏電站的接入并不會(huì)在多機(jī)電力系統(tǒng)中引發(fā)新的低頻振蕩，在不同場景下，光伏電站接入對系統(tǒng)低頻振蕩的影響存在顯著差異。

關(guān)鍵詞：光伏電站；多機(jī)電力系統(tǒng)；低頻振蕩；影響

前言：

光伏發(fā)電是一種清潔環(huán)保的發(fā)電形式，能夠?qū)υ桨l(fā)緊張的電能供需矛盾進(jìn)行緩解，促進(jìn)電網(wǎng)和諧發(fā)展。而最近幾年，我國的光伏并網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，其對于既有電力系統(tǒng)的影響也受到了越來越多的關(guān)注。本文基于兩區(qū)四機(jī)系統(tǒng)的典型算理，就光伏電站接入對多機(jī)電力系統(tǒng)低頻振蕩的影響進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)殡娋W(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和調(diào)整提供一些參考。

1 光伏電站動(dòng)態(tài)建模

現(xiàn)階段，在我國多數(shù)光伏電站中，采用的都是單極式結(jié)構(gòu)，包括光伏陣列、控制系統(tǒng)和逆變器等，這里采用工程實(shí)用模型進(jìn)行光伏電站動(dòng)態(tài)建模。一是逆變器和控制模型，從便于設(shè)計(jì)的角度，針對逆變器交流側(cè)電壓方程進(jìn)行了dq變換，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

模型中，ω表示電力系統(tǒng)的角頻率，L表示輸出濾波器電感，Idpv和Iqpv分別表示并網(wǎng)電流dq軸分量，Vd和Vq表示逆變器交流側(cè)電壓的dq軸分量，Vdpv和Vqpv表示節(jié)點(diǎn)電壓的dq軸分量。一般情況下，會(huì)將d軸固定在節(jié)點(diǎn)電壓，即Vqpv的取值為0。

在實(shí)際操作中，光伏逆變器采用的多是雙環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，針對逆變器交流側(cè)電流進(jìn)行控制，外環(huán)為電壓環(huán)，針對直流側(cè)電壓進(jìn)行控制。無論是電壓外環(huán)還是電流內(nèi)環(huán)，采用的全部是比例-積分控制，為確保單位功率因數(shù)運(yùn)行，需要設(shè)置q軸參考電流為0[1]。

二是直流電容方程，在忽略逆變器損耗的情況下，依照直流側(cè)和交流側(cè)功率平衡的特點(diǎn)，能夠得到直流側(cè)電容方程：

方程中的Cdc表示直流濾波電容，Udc表示電容電壓，Iarray則表示光伏陣列的輸出電流。

2 多機(jī)電力系統(tǒng)模態(tài)分析

2.1系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)慣量改變

對于高滲透率光伏并網(wǎng)而言，會(huì)利用光伏電站取代部分常規(guī)機(jī)組，而如果零慣量光伏電站接入，同步發(fā)電機(jī)退出，則會(huì)使得系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)慣量有所下降。這里就不同接入位置對于局部模式和區(qū)間模式的影響進(jìn)行簡單分析。

2.1.1局部模式影響

需要考慮在基本運(yùn)行方式下，退出一臺(tái)機(jī)組同時(shí)在母線上接入等容光伏電站的影響。結(jié)合相關(guān)計(jì)算結(jié)果分析，當(dāng)一臺(tái)同步機(jī)組退出后，系統(tǒng)震蕩模式會(huì)減少一個(gè)，表明光伏電站本身并不會(huì)參與到系統(tǒng)低頻振蕩中，振蕩模式之所以減少，主要是因?yàn)橥诫姍C(jī)退出引起。而伴隨著同步電機(jī)的退出而減少的振蕩模式屬于局部模式，在光伏電站不參與低頻振蕩的前提下，區(qū)域內(nèi)原本兩臺(tái)電機(jī)相互搖擺的情況會(huì)因?yàn)槠渲幸慌_(tái)電機(jī)退出而消失，而無論是同步電機(jī)的退出，還是光伏電站的接入，都不會(huì)對另外區(qū)域的局部模式造成影響。在不同區(qū)域，局部模式之間并不存在很強(qiáng)的耦合性，在這種情況下，另一區(qū)域機(jī)組所屬的局部模式總參與因子基本不會(huì)發(fā)生很大變化。

2.1.2區(qū)間模式影響

與局部模式影響類似，考慮基本運(yùn)行方式下分別推出一臺(tái)機(jī)組，同時(shí)在相應(yīng)母線接入等容量光伏電站后對于區(qū)域模式可能產(chǎn)生的影響。結(jié)果如圖1所示。

結(jié)合圖1分析，當(dāng)G2同步機(jī)推出，在母線6位置接入光伏電站后，區(qū)間模式得到最大阻尼比，同步機(jī)G1和G4的退出次之，若同步機(jī)G3退出，并且在母線11位置接入光伏電站，則可以獲得最小的區(qū)間阻尼比。當(dāng)區(qū)域局部模式消失，G4輸出的有功響應(yīng)只能提取到區(qū)間模式，對于局部模式則無能為力。G2輸出有功響應(yīng)體現(xiàn)出的局部模式和區(qū)間模式信息與模式分析法得到的結(jié)果沒有很大差異。為了針對得到的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，在聯(lián)絡(luò)線傳輸功率為100MW、200MW和300MW的情況下，實(shí)驗(yàn)不同機(jī)組退出，對光伏電站接入后區(qū)間模式阻尼比與退出機(jī)組所處原區(qū)間模式中參與因子的關(guān)系。結(jié)果表明，對于雖有運(yùn)行方式，兩者都表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系[2]。

2.2系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)慣量不變

從我國光伏電站的發(fā)展情況分析，其容量多數(shù)都不會(huì)超過常規(guī)機(jī)組，在不考慮負(fù)荷增長的情況下，如果想要提高光伏滲透率，則必須相應(yīng)減少同步電機(jī)有功出力，以保證功率平衡，避免系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)慣量的改變。

2.2.1局部模式影響

在母線5和母線11位置接入光伏電站，逐步提升有功出力，同時(shí)減少同步機(jī)G1和G3的有功出力來實(shí)現(xiàn)功率平衡，結(jié)合模式分析法對不同接入位置下，光伏電站有功出力對于局部模式的影響進(jìn)行分析。無論接入位置如何，在任意區(qū)域增加光伏滲透率，都不會(huì)影響另外區(qū)域的局部模式，接入?yún)^(qū)域的局部模式阻尼比則會(huì)呈現(xiàn)出顯著增長的趨勢。當(dāng)光伏出力達(dá)到600MW時(shí)，所處區(qū)域局部模式阻尼比會(huì)超過14%，低頻振蕩穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。

2.2.2區(qū)間模式影響

對母線5位置接入光伏電站的影響進(jìn)行分析。伴隨著光伏滲透率的增加，系統(tǒng)區(qū)間模式的阻尼比會(huì)先減小然后增大，不過這個(gè)變化趨勢并不明顯。G1的區(qū)間模式參與程度較低，在沒有附加控制的情況下，無法實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)振蕩的有效抑制，阻尼性能也會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。

對母線11位置接入光伏電站的影響進(jìn)行分析。伴隨著光伏滲透率的增加，區(qū)間模式阻尼比會(huì)呈現(xiàn)出顯著上升的趨勢，能夠顯著改善區(qū)域內(nèi)局部模式以區(qū)間模式的阻尼特性，對系統(tǒng)低頻振蕩穩(wěn)定性進(jìn)行改善[3]。

3 結(jié)論

結(jié)合上述分析可知，光伏并網(wǎng)并不會(huì)引發(fā)新的低頻振蕩模式，不過會(huì)通過向同步電機(jī)振蕩回路注入附加分量的方式，間接改變振蕩模式的阻尼特性。當(dāng)系統(tǒng)慣量改變時(shí)，退出同步電機(jī)的參與因子越大，則表明其在系統(tǒng)功率平衡中的作用越顯著，退出后的影響也越大；當(dāng)系統(tǒng)慣量不變時(shí)，光伏電站接入位置和接入容量的不同對系統(tǒng)阻尼特性產(chǎn)生的影響差異巨大，結(jié)合仿真結(jié)果分析，想要切實(shí)保證系統(tǒng)振蕩模式的穩(wěn)定性，應(yīng)該考慮在參與程度高的同步機(jī)組附近接入光伏電站。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛景.大規(guī)模光伏并網(wǎng)對低頻振蕩的影響及控制方法研究[D].南京理工大學(xué)，2017.

[2]杜文娟.多機(jī)電力系統(tǒng)中光伏發(fā)電廠附加穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（4）：5-13.

[3]任偉.大型光伏電站參與抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩控制策略研究[D].重慶大學(xué)，2015.