规模化光伏电站与电网暂态交互影响定量分析

李峰，李威，薛峰，施涛

（国网电力科学研究院，江苏南京210003）

规模化光伏电站与电网暂态交互影响定量分析

李峰，李威，薛峰，施涛

（国网电力科学研究院，江苏南京210003）

Technology Project Founded by State Grid of China（SG0944）。

近年来，国内大型并网光伏电站数量迅速增加，规模风速扩大：2009年12月30日，位于甘肃敦煌市郊的国投10MWp光伏电站顺利投产发电；2010年5月25日，设计装机容量亚洲第一的昆明石林太阳能光伏并网实验示范电站一期20MWp项目正式并网发电；2010年10月8日，亚洲最大的薄膜太阳能光伏电站——山东济宁华瀚光伏电站并入国家电网开始进入试运行阶段，设计发电能力为30MWp；此外，青海、宁夏、内蒙古、云南、海南等地10MW级以上大型光伏电站建设规划也纷纷出台。而2010年11月2日全球最大光伏电站——鄂尔多斯2GWp光伏电站项目的批建，更是具有标杆意义，预示着规模化光伏电站并网应用时代的到来[1]。

相对分布式光伏发电、与建筑结合的光伏发电（BIPV），大型并网光伏电站不仅要关心光伏电站并网后的继电保护、电能质量等方面的影响，而且要研究对电网安全稳定的影响。我国的大型并网光伏电站多集中在西北、华北等日照资源丰富的荒漠、半荒漠地区，这些地区一般地域范围广而本地负荷小，光伏电站的电力需要进行远距离输送[2]。随着光伏电站数量和规模的不断加大，当光伏发电处于场站侧发生诸如云层生消等动态变化或电网侧发生故障等非正常运行状态时，光伏电站与电网之间复杂的交互影响关系，给光伏并网的安全稳定分析带来了新的挑战。

目前对光伏电站接入系统问题的研究，大部分都是基于分布式发电系统开展的。一般将光伏电站看作一个恒定功率的负负荷，或者小型的同步或异步发电机。在进行潮流计算时，用一个PQ节点描述光伏电站，在进行稳定分析时，则将光伏电站看作一个小型的同步或者异步发电机。由于光伏电站的电气特性与负荷、同步或异步发电机有着本质的差别：光伏阵列输出的功率与环境因素密切相关，太阳能电池的伏-安特性呈非线性，需要最大功率跟踪控制器找到光伏阵列在确定日照和温度条件下输出最大功率时对应的工作电压，以适应环境的变化；光伏阵列输出的直流电力通过逆变器转换为交流电力，逆变器的工作点在输入侧要与光伏阵列输出电压匹配，在输出侧要满足交流并网的条件；光电能量转换过程中不产生也不消耗无功，在逆变过程需要消耗无功，通常的光伏发电系统需要配置无功补偿设备，对并网点的功率因数进行控制等等[3-4]。所以，目前大部分的等值分析方法必然导致分析结果的不可信。

为此，国内外学者也开始针对光伏电站并网安全稳定分析建立了光伏电站模型，并基于此开展了相关的并网研究。文献[5]利用整体建模的方法将光伏电站与系统交互影响的两个特征变量——太阳光辐照度和系统电压与光伏电站模型结合，建立了一个适合系统稳定分析的光伏电站模型，仿真与实验结果相比较证实，该模型能够反映太阳光辐照度和系统电压发生快速或者缓慢变化时光伏电站的动态响应；文献[6-7]同时采用时域仿真和特征值分析的方法，分析了太阳光辐照度随机波动和系统突然扰动时，并网光伏电站的动态稳定性，并通过对比分析，证实了该方法的有效性；文献[8]则在PSS/E仿真平台上，利用自定义模块功能构建了光伏电站模型，并以新英格兰39节点系统为列，仿真分析了不同渗透率下光伏发电对系统安全稳定的影响。分析结论表明，规模越大的光伏电站在太阳光辐照度变化或者系统故障时，对系统安全稳定会造成更严重的负面影响。但是，以上对于光伏电站并网后的系统安全稳定分析，都只是定性的描述了光伏电站与系统的交互影响特性，对于光伏电站在对系统暂态功角稳定性、暂态电压稳定性和暂态频率稳定性的影响方面与常规电源具体有何不同，没有做进一步的分析研究。

本文在电力系统暂态安全量化分析软件FASTEST[9]平台上以研究规模化光伏电站接入系统后的稳定性分析为目的，建立了大型并网光伏电站的仿真模型，并通过对仿真结果的定量分析，比较了2种浮云遮挡情况下光伏电站对系统暂态稳定性的影响，以及电网侧故障时，光伏电站与常规电源不同的暂态响应特性。

1 适合稳定分析的光伏电站模型

1.1 光伏并网发电单元模型

典型的光伏并网发电单元由光伏阵列、逆变器和控制器组成，如图1所示。光伏阵列将太阳能量转变成直流电能；逆变器将光伏阵列所发之直流电能逆变成正弦电流注入电网中；控制器控制光伏阵列的最大输出功率、控制逆变器并网电流波形，使向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡并满足并网电压的要求。

图1 光伏并网发电单元Fig.1 Unit of grid-connected photovoltaic system

本文以研究规模化光伏电站接入系统后安全稳定分析为目的，以准确反映光伏电站随外界环境变化和系统发生扰动时动态响应特性为要求，采用核心器件建模的方式，按照光伏并网发电单元的构成，分别建立了光伏阵列模型、逆变器模型和控制器模型，从而形成了一个完整的、能够体现太阳光辐照度变化和光伏电站控制策略调整等动态特性的光伏电站模型[10-12]，具体说明如下：

1）光伏阵列模型。基于硅太阳电池理论数学模型的推导，忽略一些次要因素的影响，利用太阳电池生产厂商提供的，在标准测试条件下的4个电气参数（短路电流，开路电压，最大功率工作点电流和最大功率工作点电压）和通过引入相应补偿系数来考虑太阳光辐照度和电池温度的任意变化，再根据太阳电池的串并联关系组成光伏阵列，进而模拟随外界环境变化的光伏阵列输出电气特性，具体见参考文献[13]。

2）逆变器模型。根据安全稳定分析的需要，文中采用不考虑逆变器饱和等因素影响的理想正弦波调制逆变器模型[14-15]，如式（1）所示

式中，Uacd，Uacq分别为交流电压的d轴分量和q轴分量；K0为比例系数；Pmd和Pmq为逆变器的调制比。

3）控制器模型。光伏并网发电单元的控制主要由两部分构成，即最大功率跟踪控制和并网波形控制。光伏阵列功率输出特性具有非线性特征，受太阳辐照度、环境温度和负载情况影响。在一定的太阳辐射度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，但是当忽略温度效应时，光伏阵列在不同光照强度下的最大功率输出点总是近似在某一个恒定的电压值附近。因此，为了使光伏阵列输出功率尽可能地最大化，通常可采用恒定电压（Constant Voltage Tracking）和最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制策略[16-17]，前者使阵列的工作点稳定在某个电压附近，不仅简化了整个控制系统，也保证了输出功率接近最大功率输出点，而后者则是实时检测光伏阵列的输出功率，通过一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，本文所实现的模型中，该2种控制方式都已实现，通过调整图1中的Pord即可。此外，并网波形控制通过将并网电流相量按照并网电压相位角分解成有功和无功分量，即可实现有功和无功的解耦控制[14]，并根据控制结果得到图1中的Pmd和Pmq。

1.2 与FASTEST集成的光伏电站模型

目前国内外成熟的电力系统仿真分析软件都没有完善的光伏电站模型，但一些商业化的电力系统软件，如PSS/E、ETAP、DIgSILENT等，都拥有灵活的自定义模块功能，大多数相关研究都是基于这些软件开展的。

本文在自主设计的商业化暂态安全稳定量化分析软件FASTEST平台上开发了光伏电站并网仿真功能。同其他电力系统暂态分析软件最大的区别在于，FASTEST采用了定量分析技术[9]：FASTEST暂态功角稳定分析算法采用了EEAC算法，该稳定性理论严格推导了非自治电力系统暂态稳定性的充要条件，从理论上确保了算法的正确性；在暂态电压安全性方面，FASTEST除了考虑动态负荷的暂态稳定性外，还用一组二元表（低电压门槛值，容许低电压的持续时间）来描述不同母线对暂态电压跌落可接受性的要求；对于暂态频率安全性，FASTEST中用一组二元表（频率跌落门槛值，容许的频率异常持续时间）来描述对暂态频率偏移可接受性的要求，进而给出了定量评估暂态频率偏移可接受性的裕度指标。因此，在该软件中,集成光伏电站模型将非常有益于了解光伏电站并网后与系统间的交互影响关系，明确光伏电站同常规电源之间的区别。

将1.1节所述光伏并网发电单元并联组成光伏电站，在FASTEST中按照图2所示求解光伏电站的注入电流，并与网络方程迭代计算，即可实现含有光伏电站的电力系统暂态安全稳定量化分析。

图2 数值计算模型Fig.2 Numerical model

2 暂态稳定性定量分析

利用在FASTEST中建立的光伏电站模型，进行光伏电站与电网暂态交互影响定量分析。选用EPRI-36节点系统，如图3所示。给定运行方式下，系统负荷为2500MW，在远离负荷中心的母线（8）安装光伏电站，用来模拟我国大型光伏电站都在偏远地区安装的实际。稳态时，假定太阳光辐照度1000W/m2，电池温度25℃，光伏电站出力250MW，渗透率为10%。

图3 系统结构图Fig.3 System structure

光伏电站参数说明：1）光伏电站由500个并网发电单元并联组成，每个并网发电单元的光伏阵列由20个太阳能光伏电池串联成串后，再由160串并联而成；2）每块太阳能光伏电池在标准测试环境（太阳光辐照度1000W/m2，电池温度25℃）下的4个技术参数，开路电压、短路电流、最大功率工作点电压和最大功率工作点电流分别是43.2V，4.9A，34.4V和4.51A。

光伏电站大规模接入电网后，与电网间的暂态交互影响可以从2方面考虑，一是外界环境的瞬时变化，二是系统内部的瞬时故障，本节具体对浮云遮挡和网侧故障这两种典型情况进行仿真分析，从对系统暂态功角稳定性、暂态电压稳定性和暂态频率稳定性的影响角度出发，用量化数据来探讨光伏电站与常规电源在影响电网运行特性方面的区别。

2.1 浮云遮挡

目前多数并网光伏电站的出力跟随太阳光辐照度变化，延时仅有几μs，因此辐照功率的突变就直接对接入系统造成冲击。当光伏电站容量达到一定水平时，这种冲击会给系统稳定性带来较明显的影响，甚至可导致系统失去稳定。

浮云遮挡是导致光伏电站出力突然减少的主要原因，在此对比考虑2种浮云遮挡情况，一种是太阳光辐照度从1s开始，到2s时逐渐降低200W/m2，而另一种是太阳光辐照度从1s开始，到2s时逐渐降低600W/m2，2种情况都是从2s后，太阳光辐照度逐渐恢复到初始值，如图4所示。受辐照度变化影响，光伏电站输出有功变化明显，尤其在第二种情况下，输出有功从250MW跌落至100MW，变化率达到了60%，如图5所示。在有功功率的突然变化下，系统的暂态功角稳定性几乎不受影响，通过EEAC算法计算，2种情况下功角稳定裕度均为100，但是系统暂态电压稳定性和暂态频率稳定性受影响明显，如图6和7所示，在选用相同二元表进行定量计算后，辐照度变化200W/m2和辐照度变化600W/m2情况下的光伏电站节点的暂态电压跌落可接受裕度分别为71.56和79.41，暂态频率偏移可接受裕度为46.27和49.35，参见表1。

图4 太阳光辐照度Fig.4 Solar irradiation

图5 光伏电站输出有功功率Fig.5 Active power of PV plant

图6 光伏电站母线电压Fig.6 Voltage of PV plant

图7 光伏电站母线频率Fig.7 Frequency of PV plant

表1 暂态安全裕度Tab.1 Transient security margin

可见，所建模型能够模拟外界环境变化时，光伏电站的暂态响应特性，而量化分析的结果则表明，随着浮云遮挡时太阳光辐照度变化强度的增大，光伏电站对系统安全稳定的影响也越来越大，其中以暂态频率稳定性为首（49.35,46.27），暂态电压稳定性次之（79.41,71.56），而暂态功角稳定性受影响最弱（100,100）。仿真算例中，光伏电站在系统中的渗透率为10%，随着光伏电站渗透率的增大，在浮云遮挡时对系统的冲击也更为明显，当光伏电站的渗透率为15%时，在辐照度变化600W/m2情况下，系统失稳。

2.2 网侧故障

光伏电站与常规电源有较大区别，当系统发生扰动时，光伏电站的暂态响应特性也必然不同于常规电源。为此，在母线（8）处分别安装光伏电站和同等发电量的同步发电机，同步发电机带有相应的励磁和调速系统。为避免光伏电站的保护系统动作，便于比较，选择在电气距离相对较远、负载较轻的线路（21）～（16）设置相同的故障，分析比较在电网发生故障时，光伏电站与常规电源不同的暂态响应特性。

0 s时，线路（21）～（16）的首端发生三相短路故障，0.1s时首端切除，0.12s时末端切除，故障消失。故障期间，光伏电站输出有功功率跌落较同步机明显，故障消失后，由于缺少旋转惯量，光伏电站的有功恢复也相对同步发电机较慢，如图8所示。在整个仿真过程中，光伏电站对系统安全稳定性的影响相对同步发电机要更明显一些，详见图9—图11，其中，安装光伏电站仿真时，暂态功角稳定裕度、暂态电压跌落可接受裕度和暂态频率偏移可接受裕度分别为95.67、77.19和57.56，安装同步发电机时，考察除该同步机之外的其他同步发电机的暂态功角稳定裕度为96.68，而暂态电压跌落可接受裕度和暂态频率偏移可接受裕度分别为85.15和81.12，参见表2。

图8 光伏电站输出有功功率Fig.8 Active power of PV plant

图9 系统最大功角差Fig.9 Max angle difference of system

图10 光伏电站母线电压Fig.10 Voltage of PV plant

图11 光伏电站母线频率Fig.11 Frequency of PV plant

表2 暂态安全裕度Tab.2 Transient security margin

量化分析的结果可以看出，相比较于带有励磁和调速系统的同步发电机，光伏电站在网侧故障时的暂态响应特性更为剧烈，对系统的暂态安全稳定性呈现较为明显的负面影响。具体对暂态功角稳定性、暂态电压稳定性和暂态频率稳定性的影响同浮云遮挡时的情况相似：对系统的暂态频率稳定性影响更为明显（57.56），其次为暂态电压稳定性（77.19），而对功角稳定性的影响相对较弱（95.67）。

因此，在光伏电站并网分析工作中，如果采用同步机模拟光伏电站，不仅不能如2.1节一样分析外界环境变化时光伏电站对系统安全稳定的影响，而且由于光伏电站对系统暂态安全稳定性呈现更为明显的负面影响，在进行系统暂态安全稳定分析时，很难得到准确的结果，同时，基于FASTEST仿真平台所得到的光伏电站与电网交互影响量化分析结果，相比较于基于图形曲线的定性分析，对光伏电站并网的离线规划、在线运行和安全稳定决策的制定更具参考价值。

3 结语

本文基于FASTEST仿真软件，采用核心器件建模的方式，按照光伏并网发电单元的构成，分别建立了光伏阵列模型、逆变器模型和控制器模型，从而形成了一个完整的能够体现太阳光辐照度变化和光伏电站控制策略调整等动态特性的光伏电站模型。并利用FASTEST特有的暂态功角稳定性、暂态电压稳定性和暂态频率稳定性量化分析功能，对光伏电站并网进行仿真分析，结果表明无论是在浮云遮挡还是在网侧故障时，光伏电站并网后对系统暂态频率稳定性影响最为严重，暂态电压稳定性次之，而暂态功角稳定性受影响最弱。随着光伏电站渗透率的增大，光伏电站对系统的冲击也更为明显，当光伏电站的渗透率超过15%时，在某些情况下，会导致系统失稳。此外，相比较于带有励磁和调速系统的同步发电机，光伏电站对系统的暂态安全稳定性呈现更为严重的负面影响。

本文基于FASTEST平台的光伏电站并网量化分析方法表明，较之用同步机来模拟光伏电站，能够体现环境变化和系统扰动时光伏电站的电气特性，而较之利用光伏电站模型进行定性分析，能够给出暂态安全稳定分析的量化结果，从数值上直观地评定光伏电站与电网的暂态交互影响程度。

本文通过仿真分析初步了解规模化光伏电站与电网的暂态交互影响特性，在接下来的工作中将继续深入研究光伏电站与电网相互作用的机理，发展相关理论和方法，为光伏电站的稳定分析与控制提供理论基础。

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Quantitative Analysis of the Transient Interaction between Large-Scale Photovoltaic Plant and Grid

LI Feng,LI Wei,XUE Feng,SHI Tao
（State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 210003,Jiangsu Province,China）

Focusing on the system stability of large-scale photovoltaic (PV)plants connected to the grid,this paper establishes a complete electromechanical transient model of grid-connected PV plant on FASTEST(fast analysis of stability using the extended equalarea criterion and simulation technologies,a power system transient security quantitative analysis software).Based on FASTEST’s unique transient security quantitative analysis,simulations are conducted for two typical cases:the PV plant was covered by cloud,and disturbance occurred on the system side.Studies are conducted to analyze the different impacts of the PV pant and the conventional power plant on the grid operation in terms of the system transient angle stability,transient voltage stability and transient frequency stability.The results show that,with the PV plant connected to the grid,the system transient frequency stability is most severely affected.Compared with a synchronous generator with excitation and governor system,the PV plant has a more remarkable transient response when a fault occurs on the grid side.

PV plant；electromechanical transient model；transient angle stability；transient frequency stability；transient voltage stability

在电力系统暂态安全定量分析软件平台FASTEST（Fast Analysis of Stability using the Extended equal area criterion and Simulation Technologies）上以研究规模化光伏电站接入系统后的稳定性分析为目的，建立了一个完整而且适合系统安全稳定分析的并网光伏电站机电暂态模型。基于FASTEST特有的暂态稳定量化分析功能，对并网光伏电站被浮云遮挡和系统侧发生扰动这2种典型情况进行仿真分析，从对系统暂态功角稳定性、暂态电压稳定性和暂态频率稳定性的影响的角度，探讨光伏电站与常规电源在影响电网运行特性方面的区别。结果表明，光伏电站并网后对系统暂态频率稳定性影响最为严重，相比较于带有励磁和调速系统的同步发电机，光伏电站在网侧故障时的暂态响应特性更为剧烈。

光伏电站；机电暂态模型；暂态功角稳定性；暂态频率稳定性；暂态电压稳定性

国家电网公司资助科技项目（SG0944）。

1674-3814（2011）11-0050-07

TM615

A

2011-06-07。

李 峰（1981—），男，硕士，工程师，从事光伏发电等清洁能源并网安全稳定分析与控制研究；

李 威（1976—），男，博士，高级工程师，从事电网安全稳定分析与规划研究；

薛 峰（1971—），男，博士，研究员级高级工程师，从事电网安全稳定分析与控制研究。

（编辑 董小兵）