大型并网光伏电站对电力系统影响的研究

于海洋，祖光鑫，董尔佳，徐明宇，纪 游

（黑龙江省电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150030）

大型并网光伏电站对电力系统影响的研究

于海洋，祖光鑫，董尔佳，徐明宇，纪 游

（黑龙江省电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150030）

光伏发电具有不确定性和波动性等特点，大型并网光伏电站对电力系统的稳定运行尤其对电网电压和发电机功角稳定产生一定的负面影响。以黑龙江省泰来县汤池9.9 MWp并网光伏电站为例，利用电力系统综合分析程序PSASP建立1个9.9 MWp光伏电站接入系统仿真模型，针对光伏电站接入系统后出现的电压和功角稳定问题进行深入分析。仿真结果表明，9.9 MWp并网光伏电站接入电网后不会对电力系统的电压和功角产生较大影响，为并网光伏电站的规模化开发提供有力依据。

PSASP；光伏发电；仿真；暂态稳定

并网的光伏发电一般采用MPPT方式［1］，由于光伏电站的输出功率直接取决于光照强度，而光照强度在1天时间里随时间和天气等因素的变化不是一个稳定值［2－6］，所以光伏发电的不确定性和波动性导致输出功率不稳定，对系统供电可靠性造成一定程度的影响。此外，还存在电能质量、线路损耗、无功补偿等问题。所以大型光伏电站并网之后，必然会对电力系统的正常运行带来一定的负面影响。

针对光伏电站接入电网后所产生的负面影响，国内外专家学者进行了大量的研究，文献［7］描述了光伏电站在电网中的“渗透率”，并针对电网中光伏电站的“高渗透率”所产生的负面影响进行了综述。文献［8］分析了大规模光伏电站接入对系统振荡稳定性的影响，指出光伏发电分散接入比集中开发更有利于系统的振荡稳定。文献［9－11］对光伏电站接入后的电网潮流、无功功率等问题进行了仿真分析，提出了针对光伏电站发出的无功功率与接入点电压关系以及光伏电站的故障特性。文献［12］针对大规模光伏电站并网可能引起的稳定性问题进行了深入研究，提出为了使光伏发电连续、均衡送电，所配备的储能电池的容量通常大于光伏电站的容量，但大规模光伏电站受投资限制，一般不配备储能设备，可通过有载调压变压器的方式进行解决。

为全面掌握大型光伏电站并网运行后电网所面临的问题，本文基于PSASP仿真程序，建立了光伏电站的数学模型，根据黑龙江省泰来县容量为9.9 MWp的汤池光伏电站的实际情况和相关参数，对其接入系统后进行仿真分析，对电网电压和频率等影响进行深入研究并提出相应解决对策。

1 建立基于PSASP的光伏电站仿真模型

PSASP设计了1种光伏电站模型，此模型为光伏电站单级并网结构，系统结构如图1所示。

图1 光伏电站单级并网结构

光伏电源与电压型逆变器经稳压电容器相连，逆变器将光伏电源所发直流电转换为交流电，经滤波电感与电网相连，实现光伏电站并网。模型适用的电压等级为0.4 kV，模型出口需经升压变压器与高电压等级的电网相连。

泰来县汤池光伏电站共有240 Wp的多晶硅太阳能电池组件42 400块，总容量为10 176 kW，每20块组件为1个组串，每108串组件接入1台500 kW的并网光伏逆变器，共有并网光伏逆变器20台，电站内有10台容量为1 000 kVA、额定变比为38.5／0.27 kV的升压变压器。电站内的接线如图2所示。

图2 泰来汤池光伏电站站内接线

光伏电站以单回35 kV型号为LGJ－50线路接入110 kV佰大变电站35 kV侧，线路长度约8 km。

仿真以东北2013年冬季大运行方式数据为基础，系统容量基准值为100 MVA。在PSASP程序中所建模型如图3所示。

图3 光伏电站接入系统示意图

2 光伏电站接入系统后的稳态电压分析

光伏电站功率因数为1、0.98、－0.98时，光伏电站不同出力情况下相关母线电压情况如表1－表3所示。

表1 光伏电站不同出力情况下的相关母线电压（功率因数＝1）kV

表2 光伏电站不同出力情况下的相关母线电压（功率因数＝0.98）kV

表3 光伏电站不同出力情况下的相关母线电压（功率因数＝－0.98）kV

从表1－表3可看出，泰来汤池光伏电站功率因数分别为1、0.98、－0.98，在不同出力时，光伏电站35 kV母线、佰大变35 kV母线、佰大变110 kV母线、昂昂溪变220 kV母线的电压变化较小，各母线电压均保持在运行范围内。可见，泰来汤池光伏电站投运后，不会对电网电压产生较大影响。

3 光伏电站接入系统后的时域仿真

光伏电站的动态行为影响到接入系统的电压和频率波动及暂态稳定性，因此需要通过仿真的方法检验系统在某些扰动情况下是否失去安全性和稳定性。时域仿真包括日照强度变化的仿真、切机扰动的仿真和光伏电站临近母线故障的仿真。

3.1 日照强度变化和切机的影响

3.1.1 典型日照变化扰动

考虑泰来汤池光伏电站正常运行情况下，云层飘过带来的日照变化对系统的影响。在初始光照的基础上叠加1个负向变化的日照扰动，模拟实际日照强度变化情况，暂态过程时间为30 s（第5 s光照开始下降，10 s扰动达到峰值，15 s光照开始上升，20 s扰动结束），典型日照变化扰动曲线如图4所示。

在典型日照变化扰动情况下，泰来汤池光伏电站35 kV母线、昂昂溪变220 kV母线、庆北变220 kV母线、富二厂220 kV母线电压随日照扰动变化曲线如图5所示。电站附近发电机功角变化曲线如图6所示。

从图4－图6可以看出，日照强度减弱（增强）时，光伏电站出力下降（上升），光伏电站以及附近母线电压和功角降低（升高），其变化趋势与典型日照变化扰动曲线保持一致，但这种电压和功角的变化均在合理范围内，并能回到稳定状态，所以典型日照变化扰动对系统的影响较小。

图4 典型日照变化扰动曲线

图5 典型日照变化扰动情况下光伏电站附近母线电压变化曲线

图6 典型日照变化扰动情况下光伏电站附近发电机功角变化曲线

3.1.2 按比例切机（突然切机100%）

模拟由于恶劣天气或其他设备故障等原因导致光伏电站故障切机，假设正常运行时光伏电站处在满发状态，在2 s时切除整个光伏电站，泰来汤池光伏电站35 kV母线、昂昂溪变220 kV母线、庆北变220 kV母线、富二厂220 kV母线电压随日照扰动变化曲线如图7所示，电站附近发电机功角变化曲线如图8所示。

图7 泰来汤池光伏电站切机100%时附近母线电压变化曲线

图8 泰来汤池光伏电站切机100%时附近发电机功角变化曲线

从图7、图8可以看出，泰来汤池光伏电站额定出力运行时，在2 s时切除了整个光伏电站，光伏电站附近的母线电压、发电机功角在2 s时发生短暂的过渡过程，使电站附近的母线电压和功角发生不同程度下降，最后能够回到稳定状态，离光伏电站电气距离越近受其影响越大，但突然切除光伏电站的情况对系统的影响在系统可承受范围内。

3.2 光伏电站接入系统后电网故障的稳定性分析

光伏电站接入系统，应考虑系统故障时，光伏电站与系统之间的相互影响。因此，计算分析昂庆甲线昂昂溪变侧5 s时发生三相短路接地故障时，对系统稳定的影响。0.12 s后故障切除，光伏电站临近母线电压变化曲线如图9所示，附近发电机功角变化曲线如图10所示。0.2 s后故障切除，光伏电站临近母线电压变化曲线如图11所示，附近发电机功角变化曲线如图12所示。

从图9－图12可以看出，当220 kV昂庆甲线昂昂溪变侧发生三相永久接地短路故障时，无论在故障后0.12 s还是0.2 s切除故障，泰来汤池光伏电站附近母线电压出现短时间小范围波动，但该波动在国家标准允许范围内，电网电压和功角均可维持稳定，系统仍可保持同步稳定运行。

图9 0.12 s切除三相接地短路故障光伏电站附近母线电压变化曲线

图10 0.12 s切除三相接地短路故障光伏电站附近发电机功角变化曲线

图11 0.2 s切除三相接地短路故障光伏电站附近母线电压变化曲线

图12 0.2 s切除三相接地短路故障光伏电站附近发电机功角变化曲线

4 结论

为分析研究大型光伏电站并网后对电力系统的影响，本文基于PSASP软件对黑龙江省泰来县汤池光伏电站接入黑龙江省电网进行了稳态电压和暂态稳定仿真分析，得出以下结论。

a.在2013年的电网结构和负荷组成情况下，汤池光伏电站在正常运行时接入电网，系统电压水平在正常范围内，满足入网稳定要求。

b.在日照强度变化和切机扰动情况下，汤池光伏电站接入电网，系统电压和功角虽受到扰动出现短暂波动，但处在合理范围，能维持稳定运行。

c.在光伏电站临近母线发生故障并切除故障线路时，电网电压和功角可维持稳定，具有足够长的故障切除时间，系统能保持同步稳定运行。

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Research on Effect of Large⁃scale Grid⁃connected PV Power Station for Power System

YU Hai⁃yang，ZU Guang⁃xin，DONG Er⁃jia，XU Ming⁃yu，JI You
（Heilongjiang Electric Power Research Institute，Harbin，Heilongjiang 150030，China）

As volatility and uncertainty of photovoltaic（PV）generation，integration of large capacity PV power station to power grid inevitably has negative impact on the stability of power grid.This research takes Tangchi 9.9 MWp grid⁃connected PV power station as the research object，a simulation model of 9.9 MWp PV station connected in power system is established by the Power System Analysis Software Package（PSASP）.The voltage and power angle stability variation after PV integration to the power grid are analyzed.Simula⁃tion results show that the integration of 9.9 MWp PV power station to power grid cann't significantly influence voltage and power angle of power grid.This paper provides the support to power grid.

PSASP；PV generation；Simulation；Transient stability

TM615

A

1004－7913（2016）05－0013－04

于海洋（1983—），男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统分析、新能源并网技术与检测等研究工作。

2015－12－13）