并网光伏电站节点电压越限稳定机理分析

廖雍琦,向文凯,范 科

(1.国网四川省电力公司遂宁供电公司,四川 遂宁 629000;2.国网四川省电力公司宜宾供电公司,四川 宜宾 644000;3.国网四川省电力公司自贡供电公司,四川 自贡 643100)

随着能源危机不断加剧,为实现能源可持续利用,国家正大力推行可再生能源战略。可再生能源主要包括水力发电、风力发电和光伏发电。2021年10月国务院办公厅出台《2030年前碳达峰行动方案》,提出加快太阳能规模化开发生产和高质量快速发展的规划蓝图,强调聚集式和分布式兼顾[1]。在“碳达峰、碳中和”的规划背景下,光伏发电已成为新能源发展的支柱型能源[2-3]。

地势方位、光照强度与环境气候等不确定性因素加大了光伏发电电力系统运行调控的难度,对电站内部安装的一系列继保安全自动装置的工作性能而言亦是考验。当大量新能源集中接入电网,将改变电力系统内部的功率分布,影响系统运行的静态电压稳定性与安全性[4]。

1 并网光伏电站

由《光伏电站接入电网技术规定》可知,根据光伏电站连接电网电压等级的不同,可将其划分为小、中或大规模的光伏电站。其中,通过66 kV及以上电压等级接入电网的光伏电站被称为大型光伏电站。

相比于分布式光伏电站,大型并网光伏电站较典型的特征在于:用地选址需合规、利于光能集中开发、远距离传输电能。针对大型并网光伏电站,构建可表现系统输入、输出特性的数学模型,可方便潮流分布计算与开展内部节点静态稳定分析和后续研究无功电压控制手段。

大型并网光伏电站的光伏发电单元并联运行在集电线路上,接入10 kV交流母线,电能经升压站升压至110 kV,升压站高压侧母线或节点被定义为并网点,通过高压交流输电线路传送至电网,其拓扑结构如图1所示。

图1 大型并网光伏电站阵列拓扑图

2 节点电压越限分析

光伏发电的波动性是导致大规模光伏发电系统并网电压频繁波动的主要原因。高压远距离的输电方式极大降低了外送功率极限,集中式光伏发电系统的并网点电压也时刻面临着并网静态电压失稳风险。此外,各光伏发电单元空间位置分散,站内各节点电压“强空间分布”特性明显,光伏电站内汇流母线节点同样有电压越限的风险。为充分展示大型光伏电站并网点电压越限机理,建立光伏发电单元等效并网模型,具体如图2所示。

图2 光伏发电单元等效并网模型

由图2可知,光伏电站主变高压侧并网点与电网节点间的输电线路支路关系式为

(1)

图9a显示,在海州湾有中尺度反气旋环流,其反气旋气流维持着与海风锋锋面相交的海风。在长江口,是辐合线及辐合中心,等温线与海岸线基本平行。海风自海面登陆,在内陆数十千米处发生显著辐合。在该类海风锋过程中,海陆温差非常明显,达8 ℃以上。海上的最大风速不超过3.5 m·s-1,说明热力环流的作用占主导作用。江苏徐州和安徽北部是鞍形场,并具有变形场锋生。因此在江苏与安徽境内具有多个锋面系统,并且从东西南北方向汇集或相遇,为海风锋伴随不稳定环境以及激发强对流提供了条件。

(2)

整理式(2),可得并网点电压表达式:

(3)

由式(1)、式(3)可知,并网点电压与电站输出的有功功率、无功功率、电网阻抗、站内阻抗等因素相关。式(3)中的“±”是在求解过程中开根号而导致的,其中,“+”运算求出的是稳定实数解,“-”运算求出的是不稳定实数解。

此外,选取电网电压U和大型并网光伏电站装机总容量S作为基准值,S由大型并网光伏电站并网点实际向大电网输送的有功功率PPOI与无功功率QPOI共同决定。 “*”为相应参数的标幺值形式,采用标幺值表示大型光伏电站并网点电压幅值为

(4)

(5)

进一步推导光伏电站并网点电压与有功功率间的关系,并网点电压UPOI对有功功率PPOI的偏导数为

(6)

由式(6)可知,∂UPOI/∂PPOI在有功功率PPOI较小且大于0时,UPOI的值单调递增,但随着PPOI的增大,∂UPOI/∂PPOI下降为负数,即UPOI随着PPOI的增大先增大后减小。PPOI增大到一定值时,并网点电压会低于规定的下限,将对光伏发电系统安全稳定运行造成极大威胁。

当光伏发电单元中逆变器所发无功功率参与系统运行时,并网点电压变化有所不同。为此,绘制多组大型光伏电站并网点PPOI-UPOI曲线,如图4所示。

图4中,A、B、C3条曲线分别对应Qa、Qb、Qc3种不同大小的无功功率水平,且有Qc>Qb>Qa。若初始状态下,系统运行于曲线A,随光照强度的增强,其有功出力由0逐步增加,当运行至a1点处时,电压处于越下限的临界点,此刻投入无功补偿装置,电压升高,系统运行特性由曲线A转为曲线B。同时,并网点电压被抬升至b1点,为有功出力增加提供电压余量。随着光照强度持续增强,运行点由b1移动至b2,电压处于越下限的临界点。此时面临2类可能的情况:

1)站内无功功率裕量不足,并网点电压越下限,具有低压脱网风险;

2)光伏电站内部无功功率裕量充足,无功补偿装置投运后,电压由b2点抬升至c1点,此时大型光伏电站工作于曲线C,但c1运行点距上限Umax较近,且系统电压稳定运行极限点先于规定的低电压限值Umin到来。电压运行曲线急剧缩窄,一旦出现光照强度闪变、电网电压波动的情况,并网点电压易越过上限[5],导致电压失稳。

(7)

3 节点电压越限仿真分析

采用MATLAB2019a中的电力系统潮流计算及优化程序MATPOWER 7.0工具包模拟大型光伏电站并网点电压的越限过程。

大型并网光伏电站结构如图1所示,其由30台单机容量为1 MW的光伏发电单元组成,总装机容量为30 MW。集电线路选用3根型号为YJV23-8.7/10的150 mm2的电缆,考虑到其电压较低、长度较短,故不计电纳参数B的影响。高压输电线路型号为LGJ-400,建模时采用П形等值电路,为模拟集电线路并网节点电压低电压越限,设定站内阻抗参数如表1所示。

表1 低电压越限模拟电站阻抗参数

若大型并网光伏电站内部节点数为33,按照连续潮流分析方法进行仿真,假定各光伏发电单元发出的有功功率以0.1 MW/s的恒定速率从0至1 MW逐渐增大。根据表1中的系统参数可发现,随各光伏发电单元发出的有功功率由0增大至1 MW时,运行仿真程序后,得到的有功功率PPOI均匀变化,并网点电压UPOI的变化情况曲线如图5所示。整个过程中,并网点电压UPOI始终未达到上限1.07 p.u.,在并网点有功功率PPOI为9 MW时,并网点电压UPOI达到最高值1.002 8 p.u.。在并网点有功功率PPOI为29.4 MW时,并网点电压UPOI达到下限值0.97 p.u.。可见,在30 MW容量的限制下,大型并网光伏电站并网点有越下限的风险。此时,若主变压器保护跳开两侧开关,将切断光伏电站与电网的联系,系统潮流分布发生较大改变,可能产生对电力系统运行有害的故障电流,同时造成光伏资源浪费。

图5 并网点有功功率PPOI由0～30 MW均匀变化时并网点电压UPOI

将光伏发电单元数量由30个增加至40个,即4条集电线路并联于10 kV汇流母线,重新仿真后的结果如图6所示。并网点电压UPOI并未达到上限1.07 p.u.,在并网点有功功率PPOI达到32 MW时,并网点电压UPOI达到最高值1.012 7 p.u.。

图6 并网点有功功率PPOI由0～40 MW均匀变化时并网点电压UPOI

将光伏发电单元数量由40个增加至50个,即5条集电线路并联于10 kV汇流母线,再次仿真后的结果如图7所示。并网点电压UPOI仍未达到上限1.07 p.u.,在并网点有功功率PPOI达到35 MW时,并网点电压UPOI达到最高值1.013 4 p.u.。

图7 并网点有功功率PPOI由0～50 MW均匀变化时并网点电压UPOI

将光伏发电单元数量由30个减小至20个,即仅2条集电线路并联于10 kV汇流母线,仿真结果如图8所示。并网点电压UPOI未达到上限1.07 p.u.,在并网点有功功率PPOI达到20 MW时,并网点电压UPOI达到最高值1.009 4 p.u.。

图8 并网点有功功率PPOI由0～20 MW均匀变化时并网点电压UPOI

4 结论

大型并网光伏电站在并网运行时存在电压越限,甚至引发光伏发电单元脱网的风险,根据该特征,建立大型并网光伏电站拓扑结构图,开展潮流及运行机理分析,得到并网节点电压越限机理,如下所示。

1)当光伏有关出力增大但无功储备不足时,并网点电压存在低电压越限甚至电压崩溃的风险。此时,补充适当的无功功率将对并网点电压起到重要支撑作用,但不宜过度补偿,防止PPOI-UPOI曲线向左移动至高电压越限点。

2)并网点电压靠近PPOI-UPOI曲线中的电压“转折”点时,无功-电压灵敏度趋于无穷大,补偿无功功率将使得并网点电压显著提高,大幅度的电压抬升将导致并网点电压越上限的风险陡升。