规模化光伏并网系统暂态功率特性及电压控制

规模化光伏并网系统暂态功率特性及电压控制
发表时间：2018-06-19T16:22:31.677Z 来源：《电力设备》2018年第6期作者：葛强王青云蒋程然
[导读] 摘要：随着光伏并网容量快速增长，其对电网稳定性影响及应对措施，已成为电力系统重要研究课题。

（南京工程学院江苏南京 211167）
摘要：随着光伏并网容量快速增长，其对电网稳定性影响及应对措施，已成为电力系统重要研究课题。

为此，首先分析了并网点电压快速跌落和提升过程中，光伏发电单元及其并网系统受扰功率特性，以及不同控制模式对功率特性的影响。

在此基础上，基于所构建的光伏发电与常规电源联合外送系统，分析了光伏并网对送端系统暂态功角稳定性影响，并针对光伏发电与常规电源分别提出了应对措施。

某地区规模化光伏并网系统仿真结果，验证了所提出的应对措施可有效提升送端电网稳定水平。

关键词：光伏发电；功率特性；影响因素；送端系统；暂态稳定；应对措施
1前言
光伏发电是清洁可再生能源利用的一种重要形式，是建设资源节约型、环境友好型社会的重要举措。

在我国西北地区，青海、甘肃、宁夏、新疆等省和自治区太阳能资源丰富，具备规模化开发光伏发电的有利条件。

光伏发电及其控制系统与常规水火电及其调节系统，两者动态特性存在显著差异。

因此，规模化光伏并网，将使得电网受扰特性发生深刻变化。

围绕规模化光伏接入对电网稳定性影响及应对措施的研究，已成为当前电力系统关注的一个重点。

2光伏发电系统及其机电暂态仿真模型
2.1光伏发电单元及并网系统
光伏发电单元及规模化光伏并网系统的典型结构，如图1所示。

光伏发电单元由光伏电池阵列、电压源逆变器（VSC）以及低压箱式变压器Tpu构成；多个发电单元并联接入后，经低压汇集站升压变Tpc、外送线路Lpt以及高压汇集站升压变Tps，接入交流主网，形成规模化光伏并网系统。

图1光伏发电单元及并网系统
图1所示光伏发电单元中，ip为电池电流；ud为直流电压；id为直流电流；Uc和Up分别为出口交流电压和箱式变压器低压侧电压；Pp、Qp分别为VSC输出有功与无功；Cd和Lc则分别为直流电容容值和交流电抗电感值；Pw、Qw分别为并网线路注入交流电网有功和无功；Us为并网点电压。

光伏发电单元机电暂态仿真模型，是规模化光伏并网系统仿真的基础，其主要包括光伏电池U–I特性模型、直流侧电容电压动态模型、电压源逆变器及其控制系统模型3个部分。

2.2光伏发电单元机电暂态仿真模型
2.2.1光伏电池U–I特性模型
光伏电池U–I特性模型，模拟一定温度和光照强度下，电池电流ip与直流电压ud间的关联约束特性。

标准温度Tref和标准光照强度Sref 下，依据电池的短路电流isc、开路电压uoc、最大功率电流im和电压um4个参数，可由式（1）—（3）模拟电池U–I特性。

非标准条件下，针对实际温度Tact和光照强度Sact，修正参数isc、uoc、im、um后，代替原参数模拟U–I特性。

2.2.2直流侧电容电压动态模型
由式（1）可知，ud的动态过渡过程将影响光伏电池电流ip的受扰特性。

此外，ud还将通过改变逆变器出口电压Uc，影响逆变器与交流电网交换的有功和无功。

因此，为准确模拟光伏发电单元的受扰行为，需详细模拟直流电压ud的动态特性。

如图1所示，依据基尔霍夫电流定律，描述ud的动态方程如式（4）所示式中η为VSC功率转换效率系数。

2.2.3 VSC及其控制系统综合模型
VSC是光伏发电单元的核心部件，实现直流向交流转换。

为提升有功和无功控制性能，控制器通常采用dq0坐标系下的双环控制结构，如图2所示。

图2中，Tmu、TmU、TmQ为测量时间常数，Kp、KI、KU、KQ和Tp、TI、TU、TQ分别为比例积分环节的比例系数和积分时间常数，φref为参考功率因数角，Ipd和Ipq分别为换流器出口交流电流的d、q轴分量。

下标ref表示相应物理量的参考值，下标max和min分别表示相应物理量的最大值和最小值。

外环控制器实现直流电压、无功功率或交流电压控制，输出为内环电流解耦控制器的目标电流值。

机电暂态仿真中，可忽略换流器高频触发的快速动态过程，因此内环电流解耦控制器与VSC可相互综合，进而形成dq轴相互独立的2个模拟回路。

3光伏接入对送端电网稳定性影响
3.1联合外送测试系统
为分析规模化光伏接入对送端电网稳定性影响，构建如图2所示的光伏与常规机组联合外送系统。

图中，Gen1和Gen2为2台额定功率为200MW的火电机组，均配有如图3所示自并励静止励磁系统，机组采用计及阻尼绕组的6阶详细仿真模型；光伏发电及并网系统与图1所示系统一致。

送端电源经220kV双回线接入无穷大系统。

投切断路器BRKg和BRKp，可模拟Gen2和光伏电源的投入与退出。

图2光伏与常规机组联合外送系统
3.2暂态稳定性分析
图2所示光伏与常规机组联合外送系统中，设置线路Ls1母线Bg侧三相永久短路，0.1s后开断故障线路，考察Gen2和光伏电源分别投
入的2种开机方式下（简称为机组并网和光伏并网），送端发电机组暂态稳定性差异。

其中，Gen1额定功率运行，Gen2或光伏出力为50MW，光伏采用定功率因数控制。

对应上述2种开机方式，光伏并网点功率以及系统的暂态响应如图3所示。

从图3（a）可以看出，故障清除后，随着光伏并网点注入有功快速增大，其从交流电网吸收的无功功率明显增加，与机组并网方式相比，发电机出口母线Bg电压恢复缓慢，如3（b）所示。

受电压影响，发电机Gen1首摆过程中电磁功率输出水平下降，机组不平衡驱动功率增大，对应发电机功角摆幅增加，暂态稳定水平降低，如图3（c）和3（d）所示。

图3联合外送系统暂态稳定性
3.3改善联合外送系统稳定性的措施
3.3.1光伏发电侧改善措施
与定功率因数控制相比，定电压控制下，恢复过程中光伏电源可向交流电网输出无功，作为无功源支撑电压。

光伏并网方式下，对应定功率因数和定电压2种控制，故障扰动下的暂态响应对比如图5所示。

图4定电压控制改善暂态稳定性效果
从图4中可以看出，定电压控制下，光伏并网线路向交流电网注入无功，母线Bg电压恢复特性改善，首摆过程中机组电磁输出功率增加，制动能力增强，对应功角摆幅减小，稳定性有所改善。

常规电源侧改善措施增加送端常规电源机组开机，可提升暂态稳定水平。

一方面增加的励磁系统，可增强电压支撑能力；另一方面增大转动惯量水平，可降低相同不平衡功率冲击下的功角摆幅。

保持总外送功率不变，调整图2所示系统开机方式，Gen1和Gen2各100MW，光伏50MW。

对应调整开机方式和原开机方式，受扰后系统暂态响应对比如图6所示。

图5增加常规电源开机改善暂态稳定性效果
由图5可以看出，在电压恢复特性改善以及转动惯量水平增大等因素共同作用下，功角摆幅大幅减小，稳定性显著改善。

4结束语
定功率因数控制下，规模化光伏送出系统低电压期间从电网吸收无功功率的特性，将使受扰后送端系统暂态稳定水平发生显著变化。

光伏换流器采用定电压控制，或增加常规电源开机，均可增强联合外送系统的电压支撑能力，改善系统稳定性。

参考文献：
[1] 李媛.规模化光伏并网对系统稳定性影响及应对措施研究[D].华北电力大学，2017
[2] 葛星钟海亮郑超等.网间规模化光伏并网对系统阻尼的影响及优化措施[J].可再生能源，2018（01）
[3] 郑超林俊杰赵健等.规模化光伏并网系统暂态功率特性及电压控制[J].中国电机工程学报，2015（01）。