光伏电站接入对多机电力系统低频振荡的影响分析

黄忠培

摘要：本文以两区四机系统为例，结合模式分析法，就光伏电站并网对多机电力系统低频振荡的影响进行了分析，对分析结果进行了验证，也证明了光伏电站的接入并不会在多机电力系统中引发新的低频振荡，在不同场景下，光伏电站接入对系统低频振荡的影响存在显著差异。

关键词：光伏电站；多机电力系统；低频振荡；影响

前言：

光伏发电是一种清洁环保的发电形式，能够对越发紧张的电能供需矛盾进行缓解，促进电网和谐发展。而最近几年，我国的光伏并网规模持续扩大，其对于既有电力系统的影响也受到了越来越多的关注。本文基于两区四机系统的典型算理，就光伏电站接入对多机电力系统低频振荡的影响进行了分析，希望能够为电网的规划设计和调整提供一些参考。

1 光伏电站动态建模

现阶段，在我国多数光伏电站中，采用的都是单极式结构，包括光伏阵列、控制系统和逆变器等，这里采用工程实用模型进行光伏电站动态建模。一是逆变器和控制模型，从便于设计的角度，针对逆变器交流侧电压方程进行了dq变换，构建数学模型

模型中，ω表示电力系统的角频率，L表示输出滤波器电感，Idpv和Iqpv分别表示并网电流dq轴分量，Vd和Vq表示逆变器交流侧电压的dq轴分量，Vdpv和Vqpv表示节点电压的dq轴分量。一般情况下，会将d轴固定在节点电压，即Vqpv的取值为0。

在实际操作中，光伏逆变器采用的多是双环控制策略，内环为电流环，针对逆变器交流侧电流进行控制，外环为电压环，针对直流侧电压进行控制。无论是电压外环还是电流内环，采用的全部是比例-积分控制，为确保单位功率因数运行，需要设置q轴参考电流为0[1]。

二是直流电容方程，在忽略逆变器损耗的情况下，依照直流侧和交流侧功率平衡的特点，能够得到直流侧电容方程：

方程中的Cdc表示直流滤波电容，Udc表示电容电压，Iarray则表示光伏阵列的输出电流。

2 多机电力系统模态分析

2.1系统旋转惯量改变

对于高渗透率光伏并网而言，会利用光伏电站取代部分常规机组，而如果零惯量光伏电站接入，同步发电机退出，则会使得系统旋转惯量有所下降。这里就不同接入位置对于局部模式和区间模式的影响进行简单分析。

2.1.1局部模式影响

需要考虑在基本运行方式下，退出一臺机组同时在母线上接入等容光伏电站的影响。结合相关计算结果分析，当一台同步机组退出后，系统震荡模式会减少一个，表明光伏电站本身并不会参与到系统低频振荡中，振荡模式之所以减少，主要是因为同步电机退出引起。而伴随着同步电机的退出而减少的振荡模式属于局部模式，在光伏电站不参与低频振荡的前提下，区域内原本两台电机相互摇摆的情况会因为其中一台电机退出而消失，而无论是同步电机的退出，还是光伏电站的接入，都不会对另外区域的局部模式造成影响。在不同区域，局部模式之间并不存在很强的耦合性，在这种情况下，另一区域机组所属的局部模式总参与因子基本不会发生很大变化。

2.1.2区间模式影响

与局部模式影响类似，考虑基本运行方式下分别推出一台机组，同时在相应母线接入等容量光伏电站后对于区域模式可能产生的影响。结果如图1所示。

结合图1分析，当G2同步机推出，在母线6位置接入光伏电站后，区间模式得到最大阻尼比，同步机G1和G4的退出次之，若同步机G3退出，并且在母线11位置接入光伏电站，则可以获得最小的区间阻尼比。当区域局部模式消失，G4输出的有功响应只能提取到区间模式，对于局部模式则无能为力。G2输出有功响应体现出的局部模式和区间模式信息与模式分析法得到的结果没有很大差异。为了针对得到的结论进行验证，在联络线传输功率为100MW、200MW和300MW的情况下，实验不同机组退出，对光伏电站接入后区间模式阻尼比与退出机组所处原区间模式中参与因子的关系。结果表明，对于虽有运行方式，两者都表现为负相关关系[2]。

2.2系统旋转惯量不变

从我国光伏电站的发展情况分析，其容量多数都不会超过常规机组，在不考虑负荷增长的情况下，如果想要提高光伏渗透率，则必须相应减少同步电机有功出力，以保证功率平衡，避免系统旋转惯量的改变。

2.2.1局部模式影响

在母线5和母线11位置接入光伏电站，逐步提升有功出力，同时减少同步机G1和G3的有功出力来实现功率平衡，结合模式分析法对不同接入位置下，光伏电站有功出力对于局部模式的影响进行分析。无论接入位置如何，在任意区域增加光伏渗透率，都不会影响另外区域的局部模式，接入区域的局部模式阻尼比则会呈现出显著增长的趋势。当光伏出力达到600MW时，所处区域局部模式阻尼比会超过14%，低频振荡稳定性大大增强。

2.2.2区间模式影响

对母线5位置接入光伏电站的影响进行分析。伴随着光伏渗透率的增加，系统区间模式的阻尼比会先减小然后增大，不过这个变化趋势并不明显。G1的区间模式参与程度较低，在没有附加控制的情况下，无法实现对系统振荡的有效抑制，阻尼性能也会出现明显的下降。

对母线11位置接入光伏电站的影响进行分析。伴随着光伏渗透率的增加，区间模式阻尼比会呈现出显著上升的趋势，能够显著改善区域内局部模式以区间模式的阻尼特性，对系统低频振荡稳定性进行改善[3]。

3 结论

结合上述分析可知，光伏并网并不会引发新的低频振荡模式，不过会通过向同步电机振荡回路注入附加分量的方式，间接改变振荡模式的阻尼特性。当系统惯量改变时，退出同步电机的参与因子越大，则表明其在系统功率平衡中的作用越显著，退出后的影响也越大；当系统惯量不变时，光伏电站接入位置和接入容量的不同对系统阻尼特性产生的影响差异巨大，结合仿真结果分析，想要切实保证系统振荡模式的稳定性，应该考虑在参与程度高的同步机组附近接入光伏电站。

参考文献：

[1]葛景.大规模光伏并网对低频振荡的影响及控制方法研究[D].南京理工大学，2017.

[2]杜文娟.多机电力系统中光伏发电厂附加稳定器的设计[J].电力科学与技术学报，2011，26（4）：5-13.

[3]任伟.大型光伏电站参与抑制电力系统低频振荡控制策略研究[D].重庆大学，2015.