阻尼特性光伏发电论文范文

1光伏并网对系统阻尼的影响

1.1测试系统本文选取IEEE16机68节点系统作为测试系统，其中16台同步发电机采用经典6阶模型，并全部安装本地电力系统稳定器（PSS），系统负荷全部采用恒阻抗模型（详细参数见文献［11］），如图3所示，本文测试平台基于MATLAB／Simulink。在该系统中，区域1为新英格兰系统，区域2为纽约系统，区域3～5为相邻区域等值发电机。G13和G16承担了系统主要电力供应，其容量分别为12GW和11GW，其有功出力分别为3．5GW和4GW。纽约系统为重负荷区域，其负荷总额为8．45GW，但该区域发电总额仅为6．28GW，因此需通过相邻区域的远距离输电以填补此区域的有功缺额。

1.2光伏发电不同接入位置对系统阻尼特性的影响为研究光伏发电不同接入位置对系统阻尼特性的影响，本文分别将测试系统中容量最大的同步发电机G13与G16用等容量的光伏发电系统替代，替代前后的系统小干扰计算结果分别如表1和表2所示。由表1和表2对比可知，光伏发电系统并网后对系统振荡频率的影响远小于对系统阻尼的影响。具体而言，当光伏发电系统替代同步发电机G13时，模式1、模式3的阻尼有着显著提升，而模式8、模式9和模式15的阻尼有小幅改善，其他模式则变化不大。当光伏发电系统替代同步发电机G16时，模式1、模式3、模式4的阻尼有不同程度的下降，其中模式4阻尼下降最为明显，而其他模式变化不大。图4为原系统发电机功角在模式1、模式4、模式15情况下的参与因子。由图可知，同步发电机G13在模式1的参与因子相对于其他模式较高，同步发电机G16在模式4的参与因子相对其他模式较高，这就解释了光伏发电系统对不同振荡模式影响大小的原因：光伏发电系统所替代的同步发电机在某模式下的参与因子越大，则该模式受光伏发电系统并网的影响则越大。仿真结果表明，该影响有可能是正面的，也可能是负面的。值得注意的是：由表1和表2对比发现，当光伏发电系统替代某台同步发电机时，系统振荡模式减少了一组。这表明光伏发电系统并不直接参与系统振荡，而这一组模式的减少是由同步发电机的退出而造成的。统替代前后的系统部分振荡模态图。为使分析更为直观，图5中仅显示了模值较大的模态。通过对图5的分析可知，当光伏发电系统替代同步发电机后，系统的振荡模态并无明显变化，这进一步表明了光伏发电系统不直接参与系统机电振荡，也不改变系统原有的振荡模态。

1.3光伏发电渗透率对系统阻尼特性的影响通过上文分析可知，不同光伏发电系统接入位置对系统阻尼的影响不同，因此本文以接入位置节点65和节点68为例，分别取光伏渗透率为0％、5％、10％、15％、20％进行计算，系统关键模式的阻尼计算结果如图6所示。图6列举了光伏发电系统在不同渗透率下变化较大的部分模式。从中可以发现，当光伏发电的接入位置不同时，随着光伏渗透率的提高，对系统阻尼的正面影响或者负面影响将呈增大的趋势。

1.4接入光伏对系统阻尼特性影响的机理研究通过上述分析可知，当光伏发电代替传统同步发电机时，对系统阻尼的影响有可能是正面的，也可能是负面的。由上文分析可知，光伏发电系统不直接参与系统机电振荡，因此其对系统阻尼的负面影响主要来源于其本身不具类似于同步发电机PSS的阻尼控制环节，而当其替代了安装有PSS的同步发电机时，造成了系统阻尼出现一定程度的下降。为研究光伏发电系统对系统阻尼特性的影响机理，在最大功率点处，将容量为10MW的光伏发电动态模型和相同输出功率的恒功率静态模型接入测试系统的节点9与节点1，系统关键振荡模式计算结果如表3所示。由表3可知，光伏发电系统采用动态模型和静态模型对系统关键模式并没有太大影响，这也进一步验证了光伏发电不直接参与系统机电振荡。接入光伏发电对系统的阻尼可能造成一定的正面影响，由于光伏发电对系统关键模态的影响很小，因此这种情况并不来源于光伏发电系统本身与相关同步发电机阻尼转矩的相互作用，而是接入光伏发电改变了系统平衡点，进而引起系统潮流的变化，使得在某些情况下对系统的阻尼呈现出提升的现象。当这种影响超过了光伏发电系统因阻尼控制环节的缺失而引起的负面影响，会使得系统阻尼在某些情况下呈现上升趋势。

2光伏发电系统的阻尼控制研究

由于受光照强度、占地面积等因素的影响，大规模光伏发电基地往往远离负荷中心，需通过长距离输电线路进行远距离消纳。由上文分析可知，高渗透率光伏发电接入电力系统后，由于缺乏类似于同步发电机PSS等设备，因此难以对光伏发电系统进行阻尼控制，可能会对系统阻尼造成一定的负面影响，这给系统安全稳定水平带来了一定的隐患，增加了系统发生低频振荡的危险。以本文测试系统为例，光伏发电系统接入节点68，替代同步发电机G16向区域2进行远距离送电。当区域2中输电线路1－30末端在0．1s发生三相短路故障，在0．2s时该故障清除，则区域联络线52－50的有功响应如图7所示。由图7可知，接入光伏发电后降低了系统的稳定水平。目前常用的办法是在光伏发电基地安装柔性交流输电系统或者储能设备，这无疑大幅增加了安装、运行以及维护成本。考虑到目前广域测量系统在电力系统的广泛应用，本文将精密测量单元所采集的系统重要数据通过反馈控制环节引入光伏发电的有功控制系统，这给光伏发电系统的阻尼控制提供了一个新的思路。图8为本文提出的光伏发电系统阻尼控制策略，该策略在不改变原光伏发电系统PQ解耦控制的基础上，在有功控制信号电压参考值处引入一个反馈控制环节，以实现光伏发电系统的阻尼控制。图9为光伏逆变器存在的3种结构形式。采用图9a所示的逆变器结构虽控制灵活方便，但在实际运行当中会造成一定的电能质量问题，因此目前光伏并网大多采用如图9b所示的逆变器结构，而图9c融合了低成本与高质量的电能输出的优点，因此成为了未来并网逆变器结构的发展趋势。图8所采用的控制策略仅针对图9a和图9c两种光伏逆变器结构所设计。对于图9b型结构光伏逆变器，仍可采用如图8所示的控制结构，在设计过程中，需考虑到不同控制器之间的参数协调问题，其设计方法与同步发电机之间PSS协调控制设计方法类似，可参考相关文献［13］，本文不再赘述。对于图9a和9c两种光伏逆变器结构，其阻尼控制器设计方法如下：首先选取联络线52－50的有功功率作为控制器输入，控制器输出则附加在如图8所示的光伏发电有功控制环上。根据电力系统低频振荡基本特性，系统阻尼比越大，其受扰后振荡衰减到稳态所需的次数越少，即系统动态性能越好。因此，在对光伏发电系统加入如图8所示的阻尼控制环节后，应使系统中存在的较小阻尼比提升至稳定范围，故控制器参数可采用下式确定。图10为采用本文控制策略前后，区域联络线52－50在与图7相同故障下的有功响应。该图表明，采用本文控制策略能有效实现光伏发电系统阻尼控制，这降低了光伏并网对系统安全稳定水平可能带来的负面影响，提高了互联电力系统对光伏发电系统的接纳能力。

3结论

（1）大规模光伏发电系统并网后，会对系统阻尼特性造成一定的影响，其中对系统振荡频率的影响远小于对系统相关模式阻尼比的影响，并且所替代的同步发电机在某模式下的参与因子越大，该模式所受的影响则越大。（2）光伏发电接入系统因接入位置的不同，随着渗透率的提升，系统阻尼呈现增大或者减小的趋势，其正面影响主要原因来源于光伏发电系统对潮流的改变，其负面影响主要来源于光伏发电系统缺乏类似于同步发电机PSS的阻尼控制环节。（3）大规模光伏发电系统并网虽然对系统阻尼特性有一定影响，但并不直接参与同步发电机直接的机电振荡，并且在光伏发电并网前后不改变原有同步发电机之间的振荡模态。（4）利用WAMS信号，将系统重要数据通过反馈控制环节引入光伏发电的有功控制系统是提高光伏发电系统阻尼的有效办法，降低了光伏并网对系统安全稳定水平可能带来的负面影响，提高了互联电力系统对光伏发电系统的接纳能力。

作者：索江镭胡志坚刘宇凯张子泳单位：武汉大学电气工程学院西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室