大规模光伏发电对电力系统影响综述

        摘要：人类对能源安全的担忧和环境恶化的焦虑，使得充分利用可再生能源已经成为全球共识。以太阳能、风能为代表的大规模可再生能源并网发电已经成为新型电力系统不可阻挡的发展趋势，对电力系统深层次的影响正在凸显，各国学术界和工程界均给予极大关注。该文的目的，在于综述国内外大规模光伏发电研究现状，探究光伏发电与电力系统间交互影响的因素，提炼存在的学术和工程问题，理清下一步研发思路。论文从电力系统规划、仿真、调度、控制角度，重点讨论了大规模光伏系统的建模与仿真、大规模光伏接入对系统动态和稳态特性的影响、大规模光伏外送及消纳的关键技术分析；同时，根据作者观点，分类提出了可进一步研究的重点内容，供读者参考。

　　关键词：光伏发电；太阳能；电力系统；规划；综述

　　0、引言

　　人类对化石能源枯竭、能源安全和环境恶化的担忧导致对清洁、可再生能源的需求增大，许多国家已经做出大规模开发利用太阳能发电、风力发电的决策和规划，一个以新能源发电为标志的电力系统新时代正在到来。随着光伏发电在电力系统中装机容量所占比例越来越大，它对电力系统规划、仿真、调度、控制的影响也引起人们极大关注。光伏发电呈现“规模化分散开发、低压接入、就地消纳”以及“大规模集中开发、中高压接入、高压远距离外送消纳”

　　两种方式并存格局，对电力系统的影响无论从深度还是广度而言都将是深远巨大的，国内外工程界和学术界的研究亦是热度不减、成果频出。目的在于从多个角度，对国内外有关大规模光伏发电与电力系统交互影响的研究现状和成果进行梳理和综述，为后继开展更为深入的研究提供借鉴与参考。

　　1大规模光伏系统的建模与仿真

　　1.1光伏电池及阵列模型

　　基于单二极管模型的光伏电池等效电路，由基尔霍夫原理(KCL)可得光伏电池模型的数学表达式。对理论计算公式进行简化，利用光伏电池供应商提供的技术参数短路电流Isc、开路电压Uoc、最大功率点电流Im、最大功率点电压Um，得到适于工程计算的模型表达式。光伏阵列集成模型可以根据光伏电池模型和串并联关系组合得到，难点问题是光伏阵列的光伏组件差异、遮挡等造成的P-V特性的多峰值以及光伏阵列逆变器模型的集群建模。

　　1.2并网换流器及控制模型

　　1.2.1换流器及内环控制模型

　　DC/AC换流器主要决定了光伏发电单元的暂态并网特性。目前主流的基于电压源型(VSC)的换流器采用具有内外环结构的双环控制方式为主。外环控制主要以电压为输入，经过控制环节生成内环控制的电流参考值，决定换流器的并网策略和外特性；内环以电流为输入，以外环控制生成的电流参考值作为基准，经过控制环节和换流器装置实现电流入网。

　　为了简化控制器设计，一般采用前馈解耦控制策略，将dq0坐标系下换流器机电暂态模型的d、q轴电压、电流解耦，并将此控制环节添加到内环控制中。内环控制环节的时间常数都很小(毫秒级以下)，从适应仿真软件计算步长考虑，对换流器及内环控制进行简化。从换流器及内环控制模型可看出，光伏并网换流器具备有功、无功的解耦控制能力。外环控制根据电网对光伏发电系统的要求去设定和实现换流器的有功类、无功类并网策略，目前分为两种：电流源和电压源并网模式，

　　1.2.3其它控制保护功能的模型

　　在逆变器或DC/DC等换流装置基础上，实现优化并网性能的更多附加控制及保护功能，主要集中于MPPT控制、低/高电压穿越保护、孤岛保护及电能质量治理等，需要根据实际光伏系统的控制、保护策略，研究建立相应的数学模型，并分析其对电网稳定影响。

　　1.3光伏发电系统的动态模型

　　采用方程组法首先建立光伏发电系统中各组成部分的状态方程，并将逆变器和MPPT控制环节的控制框图转换为状态方程，通过联立得到状态方程组，即建立整个光伏发电系统的模型[11]。根据研究需要，也可选择其它建模方法，如等效二端口网络模型、简化等值电路模型、受控源模型等。

　　1.4光伏发电系统的稳态模型

　　光伏发电系统可通过电压或电流控制模式的逆变器接入电网，在潮流计算中可分别处理为有功输出、并网节点电压恒定的PV节点或入网电流恒定的PI节点；功率因数为1的光伏阵列并网时一般第1期丁明等：大规模光伏发电对电力系统影响综述3都安装无功补偿装置，而电容器、SVC等大多补偿装置的无功输出都与节点电压幅值有关，因此宜等效为P-Q(V)节点；如果在潮流计算时需计及光伏发电系统的内部，可建立含光伏阵列、逆变桥、变压器和滤波器等准稳态模型的潮流方程。

　　1.5光伏发电系统模型的研发

　　基于上述建模原理，国内常用的电力系统仿真平台PSD-BPA以及PSASP中已经开发、集成了光伏电站的静态、动态模型，初步具备了大规模光伏并网分析的仿真手段；在一些商业化的电力系统分析软件如PSS/E、ETAP、PowerFactory/DIgSILENT中，都拥有灵活的自定义模块功能，很多光伏电站建模研究都是基于这些软件开展的。

　　1.6下一步研究重点及建议

　　1）基于厂家提供的典型模型结构及参数等信息，通过实测及参数辨识技术，研究建立更符合实际物理特性的光伏模型，尤其是对电网动态特性影响较大的、但主要技术被封装的低/高电压穿越功能的实测及建模技术。

　　2）根据MPPT控制、逆变器附加控制和故障穿越、孤岛保护等策略、方案的共性和差异化特征，开展精细化建模研究。

　　3）综合考虑光伏阵列、换流器的组合方式、并网拓扑和控制系统，以及电站内部线路、变压器参数，研究大型光伏电站等值建模的理论、方法与模型。

　　4）除了暂态建模，还应研究包含中、长期等多时间尺度的全过程仿真模型，使光伏发电系统模型能够适应多场景下的并网分析。

　　5）研究大型光伏电站建模规范及验证流程，研究光伏模型的基本分类、典型结构、标准化建模方法及模型参数辨识。

　　2大规模光伏接入对系统特性的影响

　　2.1对有功频率特性的影响

　　光伏发电具有以下特性：1）外出力的随机波动性；2）电源是无旋转的静止元件，通过换流器并网，无转动惯量；3）低电压穿越期间不同的有功/无功动态特性；4）考虑电力电子等设备元件的安全，电源抗扰动和过负荷能力相对较差，易发生脱网；5）通过逆变器并网，具备四象限控制及有功/无功解耦控制的能力。光伏系统的这些特性，使得大规模光伏接入后系统的稳态/暂态特性发生变化，进而影响到系统的运行与规划。

　　光伏电力大幅、频繁的随机波动性对系统有功平衡造成了冲击，进而影响到系统的一次、二次调频以及有功经济调度等运行特性，频率质量越限等风险加大；系统备用优化策略等将因光伏接入而发生变化，对与常规机组等其它多类型电源的有功频率协调控制以及调频参数整定等也提出了适应性需求；同时，由于光伏电源是非旋转的静止元件，随着接入规模的增大并替换常规电源，系统等效转动惯量降低，恶化了系统应对功率缺额和功率波动的能力，极端工况甚至会发生频率急剧变化，频率跌落速率及深度可能触发低频减载、高频切机等安控、保护动作的严重运行问题。

　　2.2对无功电压特性的影响

　　大规模光伏集中接入更多是在戈壁、荒漠地区，当地负荷水平较低，接入的地区电网短路容量相对较小，大量光伏电力需通过高压输电网远距离外送，随机波动的有功出力穿越近区电网以及长输电通道，影响到电网无功平衡特性，进而造成沿途的母线电压大幅波动。同时，目前实际并网运行的光伏电源无功电压支撑能力较弱，发生电压质量越限甚至电压失稳的风险加大；对于规模化光伏分散接入配电网而言，光伏接入改变了电网既有的辐射状网架结构，单电源结构变成了双电源或多电源，电网潮流分布大小、方向等复杂多变，潮流变得更加难控，进而影响到配电网的电压质量，影响程度与光伏接入位置、接入规模以及出力等关系较大。

　　2.3对功角稳定性的影响

　　光伏电源是静止元件，本身不参与功角振荡，不存在功角稳定问题，但由于其随机波动以及无转动惯量等特性，大规模光伏接入后改变了电网原有潮流分布、通道传输功率，减小了系统的等效惯量；同时，计及故障穿越期间光伏具有与常规机组不同的动态支撑性能，因此光伏接入后电网功角稳定性会发生变化，变化情况取决于电网拓扑结构、电网运行方式及所采用的光伏电源控制技术、光伏并网位置及规模。光伏接入既有可能改善、也可能恶化电网的功角稳定性，这必须结合具体场景通过仿真分析才能确定。光伏并网还可能因故障穿越能力不足引发脱网，尤其是集中化、规模化后，脱网给系统稳定性带来的冲击将更加强烈，应结合实际并网情况，评估大规模光伏的脱网风险。我国第一个百万千瓦级青海光伏基地的集中接入改变了通道潮流分布的均匀性，且光伏电源表现出弱动态支撑性，综合两者影响，通道的传输极限降低，通过切除光伏电源以及光伏电站配置动态无功补偿，可提升安全性。

　　振荡型失稳是功角失稳的一种。波动的光伏出力改变了系统运行点，同时并网逆变器与常规机组相比具有不同的控制策略，这些都会改变系统的阻尼，不但对系统原有的机电振荡模式产生影响，也会带来新频段范围的振荡。但一般而言，光伏接入对原振荡稳定的影响也是依接入位置、穿透率大小等情况而定。发现主动孤岛检测对系统振荡特性有负面影响；提出光伏发电系统分散性地渗透入网比集中在某处并网更有利于系统的振荡稳定。如充分利用逆变器的灵活控制功能，可提升系统阻尼。基于光伏发电系统能够独立控制其注入电网有功、无功特点，提出了利用光伏发电系统来抑制电网功率振荡的方法，设计了有功、无功的附加控制策略。

　　2.4对小扰动稳定性的影响

　　光伏电池虽不存在机械与电磁量不平衡的动力学稳定问题，但也存在电气运行不稳定问题，进而当大规模光伏并网后也会影响到电网的稳定性。对于特定的光伏功率注入，利用小扰动法分析了理论上存在的两个运行点中的一个是不稳定的，指出不稳定现象更多出现在接近最大功率运行点的高出力水平；基于动态等效阻抗适配概念来剖析光伏电气运行不稳定点的机理。故障期间的不平衡功率只能由光伏电站的直流侧电容吸收，由于电容的储能作用很小，因此不平衡功率直接导致直流侧电压迅速上升，给电源可靠运行带来影响。建立了含光伏电池、逆变器等小信号数学模型，利用特征值法分析了系统遭受小干扰后的稳定性，仿真验证了光照扰动后的稳定性。

　　2.5对电能质量的影响

　　随着大规模光伏的接入，电力电子广泛应用使得大量非线性负载也加入到系统中，对电力系统造成污染，出现电能质量问题。逆变器开关速度延缓，导致输出失真，产生谐波；在太阳光急剧变化、输出功率过低、变化过于剧烈的情况下，产生谐波会很大；也会出现大规模光伏集中并网时电流谐波叠加的问题等。国内外若干大型光伏电站的运行经验表明：即使单台并网逆变器的输出电流谐波较小，多台并网逆变器并联后输出电流的谐波也有可能超标。针对这些问题，从并网逆变器并联系统数字控制的角度出发，对多台逆变器组合的谐波问题和稳定性进行了建模；分析了大型光伏电站逆变器并联系统中存在的电网阻抗耦合效应，该耦合效应降低了并网逆变器控制回路的带宽和稳定裕度，导致并网电流谐波含量超标等不稳定问题分析了光伏电站通过长距离输电线缆接入弱电网，滤波电容可能引起的谐振从而造成某些次谐波放大问题。

　　直流注入也是光伏并网需要解决的关键问题之一，产生原因是多方面的。光伏出力的大幅、高频随机波动也会引发电压波动、闪变以及电压偏差、频率波动等问题。针对光伏接入后的电能质量问题，提出抑制谐波的有效方法：包括增加谐波补偿器、无源固定频次滤波器、有源滤波器、混合滤波器等；提出了治理直流注入的有效解决方法，包括：1）安装隔离变压器；2）设计合理的逆变器拓扑结构；3）电容隔直；4）检测补偿；5）虚拟电容法等。

　　2.6对配电系统保护的影响

　　光伏电源接入配电网后使配网故障特征发生了变化，对继电保护和自动装置产生若干影响：1）网架结构由单电源辐射状网络变为双电源、多电源的复杂拓扑结构，从而故障电流大小、方向及持续时间均发生变化，原有馈线保护都将受到影响，保护装置会发生误动或拒动；2）根据变压器连接方式的不同，与变压器相连的逆变器会额外形成接地回路，影响零序电流或在单相接地故障时加大未短路相的对地电压，也将改变继电保护的动作特性；3）对扰动较为敏感的并网光伏变换器增加了必要的保护内容，包括低电压穿越、输出谐波超标、输出直流分量超标和三相不平衡保护等；4）当PV系统反孤岛保护功能时间不能与自动重合闸等装置协调配合时，会引起非同期合闸；5）对配电系统中的线路三相一次重合闸以及变电站(开闭所)的备用电源自投装置应用产生一定的影响。为防止出现非同期合闸，对于接有经逆变器并网的线路或母线，其三相一次重合闸起动时间或须备用电源自投断路器的动作时间均要大于逆变器反孤岛保护最大动作时间。

　　分布式、高密度光伏发电系统往往通过多条或一条低压配电线路接入于同一母线并网发电。由于同一区域的光伏发电功率受光照变化的影响具有相关性，高密度光伏发电系统并网，会加剧配电网局部潮流变化幅度以及电压的波动范围。另外，若某些与高密度光伏发电系统同一母线的供电第1期丁明等：大规模光伏发电对电力系统影响综述5负荷较小的馈电线路发生短路故障时，可能导致接于馈电线路的上下级熔断器无法配合，失去选择性，甚至有可能致使流过某些负荷支路上的短路功率超过断路器的遮断容量。

　　2.7下一步研究重点及建议

　　1）基于大规模光伏集中接入、高压交直流外送等多种典型场景，剖析规模化的光伏与大电网动态特性的交互作用机理，从功角、频率以及电压等多个稳定侧面，分析大规模光伏接入后对大电网安全稳定的影响；

　　2）研究大电网现有三道安全防线对大规模光伏接入及外送的适应性，并进行优化调整。

　　3）研究规模化分散式接入的光伏与配电网交互运行机理；研究光伏大规模接入对配电网潮流分布、无功电压以及电能质量等运行特性的影响；4）研究光伏规模化接入后保护方案、自动装置及调度自动化系统的适应性及优化协调技术。

　　3大规模光伏外送及消纳的关键技术

　　3.1大规模光伏外送的新型输电技术

　　为了提高长通道外送光伏等波动性电源的可控性，在通道沿线装设可控高抗、动态无功补偿SVC以及可控串补等，集合多种FACTS装置的交流输电技术提升了系统对光伏等间歇性新能源的接纳能力。我国新疆-西北交流联网一、二通道即装设了多种类型FACTS装置，提升了外送大规模风光混合电力的能力。

　　±800kV特高压直流输电技术以其远距离送电的经济性、中间无落点的直通性等优越性能在我国正逐步推广建设，为我国大规模光伏、风电等新能源的开发、外送及消纳开辟了新的通道。在此基础上，提出了在中国北部地区利用新型直流输电技术(VSC-HVDC)建立广域可再生能源电网结构的远景设想，从而有效整合风电、光伏、水电等，以期利用广域范围内的资源互补性平衡新能源的功率间歇性和不稳定性；论述了半波长输电和分频输电的特点及发展前景，指出二者均适用于超远距离大容量电力输送。

　　近年来，新型直流输电技术进一步发展，但由于VSC直流输电使用全控型开关器件，受开关器件容量限制，目前VSC直流输电在远距离、大容量输电领域还不能取代传统直流输电，其电压等级和传输容量有待进一步提高，但在大规模分散式光伏的并网和地区可再生能源消纳领域是传统直流输电的有益补充。