大规模光伏发电接入对电力系统的影响综述

电器六班 S1454 201431403064 徐勇

大规模光伏发电接入对电力系统的影响综述

摘要：本文主要从有功及频率、无功及电压、功角稳定性、小扰动稳定性、电能质量和配电系统保护等六个方面分析了大规模光伏发电接入对电力系统的影响，并介绍了各方面的研究现状。最后通过总结这几方面研究存在的不足，提出了接下来研究工作应着重对待的研究重点。

关键词：光伏发电；电力系统；功角稳定性；电能质量

随着世界经济的飞速发展，人类对能源需求的日益增加，以及传统能源的日益枯竭，人们开始将目光投向了清洁可再生的新能源，希望其能改变现在的能源结构，进而实现可持续发展。 太阳能作为一种清洁可再生的能源，以取之不尽、用之不竭、廉价、无污染的特点使其有着其他新能源无法比拟的优势。

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、调度、控制的影响也引起人们极大关注[1]。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。大规模光伏接入对系统特性的影响主要包括以下几个方面。

一、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[1]。

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

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作的严重运行问题[2]。

二、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[3]。

三、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[4]，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[5]。文[6]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。

四、对小扰动稳定性的影响

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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。文[7]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。文[8]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。

五、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[9]。针对这些问题，文[10]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；文[11]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; 文[12]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。

六、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[13][14][15]；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[16]；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

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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

[17]

。另外，若某些与高密度光伏发电系统同一母线的供电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。

七、下一步研究重点及建议

如上所述，在大规模光伏发电接入对电力系统影响方面，国内外研究者均做了大量研究工作，取得了显著成果。但仍有大量问题有待解决和继续深入研究。基于以上分析，对接下来的研究重点总结如下：

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。

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