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1光伏并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)阻尼的影響

1.1測(cè)試系統(tǒng)本文選取IEEE16機(jī)68節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為測(cè)試系統(tǒng)，其中16臺(tái)同步發(fā)電機(jī)采用經(jīng)典6階模型，并全部安裝本地電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS），系統(tǒng)負(fù)荷全部采用恒阻抗模型（詳細(xì)參數(shù)見文獻(xiàn)［11］），如圖3所示，本文測(cè)試平臺(tái)基于MATLAB／Simulink。在該系統(tǒng)中，區(qū)域1為新英格蘭系統(tǒng)，區(qū)域2為紐約系統(tǒng)，區(qū)域3～5為相鄰區(qū)域等值發(fā)電機(jī)。G13和G16承擔(dān)了系統(tǒng)主要電力供應(yīng)，其容量分別為12GW和11GW，其有功出力分別為3．5GW和4GW。紐約系統(tǒng)為重負(fù)荷區(qū)域，其負(fù)荷總額為8．45GW，但該區(qū)域發(fā)電總額僅為6．28GW，因此需通過相鄰區(qū)域的遠(yuǎn)距離輸電以填補(bǔ)此區(qū)域的有功缺額。

1.2光伏發(fā)電不同接入位置對(duì)系統(tǒng)阻尼特性的影響為研究光伏發(fā)電不同接入位置對(duì)系統(tǒng)阻尼特性的影響，本文分別將測(cè)試系統(tǒng)中容量最大的同步發(fā)電機(jī)G13與G16用等容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)替代，替代前后的系統(tǒng)小干擾計(jì)算結(jié)果分別如表1和表2所示。由表1和表2對(duì)比可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)振蕩頻率的影響遠(yuǎn)小于對(duì)系統(tǒng)阻尼的影響。具體而言，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)替代同步發(fā)電機(jī)G13時(shí)，模式1、模式3的阻尼有著顯著提升，而模式8、模式9和模式15的阻尼有小幅改善，其他模式則變化不大。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)替代同步發(fā)電機(jī)G16時(shí)，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阻尼下降最為明顯，而其他模式變化不大。圖4為原系統(tǒng)發(fā)電機(jī)功角在模式1、模式4、模式15情況下的參與因子。由圖可知，同步發(fā)電機(jī)G13在模式1的參與因子相對(duì)于其他模式較高，同步發(fā)電機(jī)G16在模式4的參與因子相對(duì)其他模式較高，這就解釋了光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)不同振蕩模式影響大小的原因：光伏發(fā)電系統(tǒng)所替代的同步發(fā)電機(jī)在某模式下的參與因子越大，則該模式受光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的影響則越大。仿真結(jié)果表明，該影響有可能是正面的，也可能是負(fù)面的。值得注意的是：由表1和表2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)替代某臺(tái)同步發(fā)電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)振蕩模式減少了一組。這表明光伏發(fā)電系統(tǒng)并不直接參與系統(tǒng)振蕩，而這一組模式的減少是由同步發(fā)電機(jī)的退出而造成的。統(tǒng)替代前后的系統(tǒng)部分振蕩模態(tài)圖。為使分析更為直觀，圖5中僅顯示了模值較大的模態(tài)。通過對(duì)圖5的分析可知，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)替代同步發(fā)電機(jī)后，系統(tǒng)的振蕩模態(tài)并無明顯變化，這進(jìn)一步表明了光伏發(fā)電系統(tǒng)不直接參與系統(tǒng)機(jī)電振蕩，也不改變系統(tǒng)原有的振蕩模態(tài)。

1.3光伏發(fā)電滲透率對(duì)系統(tǒng)阻尼特性的影響通過上文分析可知，不同光伏發(fā)電系統(tǒng)接入位置對(duì)系統(tǒng)阻尼的影響不同，因此本文以接入位置節(jié)點(diǎn)65和節(jié)點(diǎn)68為例，分別取光伏滲透率為0％、5％、10％、15％、20％進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)關(guān)鍵模式的阻尼計(jì)算結(jié)果如圖6所示。圖6列舉了光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同滲透率下變化較大的部分模式。從中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏發(fā)電的接入位置不同時(shí)，隨著光伏滲透率的提高，對(duì)系統(tǒng)阻尼的正面影響或者負(fù)面影響將呈增大的趨勢(shì)。

1.4接入光伏對(duì)系統(tǒng)阻尼特性影響的機(jī)理研究通過上述分析可知，當(dāng)光伏發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)同步發(fā)電機(jī)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)阻尼的影響有可能是正面的，也可能是負(fù)面的。由上文分析可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)不直接參與系統(tǒng)機(jī)電振蕩，因此其對(duì)系統(tǒng)阻尼的負(fù)面影響主要來源于其本身不具類似于同步發(fā)電機(jī)PSS的阻尼控制環(huán)節(jié)，而當(dāng)其替代了安裝有PSS的同步發(fā)電機(jī)時(shí)，造成了系統(tǒng)阻尼出現(xiàn)一定程度的下降。為研究光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)阻尼特性的影響機(jī)理，在最大功率點(diǎn)處，將容量為10MW的光伏發(fā)電動(dòng)態(tài)模型和相同輸出功率的恒功率靜態(tài)模型接入測(cè)試系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)9與節(jié)點(diǎn)1，系統(tǒng)關(guān)鍵振蕩模式計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵模式并沒有太大影響，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了光伏發(fā)電不直接參與系統(tǒng)機(jī)電振蕩。接入光伏發(fā)電對(duì)系統(tǒng)的阻尼可能造成一定的正面影響，由于光伏發(fā)電對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵模態(tài)的影響很小，因此這種情況并不來源于光伏發(fā)電系統(tǒng)本身與相關(guān)同步發(fā)電機(jī)阻尼轉(zhuǎn)矩的相互作用，而是接入光伏發(fā)電改變了系統(tǒng)平衡點(diǎn)，進(jìn)而引起系統(tǒng)潮流的變化，使得在某些情況下對(duì)系統(tǒng)的阻尼呈現(xiàn)出提升的現(xiàn)象。當(dāng)這種影響超過了光伏發(fā)電系統(tǒng)因阻尼控制環(huán)節(jié)的缺失而引起的負(fù)面影響，會(huì)使得系統(tǒng)阻尼在某些情況下呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

2光伏發(fā)電系統(tǒng)的阻尼控制研究

由于受光照強(qiáng)度、占地面積等因素的影響，大規(guī)模光伏發(fā)電基地往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，需通過長距離輸電線路進(jìn)行遠(yuǎn)距離消納。由上文分析可知，高滲透率光伏發(fā)電接入電力系統(tǒng)后，由于缺乏類似于同步發(fā)電機(jī)PSS等設(shè)備，因此難以對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行阻尼控制，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)阻尼造成一定的負(fù)面影響，這給系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平帶來了一定的隱患，增加了系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩的危險(xiǎn)。以本文測(cè)試系統(tǒng)為例，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入節(jié)點(diǎn)68，替代同步發(fā)電機(jī)G16向區(qū)域2進(jìn)行遠(yuǎn)距離送電。當(dāng)區(qū)域2中輸電線路1－30末端在0．1s發(fā)生三相短路故障，在0．2s時(shí)該故障清除，則區(qū)域聯(lián)絡(luò)線52－50的有功響應(yīng)如圖7所示。由圖7可知，接入光伏發(fā)電后降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。目前常用的辦法是在光伏發(fā)電基地安裝柔性交流輸電系統(tǒng)或者儲(chǔ)能設(shè)備，這無疑大幅增加了安裝、運(yùn)行以及維護(hù)成本。考慮到目前廣域測(cè)量系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，本文將精密測(cè)量單元所采集的系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)通過反饋控制環(huán)節(jié)引入光伏發(fā)電的有功控制系統(tǒng)，這給光伏發(fā)電系統(tǒng)的阻尼控制提供了一個(gè)新的思路。圖8為本文提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)阻尼控制策略，該策略在不改變?cè)夥l(fā)電系統(tǒng)PQ解耦控制的基礎(chǔ)上，在有功控制信號(hào)電壓參考值處引入一個(gè)反饋控制環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的阻尼控制。圖9為光伏逆變器存在的3種結(jié)構(gòu)形式。采用圖9a所示的逆變器結(jié)構(gòu)雖控制靈活方便，但在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中會(huì)造成一定的電能質(zhì)量問題，因此目前光伏并網(wǎng)大多采用如圖9b所示的逆變器結(jié)構(gòu)，而圖9c融合了低成本與高質(zhì)量的電能輸出的優(yōu)點(diǎn)，因此成為了未來并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。圖8所采用的控制策略僅針對(duì)圖9a和圖9c兩種光伏逆變器結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)。對(duì)于圖9b型結(jié)構(gòu)光伏逆變器，仍可采用如圖8所示的控制結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過程中，需考慮到不同控制器之間的參數(shù)協(xié)調(diào)問題，其設(shè)計(jì)方法與同步發(fā)電機(jī)之間PSS協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)方法類似，可參考相關(guān)文獻(xiàn)［13］，本文不再贅述。對(duì)于圖9a和9c兩種光伏逆變器結(jié)構(gòu)，其阻尼控制器設(shè)計(jì)方法如下：首先選取聯(lián)絡(luò)線52－50的有功功率作為控制器輸入，控制器輸出則附加在如圖8所示的光伏發(fā)電有功控制環(huán)上。根據(jù)電力系統(tǒng)低頻振蕩基本特性，系統(tǒng)阻尼比越大，其受擾后振蕩衰減到穩(wěn)態(tài)所需的次數(shù)越少，即系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能越好。因此，在對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)加入如圖8所示的阻尼控制環(huán)節(jié)后，應(yīng)使系統(tǒng)中存在的較小阻尼比提升至穩(wěn)定范圍，故控制器參數(shù)可采用下式確定。圖10為采用本文控制策略前后，區(qū)域聯(lián)絡(luò)線52－50在與圖7相同故障下的有功響應(yīng)。該圖表明，采用本文控制策略能有效實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)阻尼控制，這降低了光伏并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平可能帶來的負(fù)面影響，提高了互聯(lián)電力系統(tǒng)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的接納能力。

3結(jié)論

（1）大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，會(huì)對(duì)系統(tǒng)阻尼特性造成一定的影響，其中對(duì)系統(tǒng)振蕩頻率的影響遠(yuǎn)小于對(duì)系統(tǒng)相關(guān)模式阻尼比的影響，并且所替代的同步發(fā)電機(jī)在某模式下的參與因子越大，該模式所受的影響則越大。（2）光伏發(fā)電接入系統(tǒng)因接入位置的不同，隨著滲透率的提升，系統(tǒng)阻尼呈現(xiàn)增大或者減小的趨勢(shì)，其正面影響主要原因來源于光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)潮流的改變，其負(fù)面影響主要來源于光伏發(fā)電系統(tǒng)缺乏類似于同步發(fā)電機(jī)PSS的阻尼控制環(huán)節(jié)。（3）大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)雖然對(duì)系統(tǒng)阻尼特性有一定影響，但并不直接參與同步發(fā)電機(jī)直接的機(jī)電振蕩，并且在光伏發(fā)電并網(wǎng)前后不改變?cè)型桨l(fā)電機(jī)之間的振蕩模態(tài)。（4）利用WAMS信號(hào)，將系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)通過反饋控制環(huán)節(jié)引入光伏發(fā)電的有功控制系統(tǒng)是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)阻尼的有效辦法，降低了光伏并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平可能帶來的負(fù)面影響，提高了互聯(lián)電力系統(tǒng)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的接納能力。

作者：索江鐳胡志堅(jiān)劉宇凱張子泳單位：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室