大型光伏电站静态电压稳定性分析
发布时间：2022-03-19
摘要：大型光伏电站装机容量的不断加大对并网点及站内关键节点的电压稳定性造成很大的影响。对此在考虑光伏阵列输出特性以及大型光伏电站内部集电线路、变压器、输电线路阻抗的基础上，建立了大型光伏电站的稳态模型。通过利用特征结构法对大型光伏电站静态电压稳定性进行分析，得出大型光伏电站静态电压稳定判据及稳定裕度，并通过算例进一步得出光照强度、运行功率因数、电网阻抗、装机容量等因素对大型光伏电站静态电压稳定性的影响以及光伏电站内部电压分布和内部电压薄弱节点。
关键词：大型光伏电站;静态电压稳定性;站内电压分布;特征结构分析
0 引言
能源危机和环境污染的加重给以光伏发电为代表的新能源带来了新的发展机遇。根据《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》：预计2013— 2015年，年均新增光伏发电装机容量10 000 MW左右，到2015年光伏发电总装机容量达到35 000 Mw 以上。据国家能源局统计，截止2014年12月底，全国新增并网光伏发电容量10 600 Mw，累计装机容量达到28 050 Mw，其中光伏电站23 380 Mw，分布式光伏发电4 670 MW。由于我国太阳能主要富集于青海、甘肃、新疆等西北部地区，距负荷
中心较远，需要采用高压远距离送电，因此光伏电站的大型化和规模化已经成为光伏产业的重要发展趋势‘11。随着光伏电站装机容量的不断增大，大型光伏电站对电网电压的影响也逐渐显现【l圳。大型光伏电站一般建立在远离负荷中心的荒漠地区，电网结构薄弱，有功送电距离长，电压稳定性较电网其他部分弱，造成光伏电站电压稳定问题突出【3J。另一方面，大型光伏电站输出功率随着光照强度等环境因素变化而变化，随机波动的有功出力通过长距离输电通道穿越近区电网，影响电网无功平衡特性，造成沿途母线电压大幅波动【2J。此外，大型光伏电站可视为一个无旋转惯量的电流源，光伏电站并网在一定程度上降低了电网的稳定裕度，进一步加剧了电压失稳的风险，甚至导致地区电网电压崩溃，造成大面积停电事故【4】。因此，光伏电站应充分利用并网逆变器的无功容量参与电压控制，给电网提供无功支撑，以维持电网的安全稳定运行【5J。而研究光伏电站内部的无功电压分布及其稳定性问题是保障光伏电站安全稳定运行的前提和基础。研究大型光伏电站电压稳定性问题根据其性质不同可以分为静态电压稳定性分析、暂态电压稳定性分析和动态电压稳定性分析，其中静态电压稳定性分析计算量较小，并且能够在一定程度上较好地反映系统的电压稳定水平[6】。因此通过对大型光伏电站静态电压稳定性及其内部电压分布进行分析，对大型光伏电站的稳定运行以及光伏发电单元无功电压协调控制都有重要的意义。
目前国内外关于光伏电站静态电压稳定性问题多集中在分布式光伏发电。文献【7—8]指出分布式光伏系统接入配电网使线路潮流反向，将引起线路电压越上限，且越接近线路末端电压变化率越大，光伏注入有功功率的影响越大。文献[9]表明广义负载功率波动、功率因数、接入配电网电压等级对电压波动影响较大，提高并稳定并网点功率因数是提高电压稳定性的根本方法。文献[10.11]分别提出了恒无功功率Q控制、恒功率因数cos妒控制、基于光伏有功出力的cos妒㈣控制及基于并网点电压幅值的Q(∽控制策略来稳定并网点电压。
然而大型光伏电站与分布式光伏电站不同，分布式光伏电站一般接入配电网，容量较小，电站周围负荷分布较多，不需要长距离输送，对电力系统电压稳定性影响较小。但大型光伏电站一般容量较大，均分布在远离负荷区域的边远地区，传输距离较长，电压稳定性问题更加突出【l21。对于大型光伏电站静态电压稳定性问题，目前国内外的研究相对较少。文献[13.14]将大型光伏电站等效为一个整体，指出无功功率不足是导致光伏电站并网点电压下降的主要原因，通过无功补偿可以提高并网点电压，增强并网点电压稳定性。文献[15]将大型光伏电站等效为一个PQ节点，通过作出P—U曲线得到传输线上各节点电压呈现先上升后下降的趋势，且电压与电网阻抗有关，并指出光伏电站装机容量受并网点电压限制的影响。文献[16】将大型光伏电站处理成一个PO节点，对并网点电压进行分岔理论分析，指出随着光伏电站出力的变化会导致并网点电压出现霍普夫分岔(Hopf binJrcation，HB)和鞍结点分岔(saddle.node bi6lrcation，SNB)，致使并网点电压发生持续震荡甚至电压崩溃，缩减并网点运行的稳定域。
相关知识推荐：高电压方向有哪些期刊
但以上文献均存在不足：1)将大型光伏电站等效为一个节点，忽略了光伏电站内部阻抗对电压稳定性的影响，并且光伏电站电压控制系统要求控制到每一个光伏发电单元，因此研究光伏电站内部电压分布及其稳定性是非常有必要的。2)仅给出了大型光伏电站并网点电压变化的大致趋势，没有具体分析当前运行状态下并网点电压稳定判据及稳定裕度。3)没有具体分析光照强度、运行功率因数、电网阻抗、装机容量等因素对电压稳定性的影响。
本文以国电蒙电巴彦淖尔市乌拉特后旗光伏发电项目为背景，在考虑光伏电池输出特性、最大功率跟踪、光伏电站内部阻抗的基础上，建立大型光伏电站的稳态模型。并通过特征结构法对大型光伏电站静态电压稳定性进行分析，得出大型光伏电站静态电压稳定判据及稳定裕度。在此基础上对大型光伏电站在光照强度、电网阻抗、运行功率因数等方面对静态电压稳定性的影响，以及光伏电站内部电压分布等问题进行分析。
1 大型光伏电站建模
基于国电蒙电巴彦淖尔市乌拉特后旗大型光伏电站的结构如图1所示。图1中：三。。为光伏电站内部集电线路;T。。为双分裂变压器。大型光伏电站由若干光伏发电单元(PV generation眦it， PvGu)组成，光伏发电单元通过站内集电线路汇入 10 kV交流母线，每条集电线路由m个光伏发电单元组成。变压器高压侧为并网点，经变比为121/ 10 kV的主变压器升压到110 kV母线，并通过高压交流输电线路并入大电网。
1.1光伏发电单元建模
大型光伏电站光伏发电单元结构如图1虚线框内所示。光伏发电单元由2台500 1(W光伏逆变器经过一台变比为lO.5/o.27/0.27 l【V的双分裂变压器接入lO 1(V母线。光伏发电系统通过电流控制模式的逆变器接入电网，在潮流计算中可处理为有功输出、无功输出恒定的PQ节点[2】。由于大型光伏电站一般工作在单位功率因数的情况下，因此光伏发电单元中的2台逆变器可处理为2个有功功率为光伏电池板输出功率、无功功率为零的PQ节点。本文主要对影响光伏电站功率输出的光伏阵列及最大功率跟踪建模，忽略了光伏逆变器的动态部分对系统建模的影响。
光伏电池板输出功率主要受光照强度的影响，将光照强度S作为外部变量，利用光伏电池生产商提供的光伏电池短路电流五。、开路电压%。、最大功率电流k、最大功率电压%等参数计算光伏电池的输出特性【l 7|。
1.2光伏电站内阻抗及电网阻抗建模
大型光伏电站内阻抗及电网阻抗如图2所示。其站内阻抗主要包括光伏发电单元分裂变压器阻抗、相邻光伏发电单元之间集电线路阻抗及主变压器阻抗。电网阻抗主要包括输电线路阻抗。图2中： R。m+j瓦m为相邻光伏发电单元之间集电线路阻抗;咫+隧为输电线路阻抗。光伏发电单元分裂变压器采用短路阻抗百分比为4.5%，额定容量为1000/500/500 kVA的双分裂变压器。忽略变压器内部电阻的影响，其阻抗等值电路如图3所示。图3中：厶l、如分别表示2 个低压绕组漏感;厶表示高压绕组漏感，通常情况下满足厶l屯t2。
光伏电站内部各光伏发电单元之间的集电线路采用型号为YⅣ23—8.7/10、3×150删n2的电缆连接，相邻光伏发电单元之间间距为200 m，光伏阵列与主变压器之间相距2 km。由于大型光伏电站内部集电线路长度短、电压等级不高，因此可忽略线路电纳参数B的影响。线路阻抗为(O.128+j0.091 3)Q瓜m。
2电压稳定性分析
2.1 大型光伏电站并网点静态电压稳定性分析
为将大型光伏电站内部阻抗计入并网点电压静态稳定性分析中，按照站内有功、无功损耗相等的原则将图2变换为如图5所示的大型光伏电站等效结构图。图5中：R。qu、五。。表示光伏电站内部等效阻抗;D，fc表示并网点电压;PPcc、QPcc表示光伏电站并网点输出有功和无功功率;P、Q表示光伏电站发出有功和无功功率;，表示光伏电站输出电流;U表示电网电压。
2.2大型光伏电站内部电压分布及其稳定性分析
大型光伏电站内部各条集电线中的光伏发电单元位置分布相同，因此为研究大型光伏电站内部电压分布可取一条集电线进行研究。图6为大型光伏电站内部一条集电线等效电路。图6中：节点0 为光伏电站主变压器低压侧节点，节点l～m为各光伏发电单元功率注入节点;Pf、QI为各光伏发电单元发出有功功率和无功功率;尺，、Ⅸ分别为各光伏发电单元间集电线路的电阻和电抗。
此外，由式(15)可知，光伏电站内部集电线路阻抗对电压分布造成影响。站内集电线路的电阻对各光伏发电单元出口电压有抬升作用，而集电线路的电抗对其有降低作用。由于大型光伏电站内部集电线路所使用的电缆电阻值远大于电抗值，导致站内电压分布沿着集电线路末端方向逐渐升高，并且线路阻值越大电压抬升的越高。因此，当光伏电站装机容量很大时，如果电网电压出现扰动，会导致光伏电站内部集电线路末端电压越上限，进而引发继电保护装置动作，引起末端部分光伏发电单元脱网，降低光伏电站运行效率;严重时将导致光伏发电单元连锁脱网，对电网造成冲击，破坏电网有功平衡特性，影响电网供电安全。
2.3特征结构分析
为得出大型光伏电站静态电压稳定判据及稳定裕度，并且更加直观地说明大型光伏电站中光照强度、运行功率因数、电网阻抗、装机容量等因素对光伏电站静态电压稳定性的影响以及站内电压分布和站内电压薄弱节点，利用特征结构分析法进行并网点及站内静态电压稳定性分析。
2.4分析步骤
基于特征结构分析法的大型光伏电站静态电压稳定性分析步骤如图7所示。
3算例分析
在前文分析的基础上，搭建装机容量为50 MW的大型光伏电站，其结构如图1所示。每条集电线路由10个光伏发电单元组成，共5条集电线路构成50 Mw光伏电站。利用Matlab软件编程进行特征结构分析，得到光照强度、运行功率因数、电网阻抗、装机容量等因素对大型光伏电站并网点静态电压稳定性的影响，并分析得到电站内部电压分布和站内电压薄弱节点。
3.1 并网点电压特征结构分析
光照强度对大型光伏电站并网点静态电压稳定性的影响如表1所示。由表l可知，随着光照强度的增加并网点电压呈现出先升高后下降的趋势，稳定裕度AIIlin也呈现出先增加后减小的趋势，说明大型光伏电站并网点静态电压稳定性随着光照强度的增加先增强后减小，并且在光照最强烈时电压稳定性最弱。因此在对大型光伏电站进行静态电压稳定性分析时宜采用最大光照强度进行分析。
表2为大型光伏电站工作于不同功率因数对静态电压稳定性的影响。按照发电机准则，光伏电站工作于滞后功率因数时发出感性无功功率，工作于超前功率因数时吸收感性无功功率。由表2可知，当光伏电站发出无功时，并网点电压上升，旯nli。增大，电压稳定性增强。但当光伏电站工作于功率因数为O.95(滞后)的情况时，发出无功过量，导致并网点电压接近电压上限。当光伏电站吸收无功时，并网点电压下降，AIllin减小，电压稳定性减弱，并且当光伏电站工作于功率因数为0.95(超前)的情况时，并网点电压越下限。由此可知，光伏电站发出无功功率对并网点电压有一定的支撑作用，并有助于提高并网点电压的稳定裕度。因此，为增强大型光伏电站的静态电压稳定性，可适当使光伏发电单元发出一定量的无功功率，但各光伏发电单元功率因数需要协调控制，以免并网点电压越限。
光伏电站装机容量对静态电压稳定性的影响如表3所示。由表3可知，随着装机容量的增加，并网点电压呈现出先上升后下降的趋势，但稳定裕度A。i。一直呈减小趋势，因此大型光伏电站装机容量的增加将导致静态电压稳定性下降。
电网阻抗对大型光伏电站电压稳定性的影响如表4所示。当输电线路电阻不变，电抗增大时，并网点电压下降，稳定裕度五min减小，电压稳定性减弱。当输电线路电抗不变，电阻增大时，并网点电压上升，稳定裕度Amin增大，电压稳定性增强。因此，为增强大型光伏电站静态电压稳定性，宜选用电阻值稍大、电抗值较小的输电线路。
3.2站内电压分布及其特征结构分析
图8为50 MW大型光伏电站一条集电线路10 个光伏发电单元在不同光照条件下出口电压分布情况。由图8可知，大型光伏电站内部电压分布沿着集电线路末端方向逐渐升高，各点电压也呈现出随着光照增强先上升后下降的趋势，与前文分析一致。
大型光伏电站内部集电线路阻抗对站内电压分布及电压稳定性的影响如表5所示。当集电线路电抗不变、电阻增加时，光伏发电单元出口电压升高，稳定裕度Anli。增大，电压稳定性增强。当集电线路电阻不变、电抗增加时，光伏发电单元出口电压下降，稳定裕度‰。减小，电压稳定性下降。因此大型光伏电站内部集电线路宜选用电阻稍大、电抗较小的电缆，但较大的电阻不仅会导致光伏电站有功网损增大，还可能导致光伏发电单元出口电压越上限，且越接近集电线路末端越容易越上限使继电保护装置动作，为此可在集电线路末端装设无功补偿装置保证光伏电站内部电压稳定为进一步分析光伏电站内部各光伏发电单元对电压稳定性的影响，确定光伏电站内部电压的薄弱节点，计算光伏电站各光伏发电单元出口节点的参与因子p鼬。由式(16)可知，参与因子表示各光伏发电单元对稳定裕度AIIli。的影响程度。参与因子越大，表示该节点与A曲越强相关，则系统越容易在该节点失稳。表6为50 Mw光伏电站内部各节点的参与因子。其中l到50节点为光伏发电单元出口节点，51为主变压器低压侧节点，52为主变压器高压侧节点。从表6可知，节点51的参与因子最大，则光伏电站电压稳定性最薄弱地区为主变压器低压侧。为提高光伏电站电压稳定性，可在此装设无功补偿装置。同时光伏发电单元的参与因子沿着集电线末端方向减小，由此可按照参与因子的大小对光伏发电单元进行无功功率的合理分配，以增强系统的电压稳定性。
4结论
本文通过对大型光伏电站进行静态电压稳定性分析，得出如下结论：
1)大型光伏电站并网点电压稳定性随着有功出力的增大而逐渐降低，并且具有一个电压稳定极限。电站内部阻抗对并网点静态电压稳定性有影响，站内电抗会减弱电压稳定性，而站内电阻能增强电压稳定性。如果大型光伏电站不能提供足够的无功支撑，并网点电压将会严重下降，甚至导致电压崩溃，严重影响电网的安全稳定运行。
2)大型光伏电站内部阻抗对电压有抬升作用，内部电压分布沿着集电线路末端方向逐渐升高，且阻值越大电压抬升的越高。因此，越接近集电线路末端电压越容易越上限，严重时将导致光伏发电单元连锁脱网对电网造成冲击，为此可在集电线路末端装设无功补偿装置保证光伏电站内部电压稳定。
3)通过建立大型光伏电站稳态模型，求取系统潮流方程雅可比矩阵最小模特征值得到大型光伏电站静态电压稳定性判据及稳定裕度。大型光伏电站静态电压稳定性受到光照强度、运行功率因数、电网阻抗、装机容量的影响。在光照强度最大时电压稳定性最弱，光伏电站工作在滞后功率因数时发出无功功率能提高电压稳定性，电网阻抗及站内集电线路阻抗宜选取电抗值较小的线路以提高电压稳定性。
4)大型光伏电站静态电压稳定性最薄弱地区为主变压器低压侧。为增强系统的静态电压稳定性，需在主变压器低压侧装设无功补偿装置，并且可以按照参与因子的大小对光伏发电单元进行无功功率的合理分配。——论文作者：杜潇1，周林1，郭珂1，杨明2，刘强1，邵念彬1
参考文献
[1】 赵争鸣，雷一，贺凡波，等.大容量并网光伏电站技术综述【J].电力系统自动化，20ll，35(12)：101.107. zhao Ztlengming，Lei Yi，He Fallbo，et a1.OVerview ofla唱e—scale 鲥d·comcctcd photovoltaic power pl锄ts【J】.Automa石on of Elec矾c Powcr SysteIns，20ll，35(12)：lOl-107(in chinese).
【2] 丁明，王伟胜，王秀丽，等.大规模光伏发电对电力系统影响综述叨.中国电机工程学报，2014，34(1)：l—14. D啦MiIlg，w孤g weisheng，w姐g xiuH，et a1.A reView on me e虢ct ofla鸦e—scale PV g∞emtion on power systems[J].Pmceedings ofthe CSEE，2014，34(1)：l—14(in Chinese).
[3] 周林，张密，居秀丽，等.电网阻抗对大型并网光伏系统稳定性影响分析[J】.中国电机工程学报，2叭3，33(34)：34-41. zhou Lill，zhallg Mi，Ju)(iuh，et a1.S协bility analysis of 1arge— scale photovoltaic plaIlts due to酣d iIIlpedallces[J】.Pmceedings of the CSEE，2013，33(34)：34.4l(iIl ChiIlese).
[4】Du Yall，Su JiaIlhui，Mao Meiqin，et a1.Autonomolls con廿ollerbased on synchroIlous generator dq0 model for micm鲥d inveners[C]//8t11 IIltemational conference on Power Electrollics.Jeju，south Korea：难EE，20ll：2“5.2649.
[5] 中国电力科学研究院，国网电力科学研究院.GB厂r 29321—2012 光伏发电站无功补偿技术规范[s].北京：中国国家标准化委员会， 2013.
[6】 孙华东，汤涌，马世英.电力系统稳定的定义与分类评述[J].电网技术，2006，30(171：31.35. Sun Huadong，伽gYbng，Ma Shiyillg.A commentary on de缸iti锄 aIld classification of power system s协bil时【J]. Power System Tecllllology，2006，30(17)：3l一35(in Chinese).
[7】 Joal(im w，Ewa w，Jukka P，et a1.hnpacts ofdis砸buted photov01taics on neMork voItages： stoch嬲tic siInulations of mree Swedish low—voltage dis曲ution鲥ds[J].Elec证c Power systems Research， 2010，80(12)： 1562—1571.
【8】 周林，晁阳，廖波，等.低压网络中并网光伏逆变器调压策略【J].电网技术，2013，37(9)：2427—2432. Zhou Lin，Chao Y缸g，Liao Bo，et a1.A voltage regulation stmtegy by鲥“oIlIIected PV inVerters in low—Vol诅ge n咖orks[J]_Power Syst锄Techn0109y，2013，37(9)：2427—2432(in chiIlese).
【9] 陈权，李令冬，王群京，等.光伏发电并网系统的仿真建模及对配电网电压稳定性影响[J】.电工技术学报，2013，28(3)：241—247. chen QIlall，Li Lingdong，w锄g Q眦j吨，et a1.si舢lation model of photoVoltaic g锄eration鲥d—conllected syst锄and砥impacts on voltage st￡lbility in dismbution grid【J】.Th璐ac石ons of china Elec仃otechnical Society，2013，28(3)：241.247(in ClliIlese).
