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1光伏并網對系統阻尼的影響

1.1測試系統本文選取IEEE16機68節點系統作為測試系統，其中16臺同步發電機采用經典6階模型，并全部安裝本地電力系統穩定器（PSS），系統負荷全部采用恒阻抗模型（詳細參數見文獻［11］），如圖3所示，本文測試平臺基于MATLAB／Simulink。在該系統中，區域1為新英格蘭系統，區域2為紐約系統，區域3～5為相鄰區域等值發電機。G13和G16承擔了系統主要電力供應，其容量分別為12GW和11GW，其有功出力分別為3．5GW和4GW。紐約系統為重負荷區域，其負荷總額為8．45GW，但該區域發電總額僅為6．28GW，因此需通過相鄰區域的遠距離輸電以填補此區域的有功缺額。

1.2光伏發電不同接入位置對系統阻尼特性的影響為研究光伏發電不同接入位置對系統阻尼特性的影響，本文分別將測試系統中容量最大的同步發電機G13與G16用等容量的光伏發電系統替代，替代前后的系統小干擾計算結果分別如表1和表2所示。由表1和表2對比可知，光伏發電系統并網后對系統振蕩頻率的影響遠小于對系統阻尼的影響。具體而言，當光伏發電系統替代同步發電機G13時，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。當光伏發電系統替代同步發電機G16時，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為原系統發電機功角在模式1、模式4、模式15情況下的參與因子。由圖可知，同步發電機G13在模式1的參與因子相對于其他模式較高，同步發電機G16在模式4的參與因子相對其他模式較高，這就解釋了光伏發電系統對不同振蕩模式影響大小的原因：光伏發電系統所替代的同步發電機在某模式下的參與因子越大，則該模式受光伏發電系統并網的影響則越大。仿真結果表明，該影響有可能是正面的，也可能是負面的。值得注意的是：由表1和表2對比發現，當光伏發電系統替代某臺同步發電機時，系統振蕩模式減少了一組。這表明光伏發電系統并不直接參與系統振蕩，而這一組模式的減少是由同步發電機的退出而造成的。統替代前后的系統部分振蕩模態圖。為使分析更為直觀，圖5中僅顯示了模值較大的模態。通過對圖5的分析可知，當光伏發電系統替代同步發電機后，系統的振蕩模態并無明顯變化，這進一步表明了光伏發電系統不直接參與系統機電振蕩，也不改變系統原有的振蕩模態。

1.3光伏發電滲透率對系統阻尼特性的影響通過上文分析可知，不同光伏發電系統接入位置對系統阻尼的影響不同，因此本文以接入位置節點65和節點68為例，分別取光伏滲透率為0％、5％、10％、15％、20％進行計算，系統關鍵模式的阻尼計算結果如圖6所示。圖6列舉了光伏發電系統在不同滲透率下變化較大的部分模式。從中可以發現，當光伏發電的接入位置不同時，隨著光伏滲透率的提高，對系統阻尼的正面影響或者負面影響將呈增大的趨勢。

1.4接入光伏對系統阻尼特性影響的機理研究通過上述分析可知，當光伏發電代替傳統同步發電機時，對系統阻尼的影響有可能是正面的，也可能是負面的。由上文分析可知，光伏發電系統不直接參與系統機電振蕩，因此其對系統阻尼的負面影響主要來源于其本身不具類似于同步發電機PSS的阻尼控制環節，而當其替代了安裝有PSS的同步發電機時，造成了系統阻尼出現一定程度的下降。為研究光伏發電系統對系統阻尼特性的影響機理，在最大功率點處，將容量為10MW的光伏發電動態模型和相同輸出功率的恒功率靜態模型接入測試系統的節點9與節點1，系統關鍵振蕩模式計算結果如表3所示。由表3可知，光伏發電系統采用動態模型和靜態模型對系統關鍵模式并沒有太大影響，這也進一步驗證了光伏發電不直接參與系統機電振蕩。接入光伏發電對系統的阻尼可能造成一定的正面影響，由于光伏發電對系統關鍵模態的影響很小，因此這種情況并不來源于光伏發電系統本身與相關同步發電機阻尼轉矩的相互作用，而是接入光伏發電改變了系統平衡點，進而引起系統潮流的變化，使得在某些情況下對系統的阻尼呈現出提升的現象。當這種影響超過了光伏發電系統因阻尼控制環節的缺失而引起的負面影響，會使得系統阻尼在某些情況下呈現上升趨勢。

2光伏發電系統的阻尼控制研究

由于受光照強度、占地面積等因素的影響，大規模光伏發電基地往往遠離負荷中心，需通過長距離輸電線路進行遠距離消納。由上文分析可知，高滲透率光伏發電接入電力系統后，由于缺乏類似于同步發電機PSS等設備，因此難以對光伏發電系統進行阻尼控制，可能會對系統阻尼造成一定的負面影響，這給系統安全穩定水平帶來了一定的隱患，增加了系統發生低頻振蕩的危險。以本文測試系統為例，光伏發電系統接入節點68，替代同步發電機G16向區域2進行遠距離送電。當區域2中輸電線路1－30末端在0．1s發生三相短路故障，在0．2s時該故障清除，則區域聯絡線52－50的有功響應如圖7所示。由圖7可知，接入光伏發電后降低了系統的穩定水平。目前常用的辦法是在光伏發電基地安裝柔性交流輸電系統或者儲能設備，這無疑大幅增加了安裝、運行以及維護成本。考慮到目前廣域測量系統在電力系統的廣泛應用，本文將精密測量單元所采集的系統重要數據通過反饋控制環節引入光伏發電的有功控制系統，這給光伏發電系統的阻尼控制提供了一個新的思路。圖8為本文提出的光伏發電系統阻尼控制策略，該策略在不改變原光伏發電系統PQ解耦控制的基礎上，在有功控制信號電壓參考值處引入一個反饋控制環節，以實現光伏發電系統的阻尼控制。圖9為光伏逆變器存在的3種結構形式。采用圖9a所示的逆變器結構雖控制靈活方便，但在實際運行當中會造成一定的電能質量問題，因此目前光伏并網大多采用如圖9b所示的逆變器結構，而圖9c融合了低成本與高質量的電能輸出的優點，因此成為了未來并網逆變器結構的發展趨勢。圖8所采用的控制策略僅針對圖9a和圖9c兩種光伏逆變器結構所設計。對于圖9b型結構光伏逆變器，仍可采用如圖8所示的控制結構，在設計過程中，需考慮到不同控制器之間的參數協調問題，其設計方法與同步發電機之間PSS協調控制設計方法類似，可參考相關文獻［13］，本文不再贅述。對于圖9a和9c兩種光伏逆變器結構，其阻尼控制器設計方法如下：首先選取聯絡線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所示的光伏發電有功控制環上。根據電力系統低頻振蕩基本特性，系統阻尼比越大，其受擾后振蕩衰減到穩態所需的次數越少，即系統動態性能越好。因此，在對光伏發電系統加入如圖8所示的阻尼控制環節后，應使系統中存在的較小阻尼比提升至穩定范圍，故控制器參數可采用下式確定。圖10為采用本文控制策略前后，區域聯絡線52－50在與圖7相同故障下的有功響應。該圖表明，采用本文控制策略能有效實現光伏發電系統阻尼控制，這降低了光伏并網對系統安全穩定水平可能帶來的負面影響，提高了互聯電力系統對光伏發電系統的接納能力。

3結論

（1）大規模光伏發電系統并網后，會對系統阻尼特性造成一定的影響，其中對系統振蕩頻率的影響遠小于對系統相關模式阻尼比的影響，并且所替代的同步發電機在某模式下的參與因子越大，該模式所受的影響則越大。（2）光伏發電接入系統因接入位置的不同，隨著滲透率的提升，系統阻尼呈現增大或者減小的趨勢，其正面影響主要原因來源于光伏發電系統對潮流的改變，其負面影響主要來源于光伏發電系統缺乏類似于同步發電機PSS的阻尼控制環節。（3）大規模光伏發電系統并網雖然對系統阻尼特性有一定影響，但并不直接參與同步發電機直接的機電振蕩，并且在光伏發電并網前后不改變原有同步發電機之間的振蕩模態。（4）利用WAMS信號，將系統重要數據通過反饋控制環節引入光伏發電的有功控制系統是提高光伏發電系統阻尼的有效辦法，降低了光伏并網對系統安全穩定水平可能帶來的負面影響，提高了互聯電力系統對光伏發電系統的接納能力。

作者：索江鐳胡志堅劉宇凱張子泳單位：武漢大學電氣工程學院西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室