光伏并网对电力系统运行特性影响的分析

摘要：大量同步电机被光伏所取代，高渗透率水平会显著影响系统的稳态和暂态特性，光伏大规模并网引起了人们对电力系统可靠和安全运行的新关注，其对电力系统的确切影响仍有待充分的研究。通过综合研读关于光伏发电接入对电力系统运行特性影响的文献，对此领域的研究现状进行了全面的分析和梳理。

关键词：光伏；电力系统；运行特性；渗透率 引言

人类对清洁可再生能源的需求，带动了太阳能和风力发电的迅速发展。以大规模新能源为标志的电力系统新时代即将到来。研究表明，地表每秒大约接收MW太阳光辐照，足够全世界的用电量。中国最大的光伏电站发电容量为820MW，位于宁夏盐池县，位居世界第二。世界最大的光伏电站容量为940MW，位于阿联酋阿布扎比[1]。更多关于大规模光伏电站的发展情况可以在文献[1]中查阅。光伏发电大规模并网引起了人们对电力系统可靠和安全运行的新关注。由于光伏发电具有不同于传统发电方式的显著特性，随着其接入量的增加，大量的同步电机可能被光伏所取代，高渗透率水平会显著影响系统的稳态和暂态稳定性，其对电力系统的确切影响仍有待充分的研究。 1 光伏并网带来的挑战

尽管光伏发电有众多的益处，但其并网后可能会对电力系统产生潜在的负面影响。光伏并网后的技术问题进大致可以分为调度运行、热备用、频率调节、电压稳定、功角稳定等方面。

电力系统经济调度是一个成熟、广泛的领域，但是太阳能具有间歇性特点，所以未来的电力系统既要预测负荷，也要预测光伏出力。随着光伏高渗透率的接入电力系统，传统的电力系统调度运行会不可避免的发生变化。

在电力系统暂态稳定和频率调节方面，光伏高渗透率并网的主要问题是其零惯量特性，其接入系统后势必会减小系统的转动惯量，在一个惯量逐渐减小的系统中，相同的扰动会引起更大的转角分离，从而需要更大的恢复能力才能把同步电机拉回平衡点。所以，光伏并网会对同步电机保持稳定运行带来巨大的压力。

此外，光伏并网渗透率的提高会导致系统中带有自动电压调节功能的同步电机数量减少，动态无功支撑功能的减少也会影响系统稳定。无功缺失会产生光伏并网后的电压稳定问题。 2 光伏并网对电力系统的影响 2.1 无功电压特性、电压稳定性

在我国，大规模光伏电站主要规划在青海、甘肃等西北地区，但是，这些地区负荷水平和短路容量较低，因此大规模光伏电站的输出功率必须通过高压远距离输电输出到东部发达地区。

由于光伏发电的波动性，电网的无功平衡将受到干扰，母线电压将沿长的传输通道波动，同时，大多数现有光伏电站的无功功率支撑能力可能会导致过电压和电压不稳定。

文献[2]的研究成果表明根据渗透率高低的不同，大规模光伏并网对系统电压稳定性会有积极或消极的影响。在文献[3]中学者对接入大规模光伏电站后的安大略省电力系统的静态稳定性进行了研究，在研究中考虑了不同渗透率水平的光伏并网，最高可达2000MW，研究结果表明大规模光伏集中并网对当地电力系统有负面的影响。

文献[4]对光伏并网后的电压幅值、动态电压稳定性进行了分析，并且考虑到了从0%到16%的不同渗透率，其研究结果表明光伏取代同步电机并网后会对系统电压幅值产生消极影响，系统动态电压稳定性会恶化，并网渗透率越高，影响越严重。在文中作者提出了恒功率因数控制、自动电压调节等一系列消除电压波动的措施。 2.2频率特性

有功率频率特性是影响大规模光伏并网发电的最主要因素。

光伏发电输出功率在短期内频繁大幅度波动，会对电网有功功率平衡产生重大影响，影响电力系统一、二次调频，也会影响有功功率的经济调度。此外，频率超限的风险也将增加。在某些紧急情况下，光伏功率快速波动也会导致频率快速变化，并进一步触发低频减载、过频跳闸和保护误动等紧急情况。

由于大规模光伏并网，电力系统的备用容量优化策略将有所不同，这也对光伏发电和常规发电机组的有功-频率协调控制提出了新的要求。调频参数的整定还要适应多种类型的信号源。

另一个问题是，光伏系统是一个静态源，没有惯量。随着越来越多的常规发电机组被大规模光伏替代，大容量电力系统的有效惯量将减小，从而使系统应对电力短缺和频率波动的能力变差。同时，与光伏发电共存的同步电机将被迫提供更多的转矩和惯量，以消除一些失稳事故，这可能进一步引起频率失稳问题。普遍认为，光伏发电的零惯量特性可能会对系统的频率稳定性产生不利影响。 3 结语

以上提出的影响大规模光伏与电力系统相互作用的因素是我国和其他国家发展大规模光伏面临的普遍挑战。然而，随着光伏电站规模的不断扩大，也带来了一些中国特有的挑战。中国特有的挑战主要是由电源结构和负荷分布不均造成的。此外，考虑到在时间和空间分布上的互补性，太阳能、风能和常规热电联合发电可以有效降低光伏发电量的波动性。因此，提高大规模光伏发电消纳的关键技术有待解决。

参考文献：

[1]Wiki-solar,the authority on utility-scale solar power[OL].Available: ?http://wiki-solar.org?. [2]Eftekharnejad S,Vittal V,Heydt GT,Keel B,Loehr J.Impact of increased penetration of photovoltaic generation on power systems[J].IEEE Trans Power Syst 2013;28(1):893–901. [3]Tamimi B,Canizares C,Battacharya K.System stability impact of large-scale and distributed solar photovoltaic generation:the case of Ontario[J].IEEE Trans Sustainable Energy2013;4(3):680–8. [4]Tan YT,Kirschen DS.Impact on the power system of a large penetration of photovoltaic generation[C].IEEE Power Eng Soc Gen Meet 2007.