新能源光伏接入弱电网引起电网振荡分析

新能源光伏接入弱电网引起电网振荡分析

王文娟

国网阿坝供电公司 四川阿坝 624000

[摘要]：受光照及地域影响，我国大规模光伏多分布在西部高原地带，而该地区电网系统多比较薄弱，随着新能源不断的发展，光伏弱电网接入引起电网振荡问题越来越突出。本文从光伏并入弱电网振荡实际案例出发，根据电网逆变器和锁相器弱电网的控制特性，从有功和无功角度分析光伏并网引起电网振荡的原因，并根据分析结果提出相应的控制措施。

[关键词]：新能源光伏、弱电网、逆变器、有功、无功

0引言

常规的水轮发电机或者汽轮发电机有转子，有比较大的旋转惯量，功角特性比较明显，而光伏是由直流经变流器逆变为交流并网，没有转子，功角特性比不明显。但是在电网实际运行时确实发生了光伏并入弱电网时频率在50±0.2赫兹内频繁波动，电压在0.9-1.1pu内频繁波动。

一、基本介绍

（一）实例参数

某光伏电站总装机20MW，由40台500kW变流器逆变交流后升压至35kV,经20条集电线路汇集到升压站，最后经110kV线路并入某地区电网，枯大方式下PCC处短路电抗为17Ω。振荡发生时故障录波如图2所示。

图1光伏电站并网图

图2光伏电站故障录波图

（二）弱电网接入

短路比： (1)

Xg为电网等值阻抗；Un为电网电压额定值；Sn光伏容量。弱交流系统通常至SCR接入2-3之间，当SCR小于2时为极弱交流系统。

该单相并网逆变器并联系统等效模型。

图3光伏电站等效阻抗图

枯大方式下：

SCR值接近3，因此该光伏电站接入的电网不强。

（三）PWM整流器四象限运行

为简化分析忽略交流侧电阻侧电阻，当以电网电动势为参考时，通过控制交流电压矢量V即可实现PWM整流器的四象限运行。若假设I不变，因此VL=IX也固定不变，在这种情况下PWM整流器交流电压矢量V端点运动轨迹构成一个以IX为半径的圆，当电压矢量短点位于轨迹A点时，电流矢量I滞后E 90°此时PWM整流器网测呈纯电感特性，当位于B点时电流I与E平行同向，此时PWM整流器电网侧呈正电阻特性，当位于C点时，电流I超前电电压 E 90°，此时PWM整流器电网侧呈纯电容性，当位于D点时，电流I与电流E平行反向，此时PWM整流器电网侧呈负电阻特性。

图4 PWM整流器四象限运行图

（四）功率不平衡分析

假设电压出现小扰动，就对浪涌电容充放电，并网变流器的有功输出功率分为阻尼分量和恢复分量来抑制这个扰动，阻尼分量和直流电压的偏移量ΔUdc是同一个相位，恢复分量滞后于阻尼分量 90°与直流电压偏移量的积分ΔUdc/s

图5功率扰动图 图6控制系统向量图

二、原因分析

（一）从有功角度考虑，长距离重负荷导致变流器控制系统弱阻尼。

输入功率不等于输出功率，会对浪涌电容充放电，浪涌电流充放电会导致电网功率波动。弱电网况下，电压对有、无功波动非常敏感。无功控制和锁相控制共同作用会使变流器控制系统角附加相角θ随着电网强度变弱而增大，最后大于等于90°。此时ΔP e 的位置被拉到了接近 IV 象限，致使总的阻尼分量为零或者负值，致使电网等幅振荡或者振荡发散。

图7扰动情况下控制系统向量图

（二）从无功角度考虑，换流器无功调整导致功角变化。

光伏未发电或者发电功率比较低时，光伏电站近端负荷从电网下网有功，逆变器出口电压低于电网电压，为满足电网电压要求，逆变器向电网输送感性功率。光伏满功率送出时，由于功率送出反向，逆变器出口电压远大于电网电压E, 为满足光伏并网点电压在合格范围内，SVG及逆变器会调整无功进而调整光伏并网点电压接近目标值电压。光伏发电功率由0逐渐增加时，SVG及逆变器有向电网输送感性无功逐渐变为从电网上吸收感性无功，如下图所示。

图8逆变吸收感性无功运行于II象限图

从变流器四象限图上可以看出，变流器由发出感性无功变为吸收感性无功会使变流器出口电压与电网电压相角δ增加，重功率送出时，I比较大，弱电网时X比较大，弱电网重功率送出时以IX为半径的圆比较大，从变流器四象限运行圆可以Ut大于可能大于 E 90°。

（2）

根据式（2）δ大于90°时，会导致电网失稳。

在光伏并网运行过程中可以发现，电网振荡一般发生在上午11时左右光伏出力逐渐增加至最大时，而下午16：00时光伏出力减少时从未发生过振荡。

另外弱电网接入时PCC点电压受附近其他光伏电站影响，波动比较大，会导致变流器在吸收无功和发出无功之间频繁波动，导致功角δ频繁变化。

（3）

功角δ变换时根据式（3）反应在电网中是某一个频次的频率，该频率跟控制回路的延时有关。

三、控制措施

(一)设计阶段适当扩大无功补偿SVG容量，恒定并网点电压相当于缩短并网电气距离，提高系统的动态稳定性。

（二）弱电网接入时，光伏逆变器参数设计、调试阶段要考虑并网的短路比。

（三）锁相器回路引入相角补偿，提高控制系统的阻尼。

参考文献：

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作者简介：

王文娟（1987-）女，汉族，本科生，工程师，主要从事电网稳定控制及无功电压管理等工作。