大规模光伏发电并网概率潮流计算及对电网的影响

大规模光伏发电并网概率潮流计算及对电网的影响

向亚奇

云南电网有限责任公司迪庆供电局,云南 迪庆， 674400

摘要：随着光伏发电在我国的快速发展，光伏发电已经成为电力系统的重要组成部分，并且随着光伏产业的快速发展，对于电网的影响也越来越大。光伏发电并网对电网潮流方向会有一定的影响，并且并网趋势随着光伏发电机组输出功率的增加。由于光伏电站发电功率与并网方向一致，因此可以将光伏发电与电网潮流方向相比较计算光伏发电并网概率。本文将对大规模光伏发电并网概率潮流计算及对电网的影响进行探究。

关键词：大规模光伏发电并网；概率潮流计算；电网

1 引言

电网的运行，包括电源、电网、用电、输配电、负荷等多个环节，其中用电环节中的电压稳定问题至关重要。光伏发电是当前快速发展的新型能源，是电力系统未来发展的重要方向之一，因此电网并网规划以及潮流计算问题成为研究和讨论热点。本文通过分析光伏发电并网概率潮流计算方法、潮流计算模型、计算结果在电网中应用情况进行分析研究。

2 光伏并网原理

光伏发电与常规电源不同的是光伏发电是把光伏转换成电能，并储存在蓄电池中。光伏逆变器主要由直流逆变模块、光伏电池组件、蓄电池、逆变器本体等组成。直流逆变器一般由两部分组成：直流变换器和逆变器本体。直流调速器作为光伏电输出部分的控制器；逆变器本体一般由蓄电池控制器等组成。在逆变器上通常接一个调速器用以控制逆变器电压，并通过调节PWM装置调节光伏逆变器电压实现光伏电站的发电能力。光伏发电系统主要由蓄电池、逆变器发电、蓄电池储能（充电/放电）电路组成。蓄电池通过逆变器给蓄电池充电时，蓄电池充电产生的电能储存在蓄电池容量里面，然后通过逆变器给蓄电池充电/放电）。逆变器产生的电能通过电缆传送到蓄电池与逆变器本体，而后进行电能交换、蓄电池充电后向蓄电池充电，并将直流电变为交流电向蓄电池充电。由于光伏发电系统中存在着交流电网和直流电网，在正常情况下整个电网是不稳定的；而光伏并网系统实际上就是在交流电网中由光伏电池阵列提供直流电（逆变器产生电能），再由直流电网输送到光伏发电系统中。

3 光伏发电系统潮流计算建模

3.1 光伏发电系统潮流计算模型的构成

光伏电池组件主要由光伏电池阵列、控制模块、逆变器组成。在潮流效应分析中，光伏发电装置的数学模型无需考虑其调节过程的动力学性质，而仅考虑其稳态输出的结果，也就是说，在给定的光照和环境温度输入条件下，基于光伏电池的特性和电流互感器的结构，将能够给出相应的输出电流。其具有以下3个特点：

(1)在光伏稳态模式下，该逆变器是以交流-直流侧的电力平衡方程；(2)在实现最大功率点追踪（MPPT）控制时，稳态模式的有功输出大致与当前光照强度、电池温度下的最大光伏功率（除了限制功耗控制）；(3)在稳态模型中，没有考虑各个闭环的调整过程。

因此，光伏发电的稳定模式包含两个方面，光伏发电系统被输入到电网的有功电力总是被维持在最大的功率点，这是通过MPPT控制来实现的。在潮流计算中，将光伏并网节点视为PQ结点，将其设为0。

3.2 基于MPPT控制的光伏发电系统潮流计算模型

在实际应用中，单个光伏电池输出电压较低，输出功率较低，为了满足大容量变换器的输入电压需求，通常采用多个光电组件串接，以提高输出电压，然后将多个并联的光伏组件组成光伏组件，从而提高系统的容量利用率。

4 含光伏发电的概率潮流计算及对电网的影响分析

4.1 含光伏的概率潮流计算概述

电力系统的潮流计算本质上是两个非线性方程，其结果与公式（2）相同。其中Y是节点注入功率，X是电网状态量，通常包含节点电压幅值和相角，Z是潮流计算的输出变量，支路潮流、网损、节点电压幅值之间的选择。

（1）

概率潮流计算中，由于注入功率矢量Y具有一定的随机性，其目标是利用随机变量的统计特性，求出系统状态变量X和输出变量Z的概率分布。通过对光电概率模型的分析，发现Beta分布可以较好地反映出光照强度的分布特征，其可以用公式（3）来表示。(其中G max为光照峰值，α，β为Beta分布拟合参数):

（2）

通过对并网光伏发电对电网潮流的影响进行分析，得出光伏发电的有功功率是随光照强度而变化的，其输出功率是0的。为保证计算精度，本文提出一种基于非连续蒙特卡洛算法的随机潮流算法。

4.2 考虑光伏电站出力相关性的概率潮流计算

由于光伏发电量的大小取决于日、地的移动，所以在考虑到多个光伏发电量时，地理位置接近的光伏发电量通常会存在很强的相关关系。在概率潮流的计算中，仍然使用蒙特卡洛取样法，并对拉丁超立方-Cholesky分解（LHS-CD）进行相关分析。以3个光伏发电场的接入为例，给出两个发电量的Spearman秩相关系数ρ12，ρ23，ρ13，可以得到如下公式（3）。

（3）

指定要产生的样本量，采用拉丁超立方取样法与Cholesky分解相结合的取样方法，其基本原理是：采用拉丁超立方法中的取样环节，分别产生一套反映每个发电量分布的光伏发电量，并在拉丁超立方算法的排序阶段，将相关系数信息导入到迭代过程中，只需不断地调整各个序列的顺序，以保证它们之间的一致性。这样，所得到的样品不仅能满足各个发电场的边界分布，而且还能保证发电量之间的相互关系。过程中的顺序值是指序列中实际数值的排序位置值（或升或降），而Spearman秩相关系数只与次序序列相关，而不受实际值的影响。

4.3 大规模光伏并网对电网潮流影响分析

大型光伏并网对电力系统的潮流影响主要表现在节点电压和分支电源上。本文选取三个影响因子，综合分析大型光伏并网对电网潮流的影响。

4.3.1 光伏接入容量

为了更好地分析比较光伏并网对各支路潮流的影响，采用概率潮流法求出的支路功率与未采用光伏并网时的支路功率之比作为标准差，以衡量各支路的有功分配情况，在不同的光伏接入情况下，进行越限概率的统计，而后用敏感性分析方法实现进一步的优化说明。

4.3.2 光伏接入点

通过对光伏接入点变化的预测，对不同接入点下的电网损耗进行预测，并对电网潮流的分布特征进行分析，以期为光伏接入点的选址提供参考。

4.3.3 光伏出力相关性

将发电功率相关度划分为高度相关、中度相关、低度相关3个级别。通过计算各相关系数下的电压和功率的概率密度分布，并对其变化幅度进行分析，得出各相关系数对电力系统潮流的影响。

结束语

总而言之，由于光伏系统容量过大，光伏发电站出力的相关性高，会导致节点电压、支路潮流变化过大，或者超出电网的极限，因此，需要特别注意光伏接入引起的节点和线路。在电压控制方面，应选用有较好的无功调整功能，或采用自动调压器。在实际运行中，要充分考虑各种影响因素，合理安排光伏电站的容量，提高消纳间断供电的能力，从而实现大规模集中的光伏并网。

参考文献

[1]杨晓东,张有兵,任帅杰,赵波,翁国庆,戚军.含高渗透率光伏发电并网型微网中的电动汽车优化调度方法[J].电力系统自动化,2016,40(18):15-23.

[2]索江镭,胡志坚,刘宇凯,张子泳.大规模光伏发电并网对互联电力系统阻尼特性的影响及其阻尼控制策略[J].西安交通大学学报,2015,49(02):99-105.

[3]孙浩,张曼,陈志刚,刘志文,谢小荣,姜齐荣.并网光伏发电系统的通用性机电暂态模型及其与电磁暂态模型的对比分析[J].电力系统保护与控制,2014,42(03):128-133.