顏湘武，梁白雪，賈焦心，王晨光

（華北電力大學 河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點實驗室，河北 保定 071003）

0 引言

近年來，含高比例光伏電網(wǎng)在遭受故障后，可再生能源機組會發(fā)生意外脫網(wǎng)事故[1]，[2]。因此，分析光伏發(fā)電機組對暫態(tài)頻率穩(wěn)定性影響時，不僅要關(guān)注光伏電源、逆變器等元件的暫態(tài)特性，還要關(guān)注光伏電站并網(wǎng)保護策略。

系統(tǒng)光伏滲透率低時，可再生能源機組不會影響系統(tǒng)整體的調(diào)頻能力，對系統(tǒng)影響較大的是光伏機組出力的波動性與不確定性。隨著可再生能源滲透率的提高，系統(tǒng)呈現(xiàn)電力電子化，改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的調(diào)頻特性[3]。同步機一次調(diào)頻響應存在延遲特性，擾動后的初始階段頻率變化取決于系統(tǒng)的慣量水平。光伏機組不具有旋轉(zhuǎn)設備，隨著光伏滲透率的提高，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量減少，遭受功率擾動后，頻率變化程度劇烈，可能會引起保護裝置動作而切除部分機組，進而引起連鎖反應，擴大事故嚴重程度[4]。與傳統(tǒng)同步發(fā)電機的機電耦合和同步運行機制不同，可再生能源通過電力電子換流器并入電網(wǎng)，換流器將電源和電網(wǎng)解耦，這使得光伏機組的輸出功率與頻率解耦，不響應系統(tǒng)頻率變化。為了最大效率的利用太陽能資源，光伏機組往往處于最大功率跟蹤模式，不具有備用功率平衡系統(tǒng)的有功功率。因此高滲透系統(tǒng)的一次調(diào)頻能力差[5]。除了光伏機組自身運行特性外，文獻[6]提出可再生能源機組中變流裝置的保護功能對電網(wǎng)調(diào)頻的影響。電網(wǎng)發(fā)生電壓或頻率波動時容易觸發(fā)可再生能源機組過壓過流保護而使機組脫離系統(tǒng)，相比同步發(fā)電機組，可再生能源發(fā)電機組更具有不確定性，使得系統(tǒng)遭受功率擾動后，電源側(cè)無法為電網(wǎng)提供必要的功率支撐，這將會嚴重影響到系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定。

為了深入評估高滲透率光伏并網(wǎng)對系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性的影響，文獻[7]，[8]通過對比觀察不同滲透率系統(tǒng)遭受擾動后，采用頻率最大偏移量和最大頻率變化率分析不同光伏滲透率下系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定水平。但是該方法僅能定性地判斷系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。文獻[9]認為暫態(tài)頻率失穩(wěn)的必要條件是機組因低頻保護跳閘而引起有功平衡惡化，提出了基于低頻保護臨界擾動功率的暫態(tài)頻率穩(wěn)定指標?？紤]了系統(tǒng)保護配置，并實現(xiàn)量化評估暫態(tài)頻率。但該指標僅從頻率尺度判斷系統(tǒng)頻率的偏移是否可接受，并不能反應頻率偏移的程度。文獻[10]提出用一組包含頻率偏移門檻值和最大可持續(xù)時間的二元表判據(jù)判斷暫態(tài)頻率偏移可接受性，并基于此判據(jù)給出頻率偏移可接受性裕度指標，實現(xiàn)量化評估頻率穩(wěn)定性，但該方法僅從時間尺度判斷系統(tǒng)頻率的偏移是否可接受，并不能反應頻率偏移的程度。上述方法均不能全面量化系統(tǒng)暫態(tài)頻率的可/不可接受程度。文獻[11]基于頻率對時間的累積效應提出新的頻率可接受裕度指標。但該方法無法區(qū)分持續(xù)時間長、偏移量小和短時間內(nèi)頻率嚴重跌落的頻率響應。文獻[12]進一步提出基于多二元表判據(jù)將頻率劃分為不同的頻段，并賦予不同的權(quán)重系數(shù)，從而構(gòu)造新的暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標，定量評估不同跌落深度的頻率響應。文獻[13]，[14]分別將指標擴展到含風電場的大電網(wǎng)和小電網(wǎng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性評估。然而這些方法均不計及正常波動范圍內(nèi)頻率偏移量，不能反應擾動瞬間頻率偏移程度；此外這些方法均沒有考慮無延時保護對應頻段權(quán)重系數(shù)的求取方法，不能量化因可再生能源機組保護跳閘引起有功平衡惡化所對應的嚴重跌落頻段。因此，無法精確評估含可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。

本文首先分析系統(tǒng)暫態(tài)頻率的變化機理，考慮光伏發(fā)電機與傳統(tǒng)同步發(fā)電機組運行特性的不同，結(jié)合并網(wǎng)型光伏發(fā)電站的涉網(wǎng)保護措施，得出并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對暫態(tài)頻率的影響機理；再延用不同頻段給予不同權(quán)重系數(shù)的思想，計及正常波動范圍內(nèi)的頻率偏移量，提出一種改進暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度評估指標，并明確權(quán)重系數(shù)的計算方法，實現(xiàn)全面、準確地量化不同滲透率下系統(tǒng)暫態(tài)頻率的穩(wěn)定性，并且針對各暫態(tài)頻率不穩(wěn)定的場景提出相應的改進措施。最后，在DIgSILENT PowerFactory15.1中搭建含光伏的IEEE39節(jié)點系統(tǒng)進行仿真，驗證了所提出影響機理的正確性以及評估指標的準確性與有效性。

1 光伏并網(wǎng)對系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定影響分析

電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定是指當系統(tǒng)遭受擾動后，系統(tǒng)中功率的供需平衡狀態(tài)被打破，而系統(tǒng)頻率不發(fā)生瞬跌也不長期懸浮于某一過低或過高數(shù)值。當系統(tǒng)突然出現(xiàn)功率缺額時，為了保證功率的平衡，同步發(fā)電機組會瞬間釋放轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動勢能，導致同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變慢，進而系統(tǒng)頻率降低；當系統(tǒng)中突然出現(xiàn)功率過剩時，多余的能力會儲存在同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子中，加大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，進而導致系統(tǒng)頻率升高。

為了維持頻率的穩(wěn)定，電力系統(tǒng)調(diào)頻措施包括發(fā)電機側(cè)的一次調(diào)頻、二次調(diào)頻以及負荷側(cè)的低頻減載。圖1為不同系統(tǒng)遭受相同負荷突增擾動后的頻率響應曲線。

圖1 系統(tǒng)暫態(tài)頻率響應曲線Fig.1 Transient frequency response curve of power system

圖中：fN為系統(tǒng)正常運行的標稱頻率；fUFLS為系統(tǒng)中低頻減載的首輪動作值。我國《GB/T 31464—2015電網(wǎng)運行準則》規(guī)定，所有一次調(diào)頻的負荷調(diào)整幅度應在15s內(nèi)達到理論計算的一次調(diào)頻最大負荷調(diào)整幅度的90%。系統(tǒng)發(fā)生功率不平衡1～2min，二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)啟動，將穩(wěn)態(tài)頻率偏差降至零，系統(tǒng)恢復至額定頻率允許值。然而一次調(diào)頻功能響應存在滯后現(xiàn)象，對應圖1的OX段。在傳統(tǒng)同步機系統(tǒng)中，此期間主要依靠發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量的作用緩解頻率的變化幅度。當頻率跌落嚴重時，系統(tǒng)會啟動第三道防線，采用低頻減載保護，這會造成用戶側(cè)發(fā)生停電事故。由于本文主要分析系統(tǒng)暫態(tài)頻率，時間較短，因此不考慮故障過程中系統(tǒng)的二次調(diào)頻。

光伏發(fā)電機不具備旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，不能為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動慣量支撐。當系統(tǒng)中光伏滲透率不斷的提高，電網(wǎng)調(diào)動旋轉(zhuǎn)備用發(fā)電單元的時間就越少，系統(tǒng)頻率變化率越大。同時，光伏機組不具有一次調(diào)頻能力，含光伏占比高的系統(tǒng)內(nèi)用于應對頻率波動和偏移的備用容量減少，導致故障后系統(tǒng)頻率偏移大。當滲透率進一步提高，系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)動慣量進一步減少，驅(qū)動系統(tǒng)頻率超過低頻減載動作值所需的功率變小。這容易觸發(fā)低頻減載保護動作，導致系統(tǒng)發(fā)生停電事故。系統(tǒng)遭受負荷突增擾動后，光伏并網(wǎng)點電壓迅速下降，光伏陣列輸出的有功功率迅速下降。逆變器無法將功率送入電網(wǎng)，導致逆變器直流側(cè)母線電壓迅速上升。由于光伏陣列采用MPPT控制追蹤最大功率點電壓，光伏陣列輸出電壓迅速下降，直至并網(wǎng)電壓恢復后才逐漸上升。這導致光伏陣列輸出有功功率在電網(wǎng)電壓跌落與恢復過程中振蕩加大，會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的有功功率與無功功率沖擊，需要較長時間的調(diào)節(jié)才能恢復至穩(wěn)定狀態(tài)。因此，為了保護逆變器，光伏機組配有高低電壓切機保護[15]。相比同步發(fā)電機，光伏機組的并網(wǎng)要求更高，即光伏機組耐受故障能力更差。含光伏發(fā)電機組的系統(tǒng)遭受故障時，往往會發(fā)生光伏機組意外脫網(wǎng)事故，加重系統(tǒng)中的功率缺額，進一步擴大事故嚴重性。

為了提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，根據(jù)《光伏發(fā)電站接 入 電 力 系 統(tǒng) 技 術(shù) 規(guī) 定》（GB/T19964—2012），當電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)時，大中型光伏機組應能保持并網(wǎng)運行，即具有高低電壓穿越能力。這使得光伏陣列輸出有功功率在電網(wǎng)電壓跌落時迅速下降，并在很短的時間內(nèi)恢復至穩(wěn)態(tài)輸出，在電網(wǎng)電壓恢復時未出現(xiàn)較大波動。但光伏發(fā)電機組不像同步發(fā)電機組一樣具有強勵磁功能，也不具有慣量支撐能力，因此在穿越故障時，有功功率輸出會迅速下降。隨著滲透率的提高，故障期間這部分功率缺額會加重，導致暫態(tài)頻率穩(wěn)定性變差。

2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模

并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的建模主要包括光伏電源模型、逆變器模型、并網(wǎng)模型3部分，如圖2所示。光伏逆變器采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)典型控制。

圖2 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)Fig.2 Grid connected photovoltaic power generation system

2.1 光伏電源

采用靜態(tài)發(fā)電機模擬的光伏發(fā)電機，光伏陣列由光伏組件串并聯(lián)構(gòu)成，光伏組件均采用最大功率跟蹤（MPPT）模式。整個光伏電站的有功功率輸出為單臺光伏發(fā)電機的有功功率輸出乘以并聯(lián)臺數(shù)，即：

式中：P為整個光伏發(fā)電站輸出的有功功率；VMPP，IMPP分別為光伏電池的最大功率點電壓和最大功率點電流；NS為光伏陣列中串聯(lián)的光伏組件數(shù)；NP為光伏陣列中并聯(lián)的光伏組件數(shù)；N為整個光伏發(fā)電站中光伏發(fā)電機的并聯(lián)臺數(shù)。

2.2 光伏電站的并網(wǎng)模型以及調(diào)頻措施

光伏發(fā)電站的并網(wǎng)保護措施需要考慮站內(nèi)逆變器等器件的具體要求，并與大電網(wǎng)的運行要求相適應。由GB/T19964—2012可知，當系統(tǒng)中頻率高達50.5Hz或低于48Hz時，光伏發(fā)電站立刻終止向電網(wǎng)線路送電，且不允許處于停運狀態(tài)的光伏發(fā)電站并網(wǎng)。不具備低電壓穿越能力的光伏機組并網(wǎng)點電壓處于額定電壓85%以下時，僅允許運行0.2s[16]。不具備高電壓穿越能力的光伏機組并網(wǎng)點電壓處于1.15倍額定電壓以上時，僅允許光伏電站并網(wǎng)運行0.1s。

根據(jù)GB/T19964—2012規(guī)定，大、中型光伏機組應具有一定的高低電壓穿越能力，如表1所示。

表1 光伏機組高、低電壓穿越能力要求Table1Requirements for high and low voltage ride through capability of photovoltaic units

具有高、低電壓穿越能力的光伏機組，能減少故障期間光伏機組脫網(wǎng)事故，但不能改變光伏機組低慣量、弱阻尼、不具有一次調(diào)頻能力的特性，對系統(tǒng)的有功功率支撐能力仍低于同步發(fā)電機組的有功功率支撐能力。隨著光伏機組滲透率升高，占用了部分常規(guī)同步機組，故障期間電源側(cè)有功功率支撐能力不斷下降，加大了系統(tǒng)頻率的不穩(wěn)定性。而儲能系統(tǒng)具有快吐吶能量的能力，為光伏電站配置儲能裝置，使得光伏機組具有一次調(diào)頻能力，提高光伏發(fā)電站故障期間對系統(tǒng)有功功率的支撐作用，提升含光伏機組系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性[17]。本文中光伏機組附加的儲能裝置采用有功頻率一次下垂控制，下垂系數(shù)與被替換的同步發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率相同[18]。

3 改進的暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標

在工程實際中，常利用暫態(tài)頻率偏移某一閾值的持續(xù)時間是否超過給定值來判斷暫態(tài)頻率的穩(wěn)定性，即采用包含頻率門檻值以及最大偏移持續(xù)時間信息的二元表判據(jù)判斷暫態(tài)頻率偏移可接受性。為了量化頻率偏移程度，考慮不同頻率跌落深度對頻率穩(wěn)定性的影響，可基于多二元表判據(jù)（fcr.1，Tcr.1），（fcr.2，Tcr.2）…（fcr.n，Tcr.n）將 頻 率 劃 分 為 不同的頻段，并賦予不同的權(quán)重系數(shù)，構(gòu)造暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標[19]，如圖3所示。此頻率響應曲線落在不同的頻段內(nèi)，各頻段對應不同的權(quán)重系數(shù)。

圖3 基于多二元表的加權(quán)量化分析Fig.3 Weighted quantitative analysis based on multiple twoelement tables criterion

為了量化評估不同光伏滲透率下系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，本文構(gòu)造了改進暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標η，即：

式中：t0為系統(tǒng)遭受擾動后頻率跌落的初始時刻；為頻率下降過程中低于fcr.i的時刻；為頻率恢復過程中高于fcr.i的時刻；tN為頻率恢復至fN或仿真結(jié)束的時刻；Ki為頻率落在第i個頻率所對應的權(quán)重系數(shù)，即K0，K1…Kn分別為頻率落在（fN，fcr.1），（fcr.1，fcr.2）…（fcr.n，-∞）頻段的權(quán)重系數(shù)。

當η=1時表示系統(tǒng)未遭受擾動，頻率不發(fā)生偏移；0＜η＜1時，表示暫態(tài)頻率發(fā)生偏移但屬于穩(wěn)定范圍，η越接近1時，表明系統(tǒng)暫態(tài)頻率越穩(wěn)定；η=0為臨界穩(wěn)定狀態(tài)；η＜0時，暫態(tài)頻率不穩(wěn)定，η越小，暫態(tài)頻率穩(wěn)定性越差。

本文提出的改進指標考慮了處于正常波動范圍內(nèi)的頻率偏移量，即式中的第一個積分（頻率開始跌落但未觸及第一個二元表）和最后一個積分。文獻[14]認為這部分頻率波動不需要考慮，但在頻率跌落的初期，由于發(fā)電機的調(diào)頻響應滯后，得依靠系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量進行頻率調(diào)整。對于含不同光伏占比的系統(tǒng)而言，它們之間的轉(zhuǎn)動慣量具有很大的差異，因此計及這部分跌落值更能準確地量化評估不同光伏占比對暫態(tài)頻率穩(wěn)定性的影響。圖3中的曲線1，2表示遭受相同的擾動后，含不同光伏占比系統(tǒng)的暫態(tài)頻率響應曲線。若采用文獻[14]暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標進行量化評估，曲線1，2代表的暫態(tài)頻率都為1，但實際上曲線1的暫態(tài)頻率比曲線2的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性高。

為反映系統(tǒng)頻率恢復過程中，偏移幅度小但持續(xù)時間長的情況，本文構(gòu)造了式（2）的最后一個積分。根據(jù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行導則的要求，在緊急情況下，系統(tǒng)頻率低于49.5Hz的持續(xù)時間不得超過10min?？紤]到本文中低頻減載的首輪動作值為49Hz，延時0.2s。而系統(tǒng)頻率一旦跌落至48Hz時，光伏機組啟動瞬時切機保護。因此按頻率穩(wěn)定安全要求和本文重點關(guān)注的頻率控制措施，可以將暫態(tài)頻率響應曲線劃分49.5～50Hz，49～49.5Hz，48～49Hz以 及48Hz以 下4個 區(qū) 間，分 別 賦 予 權(quán) 重K0，K1，K2，K3。權(quán) 重 系 數(shù) 的 求 取 關(guān) 鍵在于確定每個區(qū)間范圍的臨界穩(wěn)定狀態(tài)，使得當頻率不滿足某一具體要求時指標結(jié)果大于1，并且可以區(qū)分不同頻段范圍內(nèi)的頻率偏移。對于頻率偏移量很小的頻段，其臨界穩(wěn)定情況為頻率跌至首個二元表頻率閾值（fcr.1）的時間正好為最大持續(xù)時間（Tcr.1）。因此結(jié)合頻率的累積效應，該頻段的權(quán)重系數(shù)表達式為

其它頻段的權(quán)重系數(shù)計算方法與文獻[14]中計算方法相同，因此不再論述。需要注意光伏機組的低頻保護，即頻率一旦跌落至48Hz時，光伏機組便啟動瞬時切機保護。用二元表判據(jù)表示即為（48，0），采用上述方法無法獲得落于48Hz以下頻段的頻率權(quán)重系數(shù)?？紤]落在該區(qū)間的頻率屬于嚴重跌落范圍，為明顯區(qū)分頻率跌落至48Hz以下與未跌落至48Hz的頻率響應曲線的穩(wěn)定裕度指標，本文K3取100。該數(shù)值可根據(jù)不同系統(tǒng)的情況進行調(diào)整。

本文各頻段以及對應的權(quán)重系數(shù)如表2所示。

表2 各頻段劃分及權(quán)重系數(shù)計算Table2Frequency band and weight coefficients

綜上所述，本文采用的暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標可表示為

采用IEEE39節(jié)點算例系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 IEEE39節(jié)點系統(tǒng)圖Fig.4 IEEE39node system diagram

式 中：m，n，p分 別 為 頻 率 落 在49～50Hz，48～49 Hz，48Hz以 下 頻 段 的 分 布 時 間 點 集；nm，nn，np為各點集對應的時間點個數(shù)；Δt為系統(tǒng)采樣時間間隔。

4 仿真分析

為保持原系統(tǒng)中各節(jié)點注入有功功率不變，通過直接關(guān)閉同步發(fā)電機，并在同一位置用出力相同的附加儲能裝置光伏發(fā)電站進行替代，構(gòu)建含不同光伏滲透率的系統(tǒng)。不同滲透率下被替換的同步機組和進行替換的光伏機組以及系統(tǒng)等值參數(shù)如表3所示。系統(tǒng)中各同步發(fā)電機的參數(shù)見表4。各光伏發(fā)電系統(tǒng)等值機的參數(shù)見表5。

表3 不同滲透率下被替換的同步機組和進行替換的光伏機組以及系統(tǒng)等值參數(shù)Table3Corresponding table of replaced synchronous units and photovoltaic units under different permeability

表4 同步發(fā)電機參數(shù)Table4Parameters of synchronous generator

表5 光伏發(fā)電站參數(shù)Table5Parameters of photovoltaic power station

續(xù)表5

為了驗證本文光伏電站對電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性的影響以及構(gòu)建的改進暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標的準確性，仿真設置在不同滲透率場景下發(fā)生不同程度的負荷擾動，共13個場景。擾動的具體設置為系統(tǒng)正常運行至5s時，母線27處發(fā)生10%的負荷突增或母線03處發(fā)生20%的負荷突增擾動。

采用低頻減載如表6所示，其中各輪動作均延 時0.2s。

表6 低頻減載方案Table6Low frequency load shedding scheme

4.1 10%負荷突增

該擾動下共設置5種場景，如表7所示。系統(tǒng)的暫態(tài)頻率響應如圖5所示。暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標如表8所示。

表7 負荷突增10%的仿真場景Table7Simulation scenario of sudden load increase of10%

隨著滲透率的提高，系統(tǒng)慣性時間常數(shù)不斷減少、調(diào)頻能力變?nèi)酢D5中，場景1，2，3暫態(tài)頻率下降速率變快、跌落深度加大。由于光伏機組不能像火力發(fā)電機組一樣對電網(wǎng)提供無功支撐，系統(tǒng)中無功電源不足，隨著滲透率進一步增大，整體電壓水平下降。系統(tǒng)遭受同等負荷擾動時，不具有低電壓穿越能力的光伏機組會因低電壓保護發(fā)生脫網(wǎng)事故，如圖5中場景4。這會加大系統(tǒng)的功率缺額，導致系統(tǒng)頻率進一步下降，觸發(fā)低頻減載保護動作，造成停電事故。由圖5場景5的頻率響應曲線可以看出，當系統(tǒng)中光伏機組配備低電壓穿越能力后，光伏發(fā)電機組能保證并網(wǎng)運行，不發(fā)生連鎖故障，很大程度上改善了系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。場景5中光伏機組雖然具有高低電壓穿越能力，但系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量、一次調(diào)頻能力仍比場景1，2，3差，因此系統(tǒng)頻率跌落深度、跌落速度仍大于前3個場景。

圖5 不同場景下系統(tǒng)暫態(tài)頻率響應曲線Fig.5 Transient frequency response curve of system underdifferent scenarios

由表8的裕度指標可知，場景1對應的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性最好，最差的是場景4。由于場景2光伏滲透率很低，系統(tǒng)慣性時間常數(shù)、旋轉(zhuǎn)備用容量均略低于場景1，在遭受較小的負荷擾動時，頻率響應相差不大。若僅僅觀察頻率響應曲線，難以區(qū)分，根據(jù)本文的改進暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標可以量化得到它們的差異。由表8可知，場景2比場景1穩(wěn)定性下降了0.03%。場景1，2，3，5的暫態(tài)頻率偏移量較小，均處于可接受的波動范圍內(nèi)，若采用文獻[14]提出的穩(wěn)定裕度指標評價這4種場景，場 景1，2，3，5的 暫 態(tài) 頻 率 穩(wěn) 定 裕 度 值 均 為1，表明系統(tǒng)中不存在偏移現(xiàn)象，明顯與實際不符合。而本文提出的改進暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標值均大于0，但仍都小于1，表明系統(tǒng)頻率處于可接受范圍但出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。并且隨著滲透率的提高，頻率穩(wěn)定裕度指標越來越小，量化得出系統(tǒng)頻率偏移程度，準確評估頻率穩(wěn)定下降情況。場景4暫態(tài)頻率不穩(wěn)定，對應的改進指標為負值。因此，本文提出的改進暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標提高了不同光伏占比下系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定量化評估的準確性。

表8 不同場景下系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標Table8System transient frequency stability margin index under different scenarios

4.2 20%負荷突增

該擾動下共設置8種場景，如表9所示。系統(tǒng)的暫態(tài)頻率響應如圖6，7所示。暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標如表10所示。針對場景10，11出現(xiàn)的頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象，本文提出光伏和儲能配合運行來調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率。針對場景10的頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象，儲能裝置1配置在PV2并網(wǎng)點處（母線38處），記作場景12。針對場景11的頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象，在場景8的基礎(chǔ)上再增加一臺同等配置的儲能裝置2在PV3并網(wǎng)點處（母線33處），記作場景13。

表9 負荷突增20%的仿真場景Table9Simulation scenarios of sudden load increase of20%

表10 不同場景下系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標Table10System transient frequency stability margin index under different scenarios

續(xù)表10

圖6 不同場景下系統(tǒng)暫態(tài)頻率響應曲線Fig.6 Transient frequency response curve of the system under different scenarios

由圖6可以看出，隨著擾動強度加大，系統(tǒng)暫態(tài)頻率跌落明顯加大。場景6，7中的頻率均跌落至49.5Hz以下，但仍未觸及低頻減載保護的動作值。對應于表10中場景6，7的穩(wěn)定裕度值均為正值，并均小于表8中的場景1，2的穩(wěn)定裕度值。而場景8，9中由于被替代的同步發(fā)電機臺數(shù)多，系統(tǒng)中無功電源不足，暫態(tài)過程中光伏并網(wǎng)點母線電壓跌落，導致光伏機組的低電壓切機保護。光伏機組意外脫網(wǎng)加重了故障期間系統(tǒng)有功功率缺額，頻率快速跌落并引起系統(tǒng)中低頻減載保護動作，造成大的停電事故。對應于表10中場景8，9的穩(wěn)定裕度值均為負值。

同一滲透率下，由光伏機組低電壓穿越能力（場 景8，10；場 景9，11）對 比 可 知，在 同 樣 的 滲 透場景下，具有低電壓穿越能力的光伏機組系統(tǒng)能在故障期間，保證光伏機組并網(wǎng)運行。這使系統(tǒng)避免再一次遭受大的功率缺額沖擊，提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。表10中場景10，11的暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標均大于場景8，9的頻率裕度指標。

由表10中場景6與場景10，11的暫態(tài)頻率評估指標可以得出，3種場景下雖均不發(fā)生光伏機組意外脫網(wǎng)事故，但高滲透系統(tǒng)（場景10，11）由于轉(zhuǎn)動慣量、一次調(diào)頻能力差，遭受擾動后頻率跌落深度大于低滲透系統(tǒng) （場景6）。場景10，11下系統(tǒng)觸發(fā)低頻減載保護動作，導致停電事故。因而場景10，11的恢復頻率雖大于場景6，但場景10，11的暫態(tài)頻率均不穩(wěn)定，對應的暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標均為負值。

由圖7～9可知，附加儲能裝置的光伏機組參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻，提高了光伏電站擾動期間對系統(tǒng)有功功率的支撐作用，從而改善了系統(tǒng)頻率響應，使得高滲透率系統(tǒng)的暫態(tài)頻率響應與全同步發(fā)電機系統(tǒng)的暫態(tài)頻率響應基本一致，提高了系統(tǒng)光伏消納能力。由表10的改進暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標可知，場景12，13與場景6的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性相差不超過0.05%，且場景12，13的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性≤場景7的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。這表明光伏具有低電壓穿越能力，附加調(diào)頻措施后，能有效提高含高滲透率光伏系統(tǒng)的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。

圖7 不同滲透率下光伏配置儲能后系統(tǒng)暫態(tài)頻率響應曲線Fig.7 Transient frequency response curve of photovoltaic system with a energy storage device under different PV permeability

圖8 場景12中PV2有功輸出和光伏與儲能有功總輸出Fig.8 Active outp.u.t of PV2and total active outp.u.t of PV and energy storage in scenario12

圖9 場景12中儲能裝置1的有功功率輸出Fig.9 Active power outp.u.t of energy storage device1in scenario12

5 結(jié)論

本文從光伏機組自身運行特性、保護控制特性、故障穿越特性角度，分析了并網(wǎng)型光伏電站對系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性的影響，并給出提高暫態(tài)頻率穩(wěn)定性的措施。結(jié)合改進暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標，量化評估不同光伏占比下系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。①光伏替代同步機組后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量減少、一次調(diào)頻能力變?nèi)?，使得系統(tǒng)遭受故障后頻率跌落速率與深度都變大。光伏機組電壓異常耐受能力比同步發(fā)電機差，系統(tǒng)遭受擾動時容易發(fā)生意外脫網(wǎng)，加大事故嚴重程度。②具有低穿能力的光伏機組能減少機組脫網(wǎng)事故，防止系統(tǒng)遭受更大的功率缺額沖擊，與不具有低穿能力光伏機組相比，提升系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性約95%。光伏具有低穿能力后，故障期間對電網(wǎng)有功功率的支撐能力仍不及同步發(fā)電機組。而配置儲能裝置的光伏電站能參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，增大光伏電站對電網(wǎng)有功功率的支撐作用，可讓高滲透系統(tǒng)與全同步機組系統(tǒng)的暫態(tài)頻率穩(wěn)定指標相差不超過0.05%。③結(jié)合系統(tǒng)頻率安全運行要求和光伏機組保護措施，細化了各頻段的權(quán)重系數(shù)，給出系統(tǒng)允許波動頻段（49.5～50.5Hz）和無延時切機保護對應頻段（＜48Hz）的權(quán)重系數(shù)，適用于含不同并網(wǎng)保護措施的光伏系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性評估。④改進的暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標計及±0.5Hz內(nèi)的頻率偏移量，不僅能定量評估頻率偏移量小的低光伏占比系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性，還能區(qū)分偏移量小、持續(xù)時間長和偏移量大、持續(xù)時間短的頻率響應，提高了不同光伏占比下暫態(tài)頻率穩(wěn)定性評估的準確性。