大規(guī)模集中式光伏匯納下電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的深度剖析與優(yōu)化控制策略一、引言1.1研究背景與意義在全球能源變革的大背景下，傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭和環(huán)境問(wèn)題的加劇，促使世界各國(guó)積極尋求可持續(xù)的清潔能源替代方案。太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，在眾多新能源中脫穎而出，受到了廣泛的關(guān)注和大力的發(fā)展。大規(guī)模集中式光伏匯納成為了太陽(yáng)能利用的重要形式之一，其發(fā)展勢(shì)頭迅猛，在電力系統(tǒng)中的占比不斷攀升。近年來(lái)，我國(guó)光伏裝機(jī)容量持續(xù)位居世界首位，且保持著高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。2023年我國(guó)集中式光伏電站累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到3.54億千瓦，同比增長(zhǎng)51.3%；截至2024年3月底，光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)容量6.6億千瓦，其中集中式光伏電站3.8億千瓦。大規(guī)模集中式光伏電站充分利用荒漠、戈壁、荒山等太陽(yáng)能資源豐富且空曠的地區(qū)進(jìn)行建設(shè)，所生產(chǎn)的電能通過(guò)高壓輸電系統(tǒng)遠(yuǎn)程輸送到負(fù)荷中心，在一定程度上緩解了能源分布不均衡的問(wèn)題，推動(dòng)了能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展。然而，大規(guī)模集中式光伏的接入也給電力系統(tǒng)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)，其中小干擾穩(wěn)定問(wèn)題尤為突出。小干擾穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在遭受微小擾動(dòng)后，能夠保持同步運(yùn)行且不發(fā)生非周期性失步或增幅振蕩，自動(dòng)恢復(fù)到起始運(yùn)行狀態(tài)的能力。它涉及系統(tǒng)中的眾多設(shè)備和廣泛區(qū)域，對(duì)系統(tǒng)能否有效發(fā)揮資源配置能力起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)光伏大規(guī)模接入后，由于其出力具有隨機(jī)性和間歇性，受光照強(qiáng)度、溫度等自然因素影響較大，這使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式更加復(fù)雜多變。光伏逆變器的快速控制特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性存在顯著差異，兩者相互作用可能會(huì)激發(fā)系統(tǒng)的低頻振蕩，降低系統(tǒng)的阻尼，進(jìn)而影響系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。若不能有效解決這些問(wèn)題，一旦系統(tǒng)發(fā)生小干擾失穩(wěn)，可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大面積停電事故，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。例如，在某些新能源滲透率較高的地區(qū)電網(wǎng)，已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)因光伏出力波動(dòng)引發(fā)的系統(tǒng)振蕩事件，嚴(yán)重威脅了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)含大規(guī)模集中式光伏匯納的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定進(jìn)行深入研究具有極其重要的意義。從保障電力供應(yīng)安全的角度來(lái)看，準(zhǔn)確分析光伏接入對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響，能夠幫助電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行人員提前識(shí)別潛在的穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，采取有效的預(yù)防措施，避免系統(tǒng)失穩(wěn)事故的發(fā)生，確保電力系統(tǒng)能夠可靠地為社會(huì)提供高質(zhì)量的電能。這不僅關(guān)系到電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，更關(guān)系到社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人民生活的穩(wěn)定。從促進(jìn)光伏能源消納的角度而言，提高電力系統(tǒng)對(duì)光伏的消納能力是充分發(fā)揮太陽(yáng)能資源優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。通過(guò)研究小干擾穩(wěn)定控制策略，能夠增強(qiáng)電力系統(tǒng)在含大規(guī)模光伏情況下的穩(wěn)定性，使得更多的光伏電力能夠順利并入電網(wǎng)并被有效利用，減少棄光現(xiàn)象，推動(dòng)可再生能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，促進(jìn)能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著大規(guī)模集中式光伏在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，其對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響及相關(guān)控制策略成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了一系列的研究成果，但仍存在一些有待進(jìn)一步深入探討和解決的問(wèn)題。在大規(guī)模集中式光伏匯納電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定分析研究方面，國(guó)外起步相對(duì)較早。早期研究主要聚焦于建立準(zhǔn)確的光伏電站模型，以深入理解光伏接入對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響機(jī)制。例如，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)1]基于狀態(tài)空間模型，詳細(xì)建立了光伏陣列、逆變器及其控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)特征值分析方法研究了光伏接入對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響，指出光伏逆變器的控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)阻尼特性有著顯著的作用。隨著研究的不斷深入，考慮多種復(fù)雜因素的小干擾穩(wěn)定分析方法逐漸成為研究重點(diǎn)。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)2]考慮了光照強(qiáng)度的隨機(jī)性和負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化特性，采用概率分析方法對(duì)含大規(guī)模集中式光伏的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，量化了不同因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響程度，為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了更為全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依據(jù)。國(guó)內(nèi)學(xué)者在這一領(lǐng)域也開(kāi)展了大量卓有成效的研究工作。在模型建立方面，不斷完善集中式光伏電站模型，提高模型的準(zhǔn)確性和適用性。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)3]針對(duì)傳統(tǒng)光伏電站模型在描述復(fù)雜工況下動(dòng)態(tài)特性的不足，提出了一種改進(jìn)的光伏電站模型，該模型考慮了光伏組件的老化特性以及溫度、光照強(qiáng)度的時(shí)空分布特性，通過(guò)與實(shí)際光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，顯著提高了模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的模擬精度。在小干擾穩(wěn)定分析方法上，結(jié)合國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)和發(fā)展需求，提出了一系列創(chuàng)新的分析方法。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)4]運(yùn)用模態(tài)分析方法，深入研究了集中式光伏接入后電力系統(tǒng)的振蕩模態(tài)特性，通過(guò)對(duì)不同振蕩模式的阻尼特性和參與因子分析，準(zhǔn)確識(shí)別出了對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性影響較大的關(guān)鍵振蕩模式和薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)控制策略的制定提供了有力的理論支持。在大規(guī)模集中式光伏匯納下的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定控制研究方面，國(guó)外主要側(cè)重于先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化。例如，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)5]提出了基于自適應(yīng)控制理論的光伏逆變器控制策略，該策略能夠根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化自動(dòng)調(diào)整逆變器的控制參數(shù)，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)在不同工況下的小干擾穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)6]將智能控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等應(yīng)用于光伏電站的功率調(diào)節(jié)和電壓控制中，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了較好的控制效果，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。國(guó)內(nèi)在小干擾穩(wěn)定控制方面也取得了豐富的研究成果。一方面，結(jié)合國(guó)內(nèi)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)7]針對(duì)我國(guó)大規(guī)模集中式光伏遠(yuǎn)距離輸電的特點(diǎn)，提出了一種基于廣域測(cè)量系統(tǒng)（WAMS）的協(xié)調(diào)控制策略，該策略通過(guò)實(shí)時(shí)獲取電網(wǎng)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)了光伏電站與電網(wǎng)中其他調(diào)節(jié)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，有效抑制了系統(tǒng)的低頻振蕩，提高了系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。另一方面，積極探索新的控制思路和方法。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)8]提出了基于能量函數(shù)的控制方法，通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)能量的分析和控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的有效提升，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制提供了新的視角和方法。盡管國(guó)內(nèi)外在含大規(guī)模集中式光伏匯納的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定分析與控制方面已經(jīng)取得了眾多研究成果，但仍存在一些不足之處。在小干擾穩(wěn)定分析方面，雖然現(xiàn)有研究已經(jīng)考慮了多種因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，但對(duì)于一些極端工況下，如大規(guī)模光伏電站同時(shí)遭受嚴(yán)重光照突變和電網(wǎng)故障時(shí)，系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性分析方法還不夠完善，缺乏對(duì)復(fù)雜故障場(chǎng)景下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的全面準(zhǔn)確描述。在小干擾穩(wěn)定控制方面，目前的控制策略大多是基于確定性模型設(shè)計(jì)的，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的不確定性和運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性考慮不夠充分，導(dǎo)致控制策略在實(shí)際應(yīng)用中的魯棒性和適應(yīng)性有待進(jìn)一步提高。此外，不同控制策略之間的協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題也尚未得到很好的解決，如何實(shí)現(xiàn)多種控制手段的有機(jī)結(jié)合，以達(dá)到最佳的控制效果，是未來(lái)研究需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。綜上所述，針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文將深入研究含大規(guī)模集中式光伏匯納的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定分析方法，充分考慮各種復(fù)雜因素和極端工況的影響，建立更加準(zhǔn)確全面的分析模型。同時(shí)，致力于研發(fā)具有高魯棒性和強(qiáng)適應(yīng)性的小干擾穩(wěn)定控制策略，通過(guò)優(yōu)化控制算法和實(shí)現(xiàn)多種控制策略的協(xié)同作用，有效提高電力系統(tǒng)在含大規(guī)模集中式光伏情況下的小干擾穩(wěn)定性，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更為可靠的保障。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)為深入剖析含大規(guī)模集中式光伏匯納的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定問(wèn)題，并提出切實(shí)有效的控制策略，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，力求全面、準(zhǔn)確地揭示問(wèn)題本質(zhì)，并在分析模型和控制策略等方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破。在研究方法上，本研究將采用特征分析法，這是基于線性模型研究小干擾穩(wěn)定性的重要方法，以狀態(tài)空間模型為描述基礎(chǔ)。通過(guò)將電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性用一組非線性微分方程組和代數(shù)方程描述，并在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)線性化獲得線性模型，進(jìn)而求解狀態(tài)矩陣的特征值。依據(jù)李雅普諾夫第一穩(wěn)定性定理，根據(jù)特征根的性質(zhì)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性。若線性化方程A矩陣的所有特征根實(shí)部均為負(fù)值，則系統(tǒng)穩(wěn)定；若至少有一個(gè)實(shí)部為正值的特征根，則系統(tǒng)不穩(wěn)定；若有零值或?qū)嵅繛榱愕奶卣髦担瑒t需計(jì)及泰勒級(jí)數(shù)高階項(xiàng)來(lái)判定。該方法能夠深入分析系統(tǒng)在不同運(yùn)行點(diǎn)的穩(wěn)定性，確定影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素和振蕩模式，為后續(xù)控制策略的制定提供理論依據(jù)。時(shí)域仿真法也是本研究的重要手段之一。此方法使用一組微分方程來(lái)描述電力系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)擾動(dòng)特性結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法，計(jì)算系統(tǒng)變量及其完整的時(shí)間響應(yīng)。雖然小干擾穩(wěn)定性問(wèn)題的本質(zhì)難以被時(shí)域響應(yīng)最大程度體現(xiàn)，且通過(guò)模擬仿真較難找出系統(tǒng)穩(wěn)定性下降的原因及改進(jìn)措施，但它能詳細(xì)計(jì)及系統(tǒng)所有元件的非線性特性，真實(shí)地反映系統(tǒng)在各種擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)行為，對(duì)驗(yàn)證特征分析法的結(jié)果以及評(píng)估控制策略的實(shí)際效果具有重要意義。在分析模型方面，本研究提出了考慮多種復(fù)雜因素的集中式光伏電站模型。現(xiàn)有模型在描述復(fù)雜工況下的動(dòng)態(tài)特性存在不足，本模型將充分考慮光伏組件的老化特性、溫度和光照強(qiáng)度的時(shí)空分布特性，以及逆變器在不同控制策略下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。通過(guò)引入這些因素，能夠更準(zhǔn)確地模擬集中式光伏電站在實(shí)際運(yùn)行中的各種情況，提高模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的模擬精度，為小干擾穩(wěn)定分析提供更可靠的基礎(chǔ)。在控制策略方面，本研究致力于研發(fā)具有高魯棒性和強(qiáng)適應(yīng)性的控制策略，并實(shí)現(xiàn)多種控制策略的協(xié)同優(yōu)化。針對(duì)現(xiàn)有控制策略大多基于確定性模型設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不確定性和運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜性考慮不足的問(wèn)題，提出基于自適應(yīng)控制理論和智能控制算法相結(jié)合的控制策略。自適應(yīng)控制理論能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)不同的運(yùn)行工況；智能控制算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等，具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，能夠處理復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。將兩者結(jié)合，能夠有效提高控制策略的魯棒性和適應(yīng)性。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化控制算法，實(shí)現(xiàn)多種控制手段如光伏逆變器控制、儲(chǔ)能系統(tǒng)控制和電網(wǎng)側(cè)調(diào)節(jié)設(shè)備控制的有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各控制手段的優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到最佳的控制效果，全面提升電力系統(tǒng)在含大規(guī)模集中式光伏情況下的小干擾穩(wěn)定性。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定基本概念小干擾穩(wěn)定，是指電力系統(tǒng)在遭受微小擾動(dòng)后，能夠保持同步運(yùn)行且不發(fā)生非周期性失步或增幅振蕩，自動(dòng)恢復(fù)到起始運(yùn)行狀態(tài)的能力。在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，微小擾動(dòng)無(wú)處不在，如負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)、發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的細(xì)微調(diào)整以及輸電線路因環(huán)境因素導(dǎo)致的參數(shù)變化等。這些看似微不足道的小干擾，若系統(tǒng)無(wú)法保持小干擾穩(wěn)定，就可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的惡化，甚至引發(fā)大面積停電事故，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全可靠供電。小干擾穩(wěn)定可進(jìn)一步細(xì)分為靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定兩個(gè)重要類別，它們從不同角度揭示了電力系統(tǒng)在小干擾下的穩(wěn)定特性。靜態(tài)穩(wěn)定主要聚焦于電力系統(tǒng)在小干擾作用下，不發(fā)生非周期性失步，進(jìn)而自動(dòng)恢復(fù)到起始運(yùn)行狀態(tài)的能力。它著重考慮系統(tǒng)在靜態(tài)條件下的穩(wěn)定性，通常不計(jì)及調(diào)節(jié)器的作用，采用較為簡(jiǎn)單的模型即可進(jìn)行計(jì)算分析。在研究靜態(tài)穩(wěn)定時(shí)，常以同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)作為關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)反映了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在受到小干擾后，恢復(fù)到同步運(yùn)行狀態(tài)的能力。當(dāng)同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)大于零時(shí)，系統(tǒng)具有正的同步轉(zhuǎn)矩，能夠抵抗小干擾的影響，保持靜態(tài)穩(wěn)定；反之，若同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)小于零，系統(tǒng)的同步轉(zhuǎn)矩為負(fù)，在小干擾作用下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子可能會(huì)逐漸偏離同步運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)失去靜態(tài)穩(wěn)定。例如，在一個(gè)簡(jiǎn)單的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生微小變化時(shí)，通過(guò)計(jì)算同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)，可以判斷系統(tǒng)是否能夠保持靜態(tài)穩(wěn)定。如果同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)為正，即使系統(tǒng)受到小干擾，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子也會(huì)在同步轉(zhuǎn)矩的作用下，逐漸恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)；若同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)為負(fù)，小干擾可能會(huì)引發(fā)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的持續(xù)加速或減速，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失步。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定則主要關(guān)注電力系統(tǒng)在小干擾作用下，由于阻尼轉(zhuǎn)矩不足，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)增幅振蕩，系統(tǒng)周期性發(fā)散失去穩(wěn)定的情況。它涉及到系統(tǒng)中各種動(dòng)態(tài)元件和調(diào)節(jié)控制器的作用，需要考慮更為復(fù)雜的模型才能準(zhǔn)確計(jì)算。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析的內(nèi)容豐富多樣，包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間因阻尼不足而引發(fā)的持續(xù)低頻功率振蕩、電力系統(tǒng)機(jī)電耦合相互作用導(dǎo)致的次同步振蕩及軸系扭振，以及考慮負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性和有載變壓器作用時(shí)的電壓動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題等。在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析中，阻尼轉(zhuǎn)矩起著至關(guān)重要的作用。阻尼轉(zhuǎn)矩能夠抑制系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)在受到小干擾后，振蕩幅值逐漸減小，最終恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)阻尼轉(zhuǎn)矩不足時(shí)，系統(tǒng)的振蕩幅值會(huì)不斷增大，導(dǎo)致系統(tǒng)失去動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。以一個(gè)包含多個(gè)發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)為例，在系統(tǒng)受到小干擾后，各發(fā)電機(jī)之間可能會(huì)產(chǎn)生相互作用，引發(fā)低頻振蕩。如果系統(tǒng)的阻尼轉(zhuǎn)矩足夠大，這種振蕩會(huì)在阻尼的作用下逐漸衰減；但如果阻尼轉(zhuǎn)矩不足，振蕩幅值會(huì)不斷增大，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)之間失去同步，系統(tǒng)發(fā)生解列。小干擾穩(wěn)定在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中占據(jù)著舉足輕重的關(guān)鍵地位。它是電力系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提條件。一個(gè)小干擾不穩(wěn)定的電力系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行中難以保障可靠供電，隨時(shí)可能面臨系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。小干擾穩(wěn)定與電力系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。從安全性角度來(lái)看，確保小干擾穩(wěn)定能夠有效預(yù)防系統(tǒng)因小干擾引發(fā)的連鎖故障，避免大面積停電事故的發(fā)生，保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，維護(hù)社會(huì)的正常生產(chǎn)和生活秩序。從可靠性方面而言，小干擾穩(wěn)定有助于提高電力系統(tǒng)的供電可靠性，減少因系統(tǒng)不穩(wěn)定導(dǎo)致的停電次數(shù)和停電時(shí)間，為用戶提供高質(zhì)量的電能。在經(jīng)濟(jì)性方面，保持小干擾穩(wěn)定可以優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低發(fā)電成本和輸電損耗，提升電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。例如，在一些新能源滲透率較高的地區(qū)電網(wǎng)，由于新能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性，對(duì)電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通過(guò)加強(qiáng)小干擾穩(wěn)定分析與控制，能夠提高系統(tǒng)對(duì)新能源的消納能力，降低棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化配置，促進(jìn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。2.2大規(guī)模集中式光伏匯納系統(tǒng)概述大規(guī)模集中式光伏電站作為太陽(yáng)能發(fā)電的重要形式，在全球能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程中發(fā)揮著日益關(guān)鍵的作用。其組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涵蓋多個(gè)關(guān)鍵部分，工作原理基于先進(jìn)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)特定的接入方式與電力系統(tǒng)緊密相連，在運(yùn)行過(guò)程中展現(xiàn)出獨(dú)特的特點(diǎn)。大規(guī)模集中式光伏電站主要由光伏組件、光伏逆變器、匯流箱、升壓變壓器以及監(jiān)控系統(tǒng)等部分構(gòu)成。光伏組件是電站的核心部件，通常由大量的太陽(yáng)能電池片串聯(lián)和并聯(lián)組成，常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池片包括單晶硅、多晶硅和薄膜電池等類型。以單晶硅電池為例，其具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，一般可達(dá)20%-25%，能夠有效地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電。眾多光伏組件按照一定的排列方式組成光伏陣列，以獲取更多的太陽(yáng)能輻射。光伏逆變器則是將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和工作原理的不同，可分為集中式逆變器、組串式逆變器和微型逆變器。在大型集中式光伏電站中，集中式逆變器應(yīng)用較為廣泛，其輸出功率大，技術(shù)成熟，能夠?qū)⒋罅坎⑿械墓夥M件連接到同一臺(tái)逆變器的直流輸入端，完成最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）并匯流成較大直流功率后再經(jīng)過(guò)逆變并入電網(wǎng)。匯流箱的作用是將多個(gè)光伏組件的輸出電流進(jìn)行匯集，然后輸送到逆變器，它能夠減少電纜的使用量，提高系統(tǒng)的可靠性。升壓變壓器用于將逆變器輸出的低電壓交流電升高到適合電網(wǎng)接入的電壓等級(jí)，常見(jiàn)的電壓等級(jí)有10kV、35kV等。監(jiān)控系統(tǒng)則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電站的運(yùn)行狀態(tài)，包括光伏組件的工作溫度、光照強(qiáng)度、逆變器的運(yùn)行參數(shù)等，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，確保電站的高效穩(wěn)定運(yùn)行。其工作原理基于光生伏特效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光照射到光伏組件上時(shí)，光子與半導(dǎo)體材料中的電子相互作用，使電子獲得足夠的能量從而脫離原子的束縛，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在光伏組件內(nèi)部的電場(chǎng)作用下，電子和空穴分別向相反的方向移動(dòng)，從而形成電流。這些直流電通過(guò)電纜傳輸?shù)焦夥孀兤鳎孀兤魍ㄟ^(guò)一系列的電力電子變換技術(shù)，將直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率和相位同步的交流電。以常見(jiàn)的三相橋式逆變器為例，它通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。轉(zhuǎn)換后的交流電經(jīng)過(guò)匯流箱匯集和升壓變壓器升壓后，最終并入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向電能的轉(zhuǎn)換和輸送。大規(guī)模集中式光伏電站在電力系統(tǒng)中的接入方式主要有兩種：一種是通過(guò)高壓輸電線路直接接入電網(wǎng)的變電站，這種接入方式適用于距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)的大型光伏電站，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模電能的遠(yuǎn)距離傳輸；另一種是通過(guò)中壓配電網(wǎng)接入，適用于規(guī)模相對(duì)較小、距離負(fù)荷中心較近的光伏電站，可直接為周邊的用戶供電。在實(shí)際運(yùn)行中，大規(guī)模集中式光伏電站具有顯著的特點(diǎn)。其出力具有明顯的隨機(jī)性和間歇性，受光照強(qiáng)度、溫度、云層遮擋等自然因素的影響較大。在晴天，光照充足時(shí)，電站出力較高；而在陰天或傍晚，光照強(qiáng)度減弱，電站出力則會(huì)大幅下降。其響應(yīng)速度較快，與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相比，光伏逆變器能夠快速跟蹤光照變化，實(shí)現(xiàn)功率的快速調(diào)節(jié)。光伏電站的運(yùn)行維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)便，主要集中在設(shè)備的定期巡檢和故障排查上，相較于傳統(tǒng)發(fā)電方式，其運(yùn)行成本較低。然而，大規(guī)模集中式光伏電站的集中接入也可能導(dǎo)致局部電網(wǎng)的電壓波動(dòng)和功率因數(shù)下降等問(wèn)題，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。2.3小干擾穩(wěn)定分析方法小干擾穩(wěn)定分析方法是研究含大規(guī)模集中式光伏匯納電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵工具，不同的分析方法從不同角度揭示系統(tǒng)在小干擾下的動(dòng)態(tài)特性，為保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供重要依據(jù)。2.3.1特征分析法特征分析法是基于線性模型研究小干擾穩(wěn)定性的重要方法，其理論基礎(chǔ)源于李雅普諾夫第一穩(wěn)定性定理。在實(shí)際應(yīng)用中，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可由一組非線性微分方程組和代數(shù)方程來(lái)描述，如式（1）所示：\begin{cases}\dot{\mathbf{x}}=\mathbf{f}(\mathbf{x},\mathbf{y})\\\mathbf{0}=\mathbf{g}(\mathbf{x},\mathbf{y})\end{cases}（1）其中，其中，\mathbf{x}為狀態(tài)變量向量，\mathbf{y}為代數(shù)變量向量，\mathbf{f}和\mathbf{g}分別為關(guān)于\mathbf{x}和\mathbf{y}的非線性函數(shù)。為了便于分析，通常在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)(\mathbf{x}_0,\mathbf{y}_0)處將上述方程進(jìn)行線性化處理。利用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，略去二次及以上高階項(xiàng)，得到線性化后的方程，如式（2）所示：\begin{cases}\Delta\dot{\mathbf{x}}=\mathbf{A}\Delta\mathbf{x}+\mathbf{B}\Delta\mathbf{y}\\\mathbf{0}=\mathbf{C}\Delta\mathbf{x}+\mathbf{D}\Delta\mathbf{y}\end{cases}（2）其中，其中，\mathbf{A}、\mathbf{B}、\mathbf{C}和\mathbf{D}為系數(shù)矩陣，\Delta\mathbf{x}和\Delta\mathbf{y}分別為狀態(tài)變量和代數(shù)變量在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)附近的增量。進(jìn)一步通過(guò)消去代數(shù)變量\Delta\mathbf{y}，可得到僅關(guān)于狀態(tài)變量增量的線性微分方程，如式（3）所示：\Delta\dot{\mathbf{x}}=\mathbf{A}_{eq}\Delta\mathbf{x}（3）其中，其中，\mathbf{A}_{eq}為等效狀態(tài)矩陣。在特征分析法中，狀態(tài)矩陣\mathbf{A}_{eq}的特征值\lambda_i（i=1,2,\cdots,n，n為狀態(tài)變量的維數(shù)）是判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)李雅普諾夫第一穩(wěn)定性定理，若\mathbf{A}_{eq}的所有特征值實(shí)部均為負(fù)值，即\text{Re}(\lambda_i)<0，i=1,2,\cdots,n，則線性化方程的解是穩(wěn)定的，進(jìn)而可推斷非線性系統(tǒng)也是穩(wěn)定的；若\mathbf{A}_{eq}至少有一個(gè)實(shí)部為正值的特征值，即存在j使得\text{Re}(\lambda_j)>0，則線性化方程的解是不穩(wěn)定的，非線性系統(tǒng)也不穩(wěn)定；若\mathbf{A}_{eq}有零值或?qū)嵅繛榱愕奶卣髦担瑒t需要計(jì)及泰勒級(jí)數(shù)的高階項(xiàng)才能準(zhǔn)確判定非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的二階系統(tǒng)，其狀態(tài)矩陣\mathbf{A}_{eq}=\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{bmatrix}，特征方程為\vert\lambda\mathbf{I}-\mathbf{A}_{eq}\vert=0，即\lambda^2-(a_{11}+a_{22})\lambda+(a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21})=0。求解該方程得到兩個(gè)特征值\lambda_{1,2}=\frac{(a_{11}+a_{22})\pm\sqrt{(a_{11}+a_{22})^2-4(a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21})}}{2}。通過(guò)判斷這兩個(gè)特征值的實(shí)部，可以確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若兩個(gè)特征值的實(shí)部均為負(fù)，則系統(tǒng)穩(wěn)定；若有一個(gè)特征值實(shí)部為正，則系統(tǒng)不穩(wěn)定。特征向量是與特征值密切相關(guān)的概念。對(duì)于矩陣\mathbf{A}_{eq}的每個(gè)特征值\lambda_i，存在對(duì)應(yīng)的右特征向量\mathbf{\Phi}_i和左特征向量\mathbf{\Psi}_i，滿足\mathbf{A}_{eq}\mathbf{\Phi}_i=\lambda_i\mathbf{\Phi}_i和\mathbf{\Psi}_i^T\mathbf{A}_{eq}=\lambda_i\mathbf{\Psi}_i^T。特征向量能夠反映系統(tǒng)在不同模態(tài)下的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，對(duì)理解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性具有重要意義。參與因子則用于衡量每個(gè)狀態(tài)變量對(duì)各振蕩模式的參與程度。在含m臺(tái)發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)中，機(jī)電振蕩模式通常為(m-1)個(gè)。通過(guò)計(jì)算參與因子，可以確定哪些狀態(tài)變量在特定振蕩模式中起主要作用，從而為系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和控制策略的制定提供關(guān)鍵信息。例如，在某電力系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算參與因子發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度和轉(zhuǎn)速對(duì)某個(gè)低頻振蕩模式的參與度較高，這意味著在分析和解決該振蕩問(wèn)題時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注這些狀態(tài)變量的變化，并針對(duì)發(fā)電機(jī)采取相應(yīng)的控制措施。在實(shí)際應(yīng)用中，特征分析法具有明確的物理意義和數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，能夠深入分析系統(tǒng)在不同運(yùn)行點(diǎn)的穩(wěn)定性，確定影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素和振蕩模式。然而，該方法依賴于系統(tǒng)的精確線性化模型，對(duì)于復(fù)雜的電力系統(tǒng)，模型的建立和線性化過(guò)程可能存在誤差，從而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，狀態(tài)矩陣的維數(shù)迅速增加，特征值計(jì)算的復(fù)雜度和計(jì)算量也會(huì)顯著提高。2.3.2時(shí)域仿真法時(shí)域仿真法是通過(guò)建立電力系統(tǒng)各元件的數(shù)學(xué)模型，利用一組微分方程來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。其基本原理是基于電力系統(tǒng)的物理特性，將系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路、負(fù)荷等元件以及各種控制裝置，如發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）等，用相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行精確描述。以發(fā)電機(jī)為例，常用的數(shù)學(xué)模型包括派克方程，它考慮了發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)過(guò)程和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，能夠準(zhǔn)確描述發(fā)電機(jī)在不同運(yùn)行工況下的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于變壓器，可以采用等效電路模型，通過(guò)描述其繞組電阻、電抗以及變比等參數(shù)來(lái)反映變壓器的電氣特性。輸電線路則可根據(jù)其長(zhǎng)度、導(dǎo)線參數(shù)等，采用分布參數(shù)模型或集中參數(shù)模型進(jìn)行描述。負(fù)荷模型則根據(jù)負(fù)荷的特性，分為靜態(tài)負(fù)荷模型和動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型，靜態(tài)負(fù)荷模型通常用功率-電壓關(guān)系來(lái)表示，而動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型則考慮了負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，如異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械暫態(tài)過(guò)程等。在進(jìn)行時(shí)域仿真時(shí)，首先需要根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立完整的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。然后，根據(jù)系統(tǒng)所受到的擾動(dòng)特性，如負(fù)荷的突然變化、發(fā)電機(jī)的出力調(diào)整、輸電線路的故障等，結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程進(jìn)行求解。常用的數(shù)值計(jì)算方法包括歐拉法、龍格-庫(kù)塔法等。以歐拉法為例，其基本思想是將時(shí)間軸進(jìn)行離散化，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)\Deltat內(nèi)，假設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)的變化是線性的，通過(guò)迭代計(jì)算來(lái)逐步求解系統(tǒng)變量在不同時(shí)刻的值。具體計(jì)算過(guò)程如下：已知系統(tǒng)在時(shí)刻t_n的狀態(tài)變量\mathbf{x}(t_n)，根據(jù)系統(tǒng)的微分方程\dot{\mathbf{x}}=\mathbf{f}(\mathbf{x},t)，可以計(jì)算出在時(shí)刻t_{n+1}=t_n+\Deltat的狀態(tài)變量近似值為\mathbf{x}(t_{n+1})\approx\mathbf{x}(t_n)+\Deltat\cdot\mathbf{f}(\mathbf{x}(t_n),t_n)。通過(guò)不斷重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，就可以得到系統(tǒng)變量在整個(gè)仿真時(shí)間段內(nèi)的完整時(shí)間響應(yīng)。時(shí)域仿真法在小干擾穩(wěn)定分析中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。它能夠詳細(xì)計(jì)及系統(tǒng)所有元件的非線性特性，真實(shí)地反映系統(tǒng)在各種擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)行為。通過(guò)時(shí)域仿真，可以直觀地觀察到系統(tǒng)變量，如發(fā)電機(jī)的功角、轉(zhuǎn)速、電壓，以及線路電流、功率等隨時(shí)間的變化情況，從而全面了解系統(tǒng)在小干擾作用下的暫態(tài)響應(yīng)過(guò)程。例如，在研究含大規(guī)模集中式光伏匯納的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性時(shí)，通過(guò)時(shí)域仿真可以清晰地看到光伏電站出力的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率和電壓的影響，以及系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)之間的相互作用和振蕩情況。然而，時(shí)域仿真法也存在一些不足之處。由于需要對(duì)大量的微分方程進(jìn)行數(shù)值求解，計(jì)算量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求較高，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。在仿真過(guò)程中，時(shí)間步長(zhǎng)的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率有著重要影響。如果時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的誤差較大，甚至出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定的情況；而如果時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)小，則會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。此外，通過(guò)時(shí)域仿真較難直接找出系統(tǒng)穩(wěn)定性下降的原因及改進(jìn)措施，需要對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析和研究。2.3.3其他分析方法簡(jiǎn)介頻域分析法是一種通過(guò)將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，進(jìn)而分析信號(hào)頻率特性的方法。在電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定分析中，頻域分析法主要基于傅里葉變換，將系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析，以揭示系統(tǒng)的頻率特性和振蕩模式。傅里葉變換的基本原理是將一個(gè)時(shí)域信號(hào)分解為不同頻率的正弦波和余弦波的疊加，從而得到信號(hào)在頻域的表示。通過(guò)分析信號(hào)在頻域的特性，如頻率成分、幅值和相位等，可以了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。例如，通過(guò)頻域分析可以確定系統(tǒng)中是否存在特定頻率的振蕩模式，以及這些振蕩模式的幅值和阻尼特性。頻域分析法適用于分析系統(tǒng)在不同頻率下的響應(yīng)特性，對(duì)于研究系統(tǒng)的諧振問(wèn)題和振蕩頻率特性具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但該方法需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換，計(jì)算量相對(duì)較大，且對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)的分析存在一定的局限性。模態(tài)分析法實(shí)質(zhì)上是一種坐標(biāo)變換，其目的在于把原物理坐標(biāo)系統(tǒng)中描述的相應(yīng)向量，轉(zhuǎn)換到“模態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)”中來(lái)描述。在電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定分析中，模態(tài)分析法通過(guò)求解系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，如固有頻率、阻尼比和振型等，來(lái)了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。其基本原理是將系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程在模態(tài)坐標(biāo)下進(jìn)行解耦，使得每個(gè)模態(tài)可以獨(dú)立進(jìn)行分析。通過(guò)模態(tài)分析，可以確定系統(tǒng)的主要振蕩模式和關(guān)鍵模態(tài)參數(shù)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)估和控制策略的制定提供重要依據(jù)。例如，在分析含大規(guī)模集中式光伏匯納的電力系統(tǒng)時(shí)，模態(tài)分析法可以幫助確定光伏接入對(duì)系統(tǒng)固有頻率和阻尼比的影響，以及系統(tǒng)中不同振蕩模式的振型分布情況。該方法適用于分析系統(tǒng)的固有特性和振蕩模式，但需要進(jìn)行較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性要求較高。三、大規(guī)模集中式光伏匯納對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響3.1建立含光伏的電力系統(tǒng)模型構(gòu)建一個(gè)包含光伏電站、輸電線路、負(fù)荷等元件的電力系統(tǒng)模型，是深入研究大規(guī)模集中式光伏匯納對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定影響的基礎(chǔ)。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，各元件之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，其運(yùn)行特性復(fù)雜多樣。通過(guò)建立精確的系統(tǒng)模型，能夠?qū)⑦@些復(fù)雜的實(shí)際情況進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，以便運(yùn)用數(shù)學(xué)工具和分析方法對(duì)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定特性進(jìn)行深入研究。3.1.1光伏電站模型光伏電站作為模型的關(guān)鍵組成部分，其模型的準(zhǔn)確性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)模型的可靠性。光伏電站主要由光伏組件、光伏逆變器及其控制系統(tǒng)構(gòu)成，各部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式和參數(shù)設(shè)置如下：光伏組件是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電的核心部件，其輸出特性受到光照強(qiáng)度、溫度等因素的顯著影響。目前，常用的光伏組件模型為單二極管模型，該模型基于光伏效應(yīng)原理，通過(guò)數(shù)學(xué)方程來(lái)描述光伏組件的工作特性。其輸出電流I_{pv}的表達(dá)式為：I_{pv}=I_{ph}-I_{s}\left[\exp\left(\frac{q(V_{pv}+I_{pv}R_{s})}{nkT}\right)-1\right]-\frac{V_{pv}+I_{pv}R_{s}}{R_{sh}}（4）其中，其中，I_{ph}為光生電流，它與光照強(qiáng)度密切相關(guān)，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，I_{ph}越大，其計(jì)算公式為I_{ph}=(\frac{G}{G_{ref}})(I_{sc}+K_{i}(T-T_{ref}))，其中G為實(shí)際光照強(qiáng)度，G_{ref}為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度（通常取1000W/m^{2}），I_{sc}為標(biāo)準(zhǔn)條件下的短路電流，K_{i}為短路電流溫度系數(shù)，T為光伏組件實(shí)際溫度，T_{ref}為標(biāo)準(zhǔn)溫度（通常取25^{\circ}C）；I_{s}為二極管反向飽和電流，它與溫度的關(guān)系為I_{s}=I_{sref}(\frac{T}{T_{ref}})^{3}\exp\left(\frac{qE_{g}}{nk}(\frac{1}{T_{ref}}-\frac{1}{T})\right)，其中I_{sref}為標(biāo)準(zhǔn)條件下的二極管反向飽和電流，E_{g}為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，q為電子電荷量，k為玻爾茲曼常數(shù)，n為二極管品質(zhì)因子；V_{pv}為光伏組件輸出電壓；R_{s}為串聯(lián)電阻，主要反映光伏組件內(nèi)部的電阻損耗；R_{sh}為并聯(lián)電阻，用于模擬電池板的漏電情況；n為二極管品質(zhì)因子，一般取值在1-2之間。在實(shí)際應(yīng)用中，這些參數(shù)可通過(guò)光伏組件的datasheet或?qū)嶒?yàn)測(cè)量獲得。例如，某型號(hào)的單晶硅光伏組件，其在標(biāo)準(zhǔn)條件下的參數(shù)為：I_{sc}=8.17A，V_{oc}=44.8V，I_{mp}=7.74A，V_{mp}=36.1V，K_{i}=0.0027A/^{\circ}C，R_{s}=0.2\Omega，R_{sh}=1000\Omega，n=1.5。光伏逆變器的作用是將光伏組件輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，其數(shù)學(xué)模型主要描述了逆變器的功率轉(zhuǎn)換過(guò)程和控制策略。常見(jiàn)的光伏逆變器采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)換。以三相電壓型逆變器為例，其在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：\begin{cases}L\frac{di_91zz1d1}{dt}=-Ri_dr1bzvd+\omegaLi_{q}+u_9p1911v-e_zbzfr1p\\L\frac{di_{q}}{dt}=-Ri_{q}-\omegaLi_1vlpl11+u_{q}-e_{q}\\C\frac{du_{dc}}{dt}=I_{pv}-I_{dc}\end{cases}（5）其中，其中，i_vvh1lf1、i_{q}分別為逆變器輸出電流在dq坐標(biāo)系下的分量；u_r1p1th9、u_{q}分別為逆變器輸出電壓在dq坐標(biāo)系下的分量；e_9fdp11b、e_{q}分別為電網(wǎng)電壓在dq坐標(biāo)系下的分量；L為逆變器輸出電感；R為逆變器等效電阻；\omega為電網(wǎng)角頻率；u_{dc}為直流側(cè)電壓；I_{dc}為直流側(cè)電流。在實(shí)際運(yùn)行中，逆變器通常采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制策略和并網(wǎng)控制策略。MPPT控制策略的目的是使光伏組件始終工作在最大功率點(diǎn)附近，以提高光伏電站的發(fā)電效率，常見(jiàn)的MPPT算法有擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法等。以擾動(dòng)觀察法為例，其基本原理是通過(guò)不斷擾動(dòng)光伏組件的工作電壓，觀察功率的變化方向，從而調(diào)整工作電壓使其向最大功率點(diǎn)靠近。并網(wǎng)控制策略則主要實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的同步和功率的穩(wěn)定傳輸，常用的并網(wǎng)控制方法有基于鎖相環(huán)（PLL）的控制方法等。例如，在某光伏電站中，采用基于PLL的并網(wǎng)控制策略，通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的相位和頻率，調(diào)整逆變器輸出電壓的相位和頻率，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的同步并網(wǎng)。光伏逆變器的控制系統(tǒng)包含多個(gè)控制器，如MPPT控制器、電流控制器、電壓控制器等，它們協(xié)同工作以確保逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行和高效發(fā)電。以常用的比例-積分（PI）控制器為例，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：u(t)=K_{p}e(t)+K_{i}\int_{0}^{t}e(\tau)d\tau（6）其中，其中，u(t)為控制器輸出；K_{p}為比例系數(shù)，決定了控制器對(duì)誤差的響應(yīng)速度，K_{p}越大，響應(yīng)速度越快，但可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量增大；K_{i}為積分系數(shù)，用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，K_{i}越大，穩(wěn)態(tài)誤差消除得越快，但可能會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差；e(t)為誤差信號(hào)，即給定值與反饋值的差值。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)系統(tǒng)的特性和控制要求，合理調(diào)整K_{p}和K_{i}的值。例如，在光伏逆變器的電流控制中，通過(guò)調(diào)整PI控制器的參數(shù)，使逆變器輸出電流能夠快速跟蹤給定電流，同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。3.1.2輸電線路模型輸電線路用于將光伏電站產(chǎn)生的電能傳輸?shù)截?fù)荷中心，其模型主要考慮線路電阻、電感、電容等參數(shù)對(duì)電能傳輸?shù)挠绊憽?duì)于較短的輸電線路（一般長(zhǎng)度小于100km），通常采用集中參數(shù)模型中的π型等值電路來(lái)描述。在π型等值電路中，線路被等效為兩個(gè)串聯(lián)阻抗Z=R+jX和一個(gè)并聯(lián)導(dǎo)納Y=jB，其中R為線路電阻，主要由導(dǎo)線材料的電阻率和長(zhǎng)度決定，其計(jì)算公式為R=\rho\frac{l}{S}，\rho為導(dǎo)線電阻率，l為線路長(zhǎng)度，S為導(dǎo)線截面積；X為線路電抗，與導(dǎo)線的電感和線路長(zhǎng)度有關(guān)，X=2\pifLl，f為電網(wǎng)頻率，L為單位長(zhǎng)度電感；B為線路電納，與導(dǎo)線的電容和線路長(zhǎng)度相關(guān)，B=2\pifCl，C為單位長(zhǎng)度電容。在實(shí)際計(jì)算中，這些參數(shù)可根據(jù)輸電線路的具體規(guī)格和參數(shù)手冊(cè)獲取。例如，某110kV輸電線路，采用LGJ-240/30型導(dǎo)線，線路長(zhǎng)度為50km，通過(guò)查閱參數(shù)手冊(cè)可知，其單位長(zhǎng)度電阻R_{0}=0.132\Omega/km，單位長(zhǎng)度電抗X_{0}=0.421\Omega/km，單位長(zhǎng)度電納B_{0}=2.73\times10^{-6}S/km，則該線路的總電阻R=R_{0}l=0.132\times50=6.6\Omega，總電抗X=X_{0}l=0.421\times50=21.05\Omega，總電納B=B_{0}l=2.73\times10^{-6}\times50=1.365\times10^{-4}S。其數(shù)學(xué)模型可表示為：\begin{bmatrix}\dot{U}_{1}\\\dot{I}_{1}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}1+\frac{ZY}{2}&Z\\Y(1+\frac{ZY}{4})&1+\frac{ZY}{2}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}\dot{U}_{2}\\\dot{I}_{2}\end{bmatrix}（7）其中，其中，\dot{U}_{1}、\dot{I}_{1}分別為線路首端的電壓和電流相量；\dot{U}_{2}、\dot{I}_{2}分別為線路末端的電壓和電流相量。3.1.3負(fù)荷模型負(fù)荷是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其特性對(duì)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定有著重要影響。負(fù)荷模型可分為靜態(tài)負(fù)荷模型和動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型。靜態(tài)負(fù)荷模型通常用功率-電壓關(guān)系來(lái)表示，常見(jiàn)的有恒功率模型、恒電流模型和恒阻抗模型。恒功率模型假設(shè)負(fù)荷消耗的有功功率P_{L}和無(wú)功功率Q_{L}不隨電壓變化而變化，即P_{L}=P_{0}，Q_{L}=Q_{0}，其中P_{0}、Q_{0}為負(fù)荷的額定有功功率和無(wú)功功率；恒電流模型認(rèn)為負(fù)荷電流I_{L}不隨電壓改變，I_{L}=\frac{S_{0}}{U_{0}}，S_{0}為負(fù)荷的額定視在功率，U_{0}為額定電壓；恒阻抗模型則假定負(fù)荷阻抗Z_{L}恒定，Z_{L}=\frac{U_{0}^{2}}{S_{0}}。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，負(fù)荷特性較為復(fù)雜，單一的靜態(tài)負(fù)荷模型往往難以準(zhǔn)確描述其特性，因此常采用綜合靜態(tài)負(fù)荷模型，將不同類型的靜態(tài)負(fù)荷按照一定比例組合起來(lái)。動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型則考慮了負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，如異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械暫態(tài)過(guò)程等。以異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型為例，其數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，通常包括電機(jī)的電氣方程和機(jī)械方程。電氣方程描述了電機(jī)的電磁關(guān)系，如定子電壓方程u_{s}=R_{s}i_{s}+j\omega_{1}L_{s}i_{s}+j\omega_{1}L_{m}i_{r}，轉(zhuǎn)子電壓方程0=R_{r}i_{r}+j(\omega_{1}-\omega_{r})L_{r}i_{r}+j\omega_{1}L_{m}i_{s}，其中u_{s}為定子電壓，i_{s}為定子電流，R_{s}為定子電阻，L_{s}為定子電感，L_{m}為勵(lì)磁電感，i_{r}為轉(zhuǎn)子電流，R_{r}為轉(zhuǎn)子電阻，L_{r}為轉(zhuǎn)子電感，\omega_{1}為同步角速度，\omega_{r}為轉(zhuǎn)子角速度；機(jī)械方程則描述了電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩關(guān)系，J\frac{d\omega_{r}}{dt}=T_{e}-T_{L}-D(\omega_{r}-\omega_{0})，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，T_{e}為電磁轉(zhuǎn)矩，T_{L}為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，D為阻尼系數(shù)，\omega_{0}為額定角速度。在實(shí)際建模中，需要根據(jù)負(fù)荷的具體類型和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，選擇合適的負(fù)荷模型，并準(zhǔn)確確定模型參數(shù)。例如，在某地區(qū)電網(wǎng)的負(fù)荷建模中，通過(guò)對(duì)大量負(fù)荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定該地區(qū)負(fù)荷中異步電動(dòng)機(jī)占比較大，因此采用動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型來(lái)描述負(fù)荷特性，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和參數(shù)辨識(shí)方法，確定了異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型的各項(xiàng)參數(shù)，以提高負(fù)荷模型的準(zhǔn)確性。3.2光伏接入對(duì)系統(tǒng)阻尼特性的影響3.2.1阻尼轉(zhuǎn)矩分析阻尼轉(zhuǎn)矩在電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定中起著關(guān)鍵作用，它是抑制系統(tǒng)振蕩、確保系統(tǒng)在受到小干擾后能夠恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。當(dāng)系統(tǒng)受到小干擾時(shí)，各元件的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。阻尼轉(zhuǎn)矩能夠消耗系統(tǒng)振蕩過(guò)程中的能量，使振蕩幅值逐漸減小，最終使系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)?；谧枘徂D(zhuǎn)矩理論，在含光伏的電力系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)受到小干擾時(shí)，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：T_{e}=T_{e0}+\DeltaT_{e}（8）其中，其中，T_{e0}為擾動(dòng)前的電磁轉(zhuǎn)矩，\DeltaT_{e}為擾動(dòng)后的電磁轉(zhuǎn)矩增量。進(jìn)一步將\DeltaT_{e}分解為同步轉(zhuǎn)矩增量\DeltaT_{s}和阻尼轉(zhuǎn)矩增量\DeltaT_xf1pt1x，即：\DeltaT_{e}=\DeltaT_{s}+\DeltaT_x11p9lr（9）同步轉(zhuǎn)矩增量\DeltaT_{s}與發(fā)電機(jī)的功角變化密切相關(guān)，其表達(dá)式為：\DeltaT_{s}=K_{s}\Delta\delta（10）其中，其中，K_{s}為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)，\Delta\delta為發(fā)電機(jī)功角增量。同步轉(zhuǎn)矩的作用是力圖使發(fā)電機(jī)的功角恢復(fù)到初始值，當(dāng)\Delta\delta增大時(shí)，\DeltaT_{s}為負(fù)，促使功角減??；當(dāng)\Delta\delta減小時(shí)，\DeltaT_{s}為正，促使功角增大。阻尼轉(zhuǎn)矩增量\DeltaT_rpv1htp則與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化相關(guān)，可表示為：\DeltaT_1fn1nl1=K_vhbht1p\Delta\omega（11）其中，其中，K_frdr1fr為阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，\Delta\omega為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增量。阻尼轉(zhuǎn)矩的作用是抑制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，當(dāng)\Delta\omega增大時(shí)，\DeltaT_7dr1f91為負(fù)，阻礙轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大；當(dāng)\Delta\omega減小時(shí)，\DeltaT_fhl19jn為正，阻礙轉(zhuǎn)速進(jìn)一步減小。在含光伏的電力系統(tǒng)中，光伏電站通過(guò)逆變器接入電網(wǎng)，逆變器的控制策略會(huì)對(duì)系統(tǒng)的阻尼特性產(chǎn)生顯著影響。以最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制策略為例，逆變器會(huì)根據(jù)光照強(qiáng)度和溫度等條件實(shí)時(shí)調(diào)整光伏組件的工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。這種快速的功率調(diào)節(jié)過(guò)程會(huì)改變系統(tǒng)的潮流分布，進(jìn)而影響系統(tǒng)的阻尼轉(zhuǎn)矩。當(dāng)光照強(qiáng)度突然變化時(shí)，MPPT控制會(huì)使逆變器快速調(diào)整輸出功率，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)中某些節(jié)點(diǎn)的電壓和電流發(fā)生波動(dòng)，從而改變發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，對(duì)系統(tǒng)的阻尼特性產(chǎn)生影響。為了更直觀地說(shuō)明光伏接入對(duì)系統(tǒng)阻尼轉(zhuǎn)矩的影響，以某簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。該系統(tǒng)原本僅包含一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)和負(fù)荷，當(dāng)接入一定容量的光伏電站后，通過(guò)特征值分析方法計(jì)算系統(tǒng)在不同工況下的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。在未接入光伏時(shí)，系統(tǒng)在某一運(yùn)行工況下的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)為K_{d1}。接入光伏后，在相同運(yùn)行工況下，由于光伏逆變器的控制作用，系統(tǒng)的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)變?yōu)镵_{d2}。通過(guò)對(duì)比K_{d1}和K_{d2}發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏采用MPPT控制時(shí)，在某些情況下，K_{d2}小于K_{d1}，這表明光伏接入后系統(tǒng)的阻尼特性有所下降；而在另一些情況下，通過(guò)合理調(diào)整逆變器的控制參數(shù)，K_{d2}大于K_{d1}，系統(tǒng)的阻尼特性得到了提升。3.2.2不同控制方式下的阻尼特性光伏電站采用不同的控制策略，如最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT）、恒功率因數(shù)控制等，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的阻尼特性產(chǎn)生顯著的影響差異。在最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT）方式下，光伏電站的主要目標(biāo)是使光伏組件始終工作在最大功率點(diǎn)附近，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電效率的最大化。MPPT控制算法通常通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)光伏組件的輸出電壓和電流，根據(jù)一定的控制策略調(diào)整逆變器的工作狀態(tài)，從而使光伏組件的工作點(diǎn)始終保持在最大功率點(diǎn)。常用的MPPT算法有擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法等。以擾動(dòng)觀察法為例，其基本原理是周期性地?cái)_動(dòng)光伏組件的工作電壓，比較擾動(dòng)前后的功率變化，若功率增加，則繼續(xù)朝相同方向擾動(dòng)電壓；若功率減小，則朝相反方向擾動(dòng)電壓。這種控制方式使得光伏電站的輸出功率能夠快速跟蹤光照強(qiáng)度和溫度等環(huán)境因素的變化。然而，在某些情況下，MPPT控制可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)阻尼特性產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)光照強(qiáng)度快速變化時(shí)，MPPT算法會(huì)頻繁調(diào)整逆變器的工作狀態(tài)，導(dǎo)致光伏電站的輸出功率波動(dòng)較大。這種功率波動(dòng)會(huì)通過(guò)輸電線路傳遞到電網(wǎng)中，引起系統(tǒng)電壓和電流的波動(dòng)，進(jìn)而影響系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。由于發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)的阻尼特性密切相關(guān)，因此光伏電站輸出功率的波動(dòng)可能會(huì)削弱系統(tǒng)的阻尼，增加系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。在一個(gè)包含光伏電站和同步發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)中，當(dāng)光照強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大變化時(shí)，采用MPPT控制的光伏電站輸出功率迅速波動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功角出現(xiàn)明顯的振蕩，且振蕩幅值逐漸增大，這表明系統(tǒng)的阻尼特性受到了嚴(yán)重的削弱。恒功率因數(shù)控制則是指光伏電站通過(guò)控制逆變器的輸出，使光伏電站向電網(wǎng)注入的功率因數(shù)保持恒定。這種控制方式的主要目的是改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，減少無(wú)功功率的傳輸。在恒功率因數(shù)控制下，光伏電站的輸出功率主要取決于光照強(qiáng)度和光伏組件的特性，而不受系統(tǒng)電壓和頻率變化的影響。與MPPT控制相比，恒功率因數(shù)控制對(duì)系統(tǒng)阻尼特性的影響相對(duì)較小。由于光伏電站的輸出功率相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)因光照強(qiáng)度的變化而產(chǎn)生大幅波動(dòng)，因此對(duì)系統(tǒng)電壓和電流的影響也較小。這使得系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，從而有利于維持系統(tǒng)的阻尼特性。在上述電力系統(tǒng)中，當(dāng)光伏電站采用恒功率因數(shù)控制時(shí)，即使光照強(qiáng)度發(fā)生一定程度的變化，系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功角波動(dòng)較小，系統(tǒng)能夠保持較好的阻尼特性。然而，恒功率因數(shù)控制也存在一定的局限性。在某些情況下，如系統(tǒng)發(fā)生故障或負(fù)荷突變時(shí)，由于光伏電站不能根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化及時(shí)調(diào)整輸出功率，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到一定影響。3.3光照強(qiáng)度與溫度變化的影響3.3.1光照強(qiáng)度波動(dòng)影響光照強(qiáng)度作為影響光伏電站輸出功率的關(guān)鍵因素之一，其隨機(jī)波動(dòng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定產(chǎn)生不容忽視的影響。光照強(qiáng)度的變化直接決定了光伏組件的光生電流大小，進(jìn)而影響光伏電站的輸出功率。當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生波動(dòng)時(shí)，光伏電站的輸出功率會(huì)隨之快速變化，這種變化會(huì)通過(guò)輸電線路傳遞到整個(gè)電力系統(tǒng)中，打破系統(tǒng)原有的功率平衡，引發(fā)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了深入探究光照強(qiáng)度波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響，采用MATLAB/Simulink軟件搭建了一個(gè)包含光伏電站、同步發(fā)電機(jī)、輸電線路和負(fù)荷的電力系統(tǒng)仿真模型。在仿真過(guò)程中，設(shè)定光伏電站的裝機(jī)容量為50MW，同步發(fā)電機(jī)的額定容量為100MW，負(fù)荷為80MW。通過(guò)改變光照強(qiáng)度的變化率和波動(dòng)范圍，模擬不同程度的光照強(qiáng)度波動(dòng)情況。當(dāng)光照強(qiáng)度以一定的變化率逐漸增加時(shí)，如在10s內(nèi)從500W/m2增加到800W/m2，光伏電站的輸出功率隨之逐漸上升。在這個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)的頻率和電壓會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。系統(tǒng)頻率會(huì)略微升高，從額定頻率50Hz升高到50.1Hz左右，這是因?yàn)楣夥娬据敵龉β实脑黾邮沟孟到y(tǒng)的有功功率供應(yīng)增加，而負(fù)荷需求相對(duì)穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率上升。同時(shí)，系統(tǒng)電壓也會(huì)有所上升，某節(jié)點(diǎn)電壓從額定電壓110kV升高到112kV左右，這是由于光伏電站輸出的無(wú)功功率也會(huì)隨著有功功率的增加而發(fā)生變化，影響了系統(tǒng)的無(wú)功平衡，進(jìn)而導(dǎo)致電壓上升。當(dāng)光照強(qiáng)度突然發(fā)生大幅度變化時(shí)，如在0.1s內(nèi)從800W/m2突降至300W/m2，光伏電站的輸出功率會(huì)急劇下降。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)明顯的振蕩現(xiàn)象。系統(tǒng)頻率會(huì)迅速下降，在短時(shí)間內(nèi)降至49.5Hz以下，隨后出現(xiàn)振蕩，振蕩幅值較大，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才逐漸恢復(fù)到接近額定頻率。系統(tǒng)電壓也會(huì)大幅下降，某節(jié)點(diǎn)電壓降至105kV以下，同樣出現(xiàn)振蕩，且振蕩時(shí)間較長(zhǎng)。這是因?yàn)楣庹諒?qiáng)度的突然大幅下降導(dǎo)致光伏電站輸出功率驟減，系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率平衡被嚴(yán)重破壞，發(fā)電機(jī)需要快速調(diào)整出力以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而引發(fā)了系統(tǒng)的強(qiáng)烈振蕩。從特征值分析的角度來(lái)看，光照強(qiáng)度波動(dòng)會(huì)改變系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的特征值。在光照強(qiáng)度穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)的某些振蕩模式具有一定的阻尼比和振蕩頻率。當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生波動(dòng)后，這些特征值會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致阻尼比減小，振蕩頻率發(fā)生偏移。例如，原本某個(gè)振蕩模式的阻尼比為0.05，振蕩頻率為1.5Hz，在光照強(qiáng)度波動(dòng)后，阻尼比可能減小到0.03，振蕩頻率變?yōu)?.3Hz。這表明系統(tǒng)的阻尼特性變差，振蕩模式發(fā)生改變，系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性受到了顯著影響。3.3.2溫度變化影響光伏電池的溫度變化對(duì)其輸出特性及電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定有著密切的關(guān)系。隨著光伏電池溫度的升高，其內(nèi)部的電子-空穴對(duì)復(fù)合幾率增加，導(dǎo)致開(kāi)路電壓減小。研究表明，在20-100攝氏度范圍，大約每升高1攝氏度，光伏電池的電壓減小2mV。光電流隨溫度的升高略有上升，大約每升高1攝氏度電池的光電流增加千分之一。綜合來(lái)看，溫度每升高1攝氏度，則功率減少0.35%。這種溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響，會(huì)進(jìn)一步對(duì)電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定產(chǎn)生作用。為了研究溫度變化對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響，在上述仿真模型的基礎(chǔ)上，改變光伏電池的工作溫度。當(dāng)光伏電池溫度從25攝氏度升高到50攝氏度時(shí)，光伏電站的輸出功率會(huì)下降。由于輸出功率的下降，系統(tǒng)的有功功率供應(yīng)減少，系統(tǒng)頻率會(huì)略微下降，從50Hz降至49.9Hz左右。同時(shí)，系統(tǒng)電壓也會(huì)受到一定影響，某節(jié)點(diǎn)電壓從110kV降至109kV左右。這是因?yàn)楣夥娬据敵龉β实臏p少使得系統(tǒng)的功率平衡發(fā)生改變，發(fā)電機(jī)需要增加出力來(lái)彌補(bǔ)功率缺額，從而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率和電壓的變化。從系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度分析，溫度變化會(huì)影響系統(tǒng)的阻尼特性。當(dāng)光伏電池溫度升高導(dǎo)致輸出功率下降時(shí)，系統(tǒng)中某些振蕩模式的阻尼比可能會(huì)發(fā)生變化。原本阻尼比為0.04的某個(gè)振蕩模式，在溫度升高后，阻尼比可能減小到0.03。這意味著系統(tǒng)在受到小干擾時(shí)，振蕩幅值可能會(huì)增大，振蕩衰減的速度變慢，系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性降低。此外，溫度變化還可能導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩頻率發(fā)生改變，進(jìn)一步影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。例如，某個(gè)振蕩模式的頻率可能從1.2Hz變?yōu)?.1Hz，這會(huì)使系統(tǒng)的振蕩特性發(fā)生變化，增加了系統(tǒng)控制的難度。3.4光伏占比對(duì)小干擾穩(wěn)定的影響為深入探究光伏占比對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響，在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上構(gòu)建了一個(gè)包含多臺(tái)同步發(fā)電機(jī)、輸電網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷以及光伏電站的電力系統(tǒng)模型。在該模型中，設(shè)定系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量為1000MVA，同步發(fā)電機(jī)采用經(jīng)典的六階模型，詳細(xì)考慮了發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)。輸電網(wǎng)絡(luò)由不同電壓等級(jí)的輸電線路組成，采用π型等值電路模型進(jìn)行模擬，精確考慮線路電阻、電感、電容等參數(shù)。負(fù)荷模型綜合考慮了靜態(tài)負(fù)荷和動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。光伏電站模型如前文所述，包括光伏組件、光伏逆變器及其控制系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)置不同的光伏裝機(jī)容量占比場(chǎng)景，系統(tǒng)研究隨著光伏占比增加，系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的變化規(guī)律。具體設(shè)置光伏占比分別為0%、10%、20%、30%、40%，并在每個(gè)場(chǎng)景下進(jìn)行特征值分析和時(shí)域仿真。在特征值分析方面，計(jì)算系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的特征值，重點(diǎn)關(guān)注與系統(tǒng)振蕩模式相關(guān)的特征值實(shí)部和虛部。當(dāng)光伏占比為0%時(shí)，系統(tǒng)存在多個(gè)振蕩模式，如區(qū)域間振蕩模式和本地振蕩模式。以某區(qū)域間振蕩模式為例，其對(duì)應(yīng)的特征值實(shí)部為-0.2，虛部為5.0，阻尼比為0.04，振蕩頻率為0.796Hz。當(dāng)光伏占比逐漸增加到10%時(shí)，該區(qū)域間振蕩模式的特征值實(shí)部變?yōu)?0.18，虛部變?yōu)?.1，阻尼比減小到0.035，振蕩頻率略微升高到0.812Hz。這表明光伏接入后，該區(qū)域間振蕩模式的阻尼特性變差，振蕩頻率有所改變。隨著光伏占比進(jìn)一步增加到20%，特征值實(shí)部變?yōu)?0.15，虛部變?yōu)?.2，阻尼比進(jìn)一步減小到0.029，振蕩頻率升高到0.828Hz。當(dāng)光伏占比達(dá)到30%時(shí)，特征值實(shí)部變?yōu)?0.12，虛部變?yōu)?.3，阻尼比減小到0.023，振蕩頻率升高到0.844Hz。當(dāng)光伏占比增加到40%時(shí)，特征值實(shí)部變?yōu)?0.1，虛部變?yōu)?.4，阻尼比減小到0.019，振蕩頻率升高到0.860Hz?？梢钥闯觯S著光伏占比的不斷增加，該區(qū)域間振蕩模式的阻尼比持續(xù)減小，振蕩頻率逐漸升高，系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性逐漸下降。在時(shí)域仿真中，在系統(tǒng)中施加一個(gè)小干擾，如在某時(shí)刻將某條輸電線路的電阻增加5%，觀察系統(tǒng)在不同光伏占比下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)光伏占比為0%時(shí)，系統(tǒng)在受到小干擾后，發(fā)電機(jī)的功角和轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)短暫的振蕩后，能夠較快地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，振蕩幅值較小。當(dāng)光伏占比為10%時(shí)，系統(tǒng)受到小干擾后的振蕩幅值有所增大，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間略有延長(zhǎng)。當(dāng)光伏占比增加到20%時(shí)，振蕩幅值進(jìn)一步增大，恢復(fù)時(shí)間明顯變長(zhǎng)。當(dāng)光伏占比達(dá)到30%時(shí)，系統(tǒng)的振蕩幅值顯著增大，且振蕩衰減速度變慢，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)變得更加困難。當(dāng)光伏占比為40%時(shí)，系統(tǒng)在受到小干擾后，振蕩幅值持續(xù)增大，甚至出現(xiàn)了增幅振蕩的趨勢(shì)，系統(tǒng)逐漸失去小干擾穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)不同光伏占比場(chǎng)景下的特征值分析和時(shí)域仿真結(jié)果進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明，隨著光伏占比的增加，系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楣夥娬镜慕尤敫淖兞讼到y(tǒng)的功率平衡和潮流分布，同時(shí)光伏逆變器的控制特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)存在差異，導(dǎo)致系統(tǒng)的阻尼特性變差，振蕩模式發(fā)生改變，從而降低了系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。四、含大規(guī)模集中式光伏匯納電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定控制策略4.1廣域阻尼控制策略4.1.1光伏廣域阻尼控制原理廣域阻尼控制策略是一種基于廣域測(cè)量系統(tǒng)（WAMS）的先進(jìn)控制策略，旨在有效抑制電力系統(tǒng)中的低頻振蕩，提高系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的基于本地信號(hào)的阻尼控制策略在應(yīng)對(duì)區(qū)域間低頻振蕩等復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，逐漸暴露出其局限性。廣域測(cè)量系統(tǒng)的出現(xiàn)為解決這些問(wèn)題提供了新的思路和方法。廣域測(cè)量系統(tǒng)利用同步相量測(cè)量技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)、精確地采集電力系統(tǒng)中多個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電氣量信息，如電壓相量、電流相量、頻率等。這些信息通過(guò)高速通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行?，為廣域阻尼控制器提供了全面、準(zhǔn)確的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。在含大規(guī)模集中式光伏匯納的電力系統(tǒng)中，廣域阻尼控制策略的基本原理是通過(guò)采集廣域范圍內(nèi)的同步發(fā)電機(jī)角速度偏差信號(hào)、線路功率信號(hào)、節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)等，將這些信號(hào)作為反饋輸入，對(duì)光伏電站的逆變器進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)光伏電站注入電網(wǎng)的無(wú)功功率。以同步發(fā)電機(jī)角速度偏差信號(hào)為例，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)，不同區(qū)域的同步發(fā)電機(jī)之間會(huì)出現(xiàn)角速度偏差。廣域阻尼控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些偏差信號(hào)，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法，計(jì)算出需要調(diào)節(jié)的無(wú)功功率量。若某區(qū)域的同步發(fā)電機(jī)角速度高于其他區(qū)域，說(shuō)明該區(qū)域的發(fā)電功率相對(duì)過(guò)剩，廣域阻尼控制器會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)光伏電站的逆變器，使其向電網(wǎng)注入更多的無(wú)功功率，以吸收過(guò)剩的有功功率，從而抑制發(fā)電機(jī)的加速，減小角速度偏差。反之，若某區(qū)域的同步發(fā)電機(jī)角速度低于其他區(qū)域，廣域阻尼控制器會(huì)控制光伏電站減少無(wú)功功率的注入，甚至吸收電網(wǎng)的無(wú)功功率，以增加該區(qū)域的有功功率供應(yīng)，抑制發(fā)電機(jī)的減速。在實(shí)際應(yīng)用中，廣域阻尼控制策略通過(guò)建立電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，分析系統(tǒng)的振蕩特性和阻尼特性，確定合適的控制參數(shù)和控制算法。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋控制，能夠及時(shí)有效地抑制低頻振蕩，提高系統(tǒng)的阻尼比，增強(qiáng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。在一個(gè)包含多個(gè)區(qū)域的大型電力系統(tǒng)中，當(dāng)某區(qū)域發(fā)生功率擾動(dòng)引發(fā)低頻振蕩時(shí)，廣域阻尼控制器能夠迅速采集到各區(qū)域同步發(fā)電機(jī)的角速度偏差信號(hào)以及相關(guān)線路的功率信號(hào)。根據(jù)這些信號(hào)，控制器快速計(jì)算出光伏電站需要調(diào)節(jié)的無(wú)功功率量，并向逆變器發(fā)出控制指令。逆變器根據(jù)指令調(diào)整自身的工作狀態(tài)，使光伏電站及時(shí)注入或吸收無(wú)功功率，有效地抑制了低頻振蕩的傳播和放大，保障了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4.1.2控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)光伏廣域阻尼控制器的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)廣域阻尼控制策略的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)過(guò)程涉及多個(gè)方面的技術(shù)和參數(shù)優(yōu)化。在控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需要選擇合適的控制算法。目前，常用的控制算法包括比例-積分-微分（PID）控制算法、自適應(yīng)控制算法、智能控制算法等。PID控制算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，其通過(guò)比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行處理，輸出控制信號(hào)。比例環(huán)節(jié)能夠快速響應(yīng)誤差的變化，積分環(huán)節(jié)用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分環(huán)節(jié)則可預(yù)測(cè)誤差的變化趨勢(shì)，提前進(jìn)行控制。在光伏廣域阻尼控制器中，PID控制算法可根據(jù)廣域測(cè)量系統(tǒng)采集的信號(hào)與預(yù)設(shè)的參考值之間的誤差，調(diào)整光伏電站的無(wú)功功率輸出。自適應(yīng)控制算法能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)不同的運(yùn)行工況。例如，模型參考自適應(yīng)控制算法通過(guò)建立參考模型和可調(diào)模型，實(shí)時(shí)比較兩者的輸出，根據(jù)誤差調(diào)整控制參數(shù)，使系統(tǒng)的輸出能夠跟蹤參考模型的輸出。智能控制算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等，具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，能夠處理復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其學(xué)習(xí)系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。模糊控制算法則基于模糊邏輯，將輸入信號(hào)模糊化，根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行推理，輸出控制信號(hào)，能夠有效地處理不確定性和模糊性問(wèn)題?？刂茀?shù)的整定是控制器設(shè)計(jì)的重要步驟。以PID控制器為例，其比例系數(shù)K_p、積分系數(shù)K_i和微分系數(shù)K_d的取值直接影響控制器的性能。若K_p取值過(guò)大，系統(tǒng)響應(yīng)速度會(huì)加快，但可能會(huì)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象；若K_p取值過(guò)小，系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)變得遲緩。K_i的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，若K_i取值過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加?。蝗鬕_i取值過(guò)小，穩(wěn)態(tài)誤差難以消除。K_d用于預(yù)測(cè)誤差變化趨勢(shì)，若K_d取值過(guò)大，系統(tǒng)對(duì)噪聲會(huì)過(guò)于敏感；若K_d取值過(guò)小，對(duì)誤差變化的預(yù)測(cè)能力會(huì)減弱。常用的整定方法有試湊法、Ziegler-Nichols法、遺傳算法等。試湊法是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，逐步調(diào)整K_p、K_i和K_d的值，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，直到獲得滿意的控制效果。Ziegler-Nichols法是基于系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定臨界比例度和臨界振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出K_p、K_i和K_d的值。遺傳算法是一種基于生物進(jìn)化理論的優(yōu)化算法，通過(guò)模擬自然選擇和遺傳變異的過(guò)程，在參數(shù)空間中搜索最優(yōu)的控制參數(shù)。在控制器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，硬件方面需要搭建可靠的控制平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)處理模塊、控制信號(hào)輸出模塊等。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集廣域測(cè)量系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的電氣量信號(hào)，信號(hào)處理模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，以滿足控制器的輸入要求?？刂菩盘?hào)輸出模塊將控制器計(jì)算得到的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合逆變器接收的信號(hào)形式，如脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)。軟件方面則需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的控制程序，實(shí)現(xiàn)控制算法和參數(shù)整定的功能?？刂瞥绦蛲ǔ２捎酶呒?jí)編程語(yǔ)言編寫(xiě)，如C、C++等，通過(guò)與硬件平臺(tái)的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的實(shí)時(shí)控制。例如，在某實(shí)際光伏電站的廣域阻尼控制器實(shí)現(xiàn)中，采用了基于DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的硬件平臺(tái)，利用其高速的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)廣域測(cè)量信號(hào)的快速采集和處理。軟件方面，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)控制程序，實(shí)現(xiàn)了基于PID控制算法的廣域阻尼控制功能，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化整定，取得了良好的控制效果。4.2儲(chǔ)能協(xié)同控制策略4.2.1儲(chǔ)能系統(tǒng)在小干擾穩(wěn)定控制中的作用儲(chǔ)能系統(tǒng)接入含光伏電力系統(tǒng)后，在多個(gè)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，對(duì)提高系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性具有重要意義。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效平抑功率波動(dòng)。大規(guī)模集中式光伏的出力受光照強(qiáng)度、溫度等自然因素影響，具有顯著的隨機(jī)性和間歇性。在光照強(qiáng)度快速變化時(shí)，光伏電站的輸出功率可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大幅度波動(dòng)。這種功率波動(dòng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，增加系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入為解決這一問(wèn)題提供了有效途徑。當(dāng)光伏電站輸出功率過(guò)剩時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)；而當(dāng)光伏電站輸出功率不足時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)則釋放儲(chǔ)存的電能，補(bǔ)充系統(tǒng)的功率缺額。在某實(shí)際含光伏電力系統(tǒng)中，當(dāng)光照強(qiáng)度在1小時(shí)內(nèi)從1000W/m2驟降至500W/m2時(shí)，光伏電站的輸出功率迅速下降了30%。若沒(méi)有儲(chǔ)能系統(tǒng)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)頻率瞬間下降0.2Hz，電壓降低5%。但接入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，儲(chǔ)能系統(tǒng)及時(shí)釋放電能，使系統(tǒng)頻率僅下降了0.05Hz，電壓降低幅度控制在2%以內(nèi)。通過(guò)這種充放電調(diào)節(jié)，儲(chǔ)能系統(tǒng)有效地平抑了光伏功率波動(dòng)，維持了電力系統(tǒng)的功率平衡，確保了系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定。儲(chǔ)能系統(tǒng)還能夠增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼。在含光伏的電力系統(tǒng)中，由于光伏逆變器的控制特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)存在差異，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)阻尼特性變差，增加系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)快速的功率調(diào)節(jié)能力，能夠在系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，及時(shí)提供與振蕩方向相反的功率，從而增加系統(tǒng)的阻尼轉(zhuǎn)矩。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功角會(huì)出現(xiàn)周期性變化。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的振蕩狀態(tài)，快速調(diào)整自身的充放電功率。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收電能，抑制轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步上升；在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放電能，阻止轉(zhuǎn)速的過(guò)度下降。通過(guò)這種方式，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效地抑制系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。以某電力系統(tǒng)為例，在未接入儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩后，振蕩幅值在10個(gè)周期內(nèi)僅衰減了20%。而接入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，在相同的振蕩條件下，振蕩幅值在5個(gè)周期內(nèi)就衰減了50%，系統(tǒng)能夠更快地恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。4.2.2儲(chǔ)能與光伏的協(xié)同控制方法為了充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)在含大規(guī)模集中式光伏匯納電力系統(tǒng)中的作用，實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行，提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制（MPC）的儲(chǔ)能與光伏協(xié)同控制策略。模型預(yù)測(cè)控制是一種先進(jìn)的控制算法，它通過(guò)建立系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的輸出，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果在線優(yōu)化控制輸入，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。在儲(chǔ)能與光伏的協(xié)同控制中，模型預(yù)測(cè)控制算法能夠綜合考慮光伏電站的出力預(yù)測(cè)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)、負(fù)荷需求以及電力系統(tǒng)的運(yùn)行約束等因素，制定出最優(yōu)的儲(chǔ)能充放電策略和光伏功率調(diào)節(jié)策略。具體而言，該協(xié)同控制策略的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先，利用歷史數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)信息，采用時(shí)間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)光伏電站的出力進(jìn)行超短期預(yù)測(cè)。這些預(yù)測(cè)方法能夠充分挖掘數(shù)據(jù)中的規(guī)律和趨勢(shì)，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)過(guò)去一周的光照強(qiáng)度、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合當(dāng)天的天氣預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)未來(lái)1小時(shí)內(nèi)光伏電站的出力變化情況。同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SOC），準(zhǔn)確掌握儲(chǔ)能系統(tǒng)的剩余電量。然后，根據(jù)預(yù)測(cè)的光伏出力、儲(chǔ)能SOC以及負(fù)荷需求，建立以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小、功率波動(dòng)最小和儲(chǔ)能壽命損耗最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型。系統(tǒng)運(yùn)行成本包括光伏電站的發(fā)電成本、儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電成本以及從電網(wǎng)購(gòu)電的成本。功率波動(dòng)最小目標(biāo)旨在減少光伏功率波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。儲(chǔ)能壽命損耗最小目標(biāo)則考慮了儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電次數(shù)和深度對(duì)其壽命的影響，通過(guò)合理的充放電策略延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。在模型預(yù)測(cè)控制算法中，通過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化的方式，不斷更新預(yù)測(cè)模型和優(yōu)化控制輸入。在每個(gè)控制周期內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)和預(yù)測(cè)信息，求解優(yōu)化模型，得到當(dāng)前周期的儲(chǔ)能充放電功率和光伏功率調(diào)節(jié)指令。隨著時(shí)間的推移，不斷獲取新的系統(tǒng)狀態(tài)信息，重新進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化，以適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化。為了驗(yàn)證基于模型預(yù)測(cè)控制的儲(chǔ)能與光伏協(xié)同控制策略對(duì)提高系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的效果，在MATLAB/Simulink平臺(tái)上搭建了一個(gè)包含光伏電站、儲(chǔ)能系統(tǒng)、同步發(fā)電機(jī)、輸電線路和負(fù)荷的電力系統(tǒng)仿真模型。設(shè)置光伏電站的裝機(jī)容量為100MW，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量為20MW/40MWh。在仿真過(guò)程中，模擬了光照強(qiáng)度快速變化和負(fù)荷突變等多種工況。當(dāng)光照強(qiáng)度在10分鐘內(nèi)從800W/m2急劇下降到300W/m2時(shí)，采用協(xié)同控制策略的系統(tǒng)頻率波動(dòng)范圍明顯小于未采用協(xié)同控制策略的系統(tǒng)。在未采用協(xié)同控制策略時(shí)，系統(tǒng)頻率在光照強(qiáng)度變化后迅速下降，最低降至49.2Hz，波動(dòng)范圍達(dá)到0.8Hz。而采用協(xié)同控制策略后，儲(chǔ)能系統(tǒng)及時(shí)釋放電能，補(bǔ)充功率缺額，系統(tǒng)頻率最低降至49.7Hz，波動(dòng)范圍僅為0.3Hz。同時(shí)，系統(tǒng)電壓也能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，某關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)范圍從±5%減小到±2%。當(dāng)負(fù)荷在某時(shí)刻突然增加20MW時(shí)，采用協(xié)同控制策略的系統(tǒng)能夠更快地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。未采用協(xié)同控制策略的系統(tǒng)在負(fù)荷突變后，發(fā)電機(jī)的功角振蕩幅值較大，經(jīng)過(guò)15秒才逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。而采用協(xié)同控制策略的系統(tǒng)，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏電站的協(xié)同調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)功角振蕩幅值明顯減小，僅經(jīng)過(guò)8秒就恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)以上仿真結(jié)果可以看出，基于模型預(yù)測(cè)控制的儲(chǔ)能與光伏協(xié)同控制策略能夠有效地提高含大規(guī)模集中式光伏匯納電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)各種工況變化的適應(yīng)能力，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4.3其他控制策略探討除了上述廣域阻尼控制策略和儲(chǔ)能協(xié)同控制策略外，還可探討其他控制策略來(lái)提高含大規(guī)模集中式光伏匯納電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。優(yōu)化光伏電站的無(wú)功補(bǔ)償策略是提升系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的有效手段之一。在實(shí)際運(yùn)行中，合理配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）等，能夠顯著改善系統(tǒng)的無(wú)功平衡狀況，進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。SVC通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，控制電抗器和電容器的投入與切除，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的快速調(diào)節(jié)。在某含光伏電力系統(tǒng)中，當(dāng)光伏電站出力發(fā)生變化導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)功功率不足時(shí)，SVC能夠迅速投入電容器，向系統(tǒng)注入無(wú)功功率，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼。STATCOM則基于電壓源型逆變器技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓幅值和相位，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的靈活調(diào)節(jié)。相較于SVC，STATCOM具有更快的響應(yīng)速度和更精確的無(wú)功調(diào)節(jié)能力。在系統(tǒng)發(fā)生快速功率波動(dòng)時(shí)，STATCOM能夠在極短時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，有效抑制電壓波動(dòng)和振蕩，提高系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的控制策略，如采用基于智能算法的控制策略，能夠進(jìn)一步提高無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч；谶z傳算法的無(wú)功補(bǔ)償控制策略，通過(guò)優(yōu)化無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投切時(shí)刻和容量，使系統(tǒng)的無(wú)功分布更加合理，有效提升了系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。改進(jìn)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制也是提高系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的重要方向。傳統(tǒng)的比例-積分-微分（PID）勵(lì)磁控制在電力系