新疆電網光伏電站并網參與系統(tǒng)調節(jié)的討論

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(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.國網新疆電力調度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006)

光伏發(fā)電具有資源豐富、永不衰竭、分布廣、無污染、無噪聲、運行安全、維護簡便等突出的優(yōu)點。這些獨特的優(yōu)點使光伏發(fā)電近幾年來迅速發(fā)展。隨著光伏電站發(fā)電容量逐漸增大，受其裝置昂貴的費用所限制，在提高其能量轉換效率的同時還應當充分提高裝置的利用率。目前并網運行的光伏電站能向系統(tǒng)發(fā)送的最大有功功率隨太陽輻射和環(huán)境溫度而隨機變化，人們通過最大功率跟蹤(maximum power point trowking，MPPT)技術讓其發(fā)送最大有功功率，但不向系統(tǒng)發(fā)送無功，這對裝置本身沒有充分利用。此外，因為有功功率不可控，在送出受阻時也不能得到資源利用的最大化，因此，如果光伏電站并網積極參與系統(tǒng)調節(jié)，進行必要的有功和無功控制，那么即可以保證電網安全穩(wěn)定運行，也提高了設備利用率。針對新疆電網目前并網運行的光伏電站的運行情況及存在問題，提出其參與系統(tǒng)調節(jié)的設想建議，從而為最大化的利用光伏資源提供借鑒。

1 新疆電網光伏電站情況

至2013年年底，新疆電網內共投運光伏電站23座，設計電站裝機容量510 MW，主要分布在吐魯番、哈密、和田、阿勒泰、喀什地區(qū)，基本上多以35 kV電壓等級接入電網，僅少數電站以110 kV電壓等級接入電網，由于目前光伏電站投運接入系統(tǒng)的容量相對較小，因此對電網的影響較小。圖1所示為一光伏電站的發(fā)電曲線，曲線a近似拋物線，最大功率點出現在13∶10～14∶10之間,顯示了光伏發(fā)電的功率特性。

圖1 光伏電站發(fā)電曲線

2 新疆電網光伏電站存在的問題

目前現有的光伏電站基本運行正常，但在運行過程中還是存在一些問題，具體如下。

(1)部分光伏電站送出受阻。

喀什地區(qū)的英吉沙光伏一電站目前采用臨時過渡接入方案，其“T”接在35 kV木康線上，具體參見圖2，由于其連接35 kV木華里水電站和35 kV康帕水電站上，且線路為LGJ-95導線，在冬季運行方式下，其可通過35 kV線路將電力送至英吉沙變電站，但在夏季，水電大發(fā)時期，其存在與兩個水電站共用一個送出通道，出力嚴重受阻。

(2)繼電保護及重合閘方式存在不足

所有的光伏電站，基本發(fā)電集中在10∶00～18∶00之間，其余時間不發(fā)電，這就使得光伏電站送出線路一天中有三分之二的時間不發(fā)電，聯絡線承接無源，三分之一時間發(fā)電，聯絡線承接有源，聯絡線重合閘和保護無法完全滿足運行方式變化，特別是重合閘方式處于對端有源和無源方式之間變化，不利于重合閘的正確動作。保護也存在同樣類似的問題。

圖2 光伏一電站“T”型接線圖

(3)電壓控制方式存在不足

目前所有的光伏電站通過最大功率跟蹤(MPPT)技術讓其發(fā)送最大有功功率，但不向系統(tǒng)發(fā)送無功，以功率因數為1的方式并網運行。這就存在著系統(tǒng)電壓控制與功率因數控制的弊端，電壓合格時功率因數不一定合格，功率因數合格時電壓不一定合格，出現前圖中發(fā)電出力最大時，電壓最高，雖然采用逆調壓方式，但不是最優(yōu)方式，不能充分利用好現有的設備。

3 新疆電網光伏電站對電網的影響

新疆電網光伏電站基本以35 kV等級并入電網，且該等級電網多為輻射狀。下面以新疆喀什地區(qū)永盛光伏電站為例進行分析。

3.1 對電壓的影響

在正常運行方式下，電壓沿輸電線潮流方向逐漸降低。而當接入光伏電站后，光伏發(fā)電使得輸電線的傳輸功率下降，使得輸電線上的負荷節(jié)點電壓被抬高，從而導致某些節(jié)點的電壓越上限，分析表明電壓上升的幅度與接入光伏電站的位置和總量的大小密切相關。

對于上述電壓越上限的問題，通常采取的措施是調節(jié)配電網中有載變壓器的分接頭、電壓調節(jié)器和投退電抗器等設備。然而合理設置光伏電站的運行方式對于配電網中的電壓調整也是至關重要的。如正午光伏發(fā)電出力最大時，線路若輕載，那么接入的電壓降明顯被抬高。此時接入點電壓將可能越上限，這時就必須合理的設置光伏電站的運行方式。比如規(guī)定光伏電站必須參與電網的調壓，吸收輸電線路中多余的無功功率。在線路重負荷期間，光伏電站必須多發(fā)無功，以改善線路的電壓質量。

光伏發(fā)電對電壓的影響還表現在諧波、電壓偏差、電壓不平衡度、直流分量、電壓波動和閃變等方面。光伏發(fā)電的出力受太陽的入射輻照度而變，可造成局部線路電壓波動和閃變，若與負荷的波動疊加在一起，又將帶來更大的電壓波動和閃變。如圖3所示為永盛光伏電站容量為4 MW時，出力情況和對應接入點電壓的影響。

圖3 光伏出力對電壓的影響

從圖5a、b可以看出，該光伏電站在12:00～15:00有功出力最大，幾乎接近滿發(fā)狀態(tài)；同時光伏電站也能發(fā)出一部分無功功率，對電網電壓有一定的支撐能力。從圖5c中可以看出電壓受出力的影響，不停的來回波動，最高電壓在37.74 kV，最低電壓在36.67 kV，振幅達到1.07 kV。

3.2 對繼電保護的影響

新疆吐魯番地區(qū)電網中的配電網保護主要是基于斷路器的電流三段式保護，主線路上裝設有自動重合閘，支路上為熔斷器。永盛光伏電站接入配電網的末端，改變了原有的單側電源和輻射型網絡，使其變成了雙斷網絡，從而改變了故障電流的方向、大小和持續(xù)時間。如果該光伏并網發(fā)電系統(tǒng)不能與原有的繼電保護協(xié)調配合并相適應，當35 kV萄煤線上其他并聯分支元件發(fā)生故障時，便可能引起35 kV萄煤線上的繼電器保護誤動，失去選擇性，進而造成無故障分支失去主電源。此外，當光伏并網發(fā)電出力后，會使原來的繼電器保護范圍縮小，影響繼電保護裝置的正常工作。

光伏電站自身的故障也會對并網系統(tǒng)的運行和保護產生影響。另外，當光伏系統(tǒng)抗孤島保護功能時間不能和自動重合閘裝置協(xié)調配合，也會引起非同期合閘等危害。

當配電網故障時，光伏并網發(fā)電系統(tǒng)可能采取解列運行方式，但解列后重新接人電網的同期過程中，應盡量減少對配電網產生的沖擊，且應采取一定的控制策略和手段給予保證。

3.3 對調度運行的影響

光伏發(fā)電受光照變化的影響，其出力是隨機波動的，存在間隙性的特點，因此對負荷難以平衡，增大了系統(tǒng)調頻和調峰的壓力，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成一定影響。根據光伏電站出力狀況，有時還存在“反調峰”的特性，進而加大峰谷差值，惡化了負荷特性。永盛光伏發(fā)電站也不具有調度自動化功能，電網調度運行部門不能對其直接控制，所以不能參與電網電壓的調整和電網的調頻。這無疑會減少配電網中的可調度發(fā)電廠的容量，給配電網控制與調度運行帶來更大的難度。

此外，當光伏裝機容量較大的地區(qū)并入電網時，其運行的無法確定性導致發(fā)電功率存在較大的波動，對電網的頻率產生一定影響，極端情況下導致頻率嚴重下降，加大了調頻難度。在電網斷面的潮流監(jiān)控、地區(qū)電網電壓穩(wěn)定及聯絡線的功率調節(jié)等調度運行的難度方面，也提出了高水平的調度控制要求。

3.4 對短期負荷預測的影響

現行的電網發(fā)電計劃，尤其是日負荷預測是當天上午預測第3天的負荷，主要依靠于對本地區(qū)電網負荷的準確預測。當光伏發(fā)電系統(tǒng)并網后，所發(fā)出的電能往往被當地的負荷消耗。由于光伏發(fā)電站的發(fā)電量受氣候影響，使得整個電網的負荷總量具有了更多的時變性和隨機性，從而給電網的發(fā)電計劃，尤其是日負荷預測的合理制定，帶來了較大的難度。

3.5 對電能計量的影響

在永盛光伏發(fā)電站接入配電網前，配電網中的潮流方向是單一的。并網后，配電網中個別區(qū)域內的潮流流向發(fā)生變化為雙向。所以將原有的電能計量裝置由單向表改為雙向計量裝置才能滿足要求。

4 光伏電站并網參與系統(tǒng)調節(jié)的分析

針對新疆電網光伏電站的發(fā)電情況及存在問題，考慮到目前光伏電站正在積極建設有功和無功控制系統(tǒng)，可以充分利用系統(tǒng)的控制，最大化的利用好光伏發(fā)電設備，最大限度地參與系統(tǒng)的調節(jié)，具體如下。

(1)針對光伏電站出力受阻情況采取的措施

針對疆南喀什地區(qū)光伏電站出力受阻情況，加快完善網架結構，以110 kV電壓等級接入系統(tǒng)，在目前現有接入系統(tǒng)方案的運行過渡期，考慮到與水電的水光互補，利用光伏電站一天有三分之二的時間不發(fā)電，將水電站大發(fā)，最大程度的利用水能，而在10∶00～18∶00之間，利用光伏電站發(fā)電出力的拋物線曲線特性，水電反拋物線運行，保持風電、水電外送出力之和為一水平線運行，為實現此運行控制模式，需優(yōu)化10∶00～18∶00的水電運行，同時可以在光伏電站加裝儲能裝置，將10∶00～18∶00的受阻能量進行儲存，在晚高峰負荷時期發(fā)出，積極參與系統(tǒng)調節(jié)。

(2)針對重合閘和繼電保護采取的措施

針對光伏電站發(fā)電運行特性，開展繼電保護方案的多方式校驗，充分考慮其有源發(fā)電和無源情況，校核其保護動作四性情況；

針對重合閘方式，進行重合閘原理的改進，增加自適應情況，滿足不同方式下的重合閘自適應，充分考慮水電、光伏電站電源出力的穩(wěn)定性情況，在重合閘中增加聯絡線送電功率的附加輔助判據，以達到自適應。

(3)針對電壓控制方式采取的措施

光伏電站并網結構中含有1個三相逆變橋，通過對逆變器的控制可以使發(fā)送的無功也雙向可控，在極限范圍內可達到有功、無功的控制。光伏電站在發(fā)電的同時還可作為無功補償器?？梢酝ㄟ^無功控制穩(wěn)定母線的電壓，從而提高設備利用率，實現恒功率因數及恒電壓方式綜合利用。但在發(fā)送一定有功的情況下，發(fā)送無功受所設計的逆變器開關管容量的限制;其次，在逆變器容量足夠大的情況下，還受傳輸線路的限制，因此需要對無功功率發(fā)出和吸收的容量進行分析和核算，以優(yōu)化出參與系統(tǒng)無功調節(jié)的最大能力。

5 結 論

在光伏電站控制系統(tǒng)中增加電壓和頻率控制環(huán)節(jié)，使光伏電站能夠響應電網電壓和頻率的變化，使光伏電站具備類似于同步發(fā)電機的運行特性，依靠儲能裝置，避免出力突變對電網頻率穩(wěn)定性的影響；避免水電大發(fā)時，由于通道的限制光伏出力受阻問題；通過控制系統(tǒng)，積極響應電網電壓和頻率的變化，調整其無功功率和有功功率出力大小，從而更好地保障整個電網穩(wěn)定運行。

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