光伏電站接入系統(tǒng)有功功率控制和無功電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析技術(shù)

余泳，田云飛，徐昊亮，張中丹，楊昌海，王仕俊，張海生，孫亞璐

（國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，甘肅蘭州730050）

光伏電站接入系統(tǒng)有功功率控制和無功電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析技術(shù)

余泳，田云飛，徐昊亮，張中丹，楊昌海，王仕俊，張海生，孫亞璐

（國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，甘肅蘭州730050）

針對甘肅電網(wǎng)大規(guī)模新能源接入甘肅電網(wǎng)，特別是光伏電站接入甘肅電網(wǎng)所存在問題的分析，提出電網(wǎng)加裝有功功率控制系統(tǒng)和無功電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的解決方法，優(yōu)化功率調(diào)節(jié)手段。通過梳理分析透徹，科學(xué)合理地分析和處理當(dāng)前的任務(wù)。

光伏電站；甘肅電網(wǎng)；新能源；電網(wǎng)電壓；有功功率控制；無功調(diào)節(jié)

引言

甘肅省能源較為豐富，不僅有石油、煤炭、天然氣，還有大量可再生利用的如太陽能、風(fēng)能等新能源。甘肅是我國最為豐富的太陽能三大區(qū)域之一，全省各地年日照時數(shù)1 710～3 320 h，年太陽能總輻射量在3800～6830MJ/m2，年資源理論儲量6.7 kW×10 113h，可開發(fā)量2.671 831 kW×10 113 h，開發(fā)利用太陽能資源建設(shè)光伏電站具有得天獨厚的優(yōu)越條件[1]。

甘肅省建立了大規(guī)模區(qū)域光伏發(fā)電示范基地，利用光伏進行發(fā)電。近年來隨著大規(guī)模新能源的接入，甘肅電網(wǎng)消納能力有限，限電情況普遍，因此,如何提高光伏電站出力，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行，對光伏電站接入系統(tǒng)功率控制系統(tǒng)進行有效監(jiān)測和分析愈顯重要。

在不考慮天氣巨變、云層遮擋等因素致使光輻照度快速減小的情況下，需要上網(wǎng)的小型和中型光伏電站應(yīng)具有一定的有功功率控制能力。通過協(xié)同的安全自動裝置對光伏電站進行有功功率控制和無功電壓調(diào)節(jié),在發(fā)生重大系統(tǒng)故障時保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要，已成為發(fā)展趨勢[2]。

1 光伏電站出力特性分析

光伏電站典型晴天、多云天日出力曲線見圖1、圖2。從圖中可以看出，光伏電站在日照充足時出力形狀類似正弦半波，曲線平滑，中午時分達到最大值，陰天有云時，數(shù)據(jù)顯示輻照度變化大，光伏電站的出力短時間出現(xiàn)大幅波動。

圖1 典型晴天光伏電站出力特性

圖2 典型多云天光伏電站出力特性

在考慮光伏電站接入系統(tǒng)時，電力平衡中涉及到電網(wǎng)內(nèi)全部光伏電站，區(qū)域光伏規(guī)模的增加，光電站最大出力的同時率會進一步降低，在電力平衡計算中，區(qū)域光伏最大出力為裝機容量的85%考慮。

2 對光伏電站接入的電網(wǎng)技術(shù)分析

2.1 光伏電站具有低電壓穿越能力，避免在電網(wǎng)電壓異常時脫網(wǎng)

在光伏電站接入系統(tǒng)規(guī)定中，電力系統(tǒng)若發(fā)生故障，并網(wǎng)點考核電壓應(yīng)在電壓允許的區(qū)域內(nèi)時，光伏電站保證不間斷并網(wǎng)運行，否則光伏電站不向電網(wǎng)送電；光伏電站并網(wǎng)點電壓跌至0標(biāo)稱電壓時，光伏電站能夠保證不間斷并網(wǎng)運行0.15 s；光伏電站并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時，光伏電站能夠保證不間斷并網(wǎng)運行。

電網(wǎng)故障期間沒有切出的光伏電站，其有功功率在故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，自故障清除時刻開始，以至少10%額定功率/s的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

2.2 甘肅電網(wǎng)新能源有功功率控制系統(tǒng)

1）對于甘肅省上網(wǎng)大中型光伏電站需配置有功功率控制系統(tǒng)，接受調(diào)度部門發(fā)送的有功功率及有功功率變化的控制指令，按調(diào)度部門指定運行方式運行。小型光伏電站應(yīng)需具有一定的有功功率控制能力，按調(diào)度部門指定運行方式運行。

2）在電網(wǎng)發(fā)生故障或緊急狀態(tài)下，大中型光伏電站按調(diào)度部門的控制命令進行有功功率的輸出，必要時通過安全自動裝置進行自動減載光伏電站有功功率或切除光伏電站。

2.3 電網(wǎng)電壓和頻率控制

大中型光伏電站在電網(wǎng)發(fā)生擾動后，電網(wǎng)電壓和頻率未恢復(fù)正常范圍之前，不允許并網(wǎng)，當(dāng)在電網(wǎng)電壓和頻率恢復(fù)正常后，小型光伏電站應(yīng)經(jīng)過一定延時后方可并網(wǎng)，大中型光伏電站應(yīng)按調(diào)度允許方式和指令執(zhí)行，不可自行并網(wǎng)。

光伏電站接入系統(tǒng)穩(wěn)定分析中主要考慮其電壓穩(wěn)定問題，最低電壓回升，并且不產(chǎn)生增幅振蕩，中樞點或某一地區(qū)的電壓不持續(xù)低于0.7 p.u.時，認為系統(tǒng)穩(wěn)定[3-4]。

3 甘肅電網(wǎng)有功功率控制優(yōu)化策略實例分析

3.1 功率控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

甘肅電網(wǎng)功率控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3系統(tǒng)拓樸圖所示。有功功率控制系統(tǒng)和無功/電壓控制系統(tǒng)主要由智能通訊管理終端和維護工作站組成。其中，光伏電站智能通訊終端是系統(tǒng)核心設(shè)備，完成通信和數(shù)據(jù)采集、信息上傳、AGC、AVC功能。維護工作站通過局域網(wǎng)與智能通訊終端連接，提供系統(tǒng)監(jiān)控和維護功能。

圖3 系統(tǒng)拓樸圖

有功功率控制系統(tǒng)和無功/電壓控制系統(tǒng)與省電力公司主站系統(tǒng)通信方式可采用上圖所示方案，但不局限于此方式，可直接通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與主站進行信息交互。

3.2 甘肅電網(wǎng)電壓/無功調(diào)節(jié)系統(tǒng)

甘肅省調(diào)度主站系統(tǒng)現(xiàn)還配置了一套無功電壓和頻率控制系統(tǒng)，完成對全省新能源接入的無功電壓調(diào)節(jié)與控制。

上網(wǎng)光伏電站配置無功電壓和頻率調(diào)節(jié)控制子站系統(tǒng)，接受甘肅省調(diào)度命令，參與調(diào)節(jié)光伏電站的調(diào)節(jié)無功補償設(shè)備投入量、無功功率及光伏電站升壓變壓器的變比等。

3.3 光伏發(fā)電功率預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)

光伏電站安裝電站端功率預(yù)測系統(tǒng)，收集氣象資料，研究并積累電氣對光伏電站輸出功率的變化規(guī)律，不斷提高預(yù)報精度，實現(xiàn)光伏電站短期、超短期、中長期功率預(yù)測。短期預(yù)測的時間尺度為未來0～24 h，并向電力調(diào)度機構(gòu)上傳功率預(yù)測結(jié)果。電力調(diào)度機構(gòu)根據(jù)光伏發(fā)功率超短期預(yù)測結(jié)果和實際運行情況對日發(fā)電調(diào)度計劃曲線進行調(diào)整。

4 功率控制和電壓調(diào)節(jié)運行

4.1 新能源發(fā)電系統(tǒng)運行方式

新能源發(fā)電系統(tǒng)具有兩種運行方式，即并網(wǎng)運行和離網(wǎng)運行。離網(wǎng)運行時需要考慮其發(fā)電的不穩(wěn)定性，在構(gòu)建離網(wǎng)性光伏電站時需要協(xié)調(diào)儲能或其他穩(wěn)定能源進行穩(wěn)壓穩(wěn)頻，以保證光伏系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行；并網(wǎng)運行的光伏在運行時以電網(wǎng)作為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的基礎(chǔ)，通過與電網(wǎng)相結(jié)合，可以緩解負荷高峰供電壓力，發(fā)揮其自身優(yōu)勢[5-6]。

4.2 光伏電站運行控制措施

1）加強SVC、SVG裝置運行管理。

光伏電站并網(wǎng)運行時，必須將動態(tài)無功補償裝置投入運行，并且按照調(diào)度所下定值制定調(diào)節(jié)模式與調(diào)節(jié)目標(biāo)值。同一升壓站如安裝多臺SVC、SVG裝置，相互之間需實現(xiàn)協(xié)調(diào)功能。升壓站電能質(zhì)量監(jiān)測裝置必須投入運行，以監(jiān)視動態(tài)無功補償裝置運行時的電能質(zhì)量，并且將信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

2）各光伏電站業(yè)主應(yīng)與逆變器制造廠家積極協(xié)調(diào)，優(yōu)化保護與控制系統(tǒng)間的配合關(guān)系，并報相應(yīng)調(diào)度機構(gòu)備案，使主控系統(tǒng)和低電壓穿越功能相配合。

3）建議光伏電站建立或完善設(shè)備巡視和缺陷管理制度，加強人員培訓(xùn)和運行管理，及時發(fā)現(xiàn)并消除設(shè)備安全隱患。

4)對投運的光伏逆變器進行并網(wǎng)前實驗，電氣實驗實測報告通過方可并網(wǎng)，達不到要求者不予并網(wǎng)。

5 電網(wǎng)有功功率控制和無功調(diào)節(jié)系統(tǒng)配置

5.1 有功功率控制系統(tǒng)配置情況

甘肅電網(wǎng)大中型光伏電站需要安裝有功功率控制系統(tǒng)一套，能夠接收并執(zhí)行電網(wǎng)調(diào)度遠傳的有功出力控制信號，進行有功功率調(diào)節(jié)和控制，大中型光伏電站內(nèi)還具有調(diào)節(jié)功率變化率能力，接受因太陽光輻照度變化引起的輸出功率變化的情況。

5.2 電壓/無功調(diào)節(jié)系統(tǒng)配置情況

大中型光伏電站需要安裝有功功率控制系統(tǒng)一套，電站的功率因數(shù)宜在0.98（超前）～0.98（滯后）范圍內(nèi)，電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)方式、參考電壓、電壓調(diào)差率等由電網(wǎng)調(diào)度主戰(zhàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

小型光伏電站輸出有功功率應(yīng)根據(jù)接入電網(wǎng)的論證計算結(jié)果，確定功率因數(shù)的控制區(qū)間。

5.3 動態(tài)無功補償裝置

甘肅電網(wǎng)上網(wǎng)大中型光伏電站需要配置容量可調(diào)節(jié)的、容性1.0MVar～感性1.0MVar的動態(tài)無功補償裝置，采用全容量動態(tài)無功補償裝置SVG。動態(tài)無功補償裝置響應(yīng)時間不大于30ms，并能分相調(diào)節(jié)。

5.4 功率控制系統(tǒng)接口和通信

1）系統(tǒng)與主站通信接口。

系統(tǒng)與主站接口功能包括：系統(tǒng)向主站傳送采集的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，光伏電站接收的主站信息包括:主站下發(fā)的光伏電站發(fā)電出力計劃曲線/電壓曲線，以及由主站發(fā)送的有功/電壓調(diào)節(jié)指令等。

主站實時數(shù)據(jù)采集和控制，直接通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)控制大區(qū)I區(qū)，與有功功率控制系統(tǒng)和無功/電壓控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約（IEC60870-5系列標(biāo)準(zhǔn)）實現(xiàn)通信接口功能。

2）系統(tǒng)與光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)通信。

系統(tǒng)需實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約（IEC61850、IEC60870-5系列標(biāo)準(zhǔn)等），直接與升壓站綜合自動化系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，以獲得光伏電站升壓站主變，輸出線路并網(wǎng)運行狀態(tài)，輸出線路實際運行有功、無功、電壓及電流等實時數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

隨著我國近幾年內(nèi)新能源的發(fā)展，智能電網(wǎng)對接入點新能源進行有功功率控制和無功調(diào)節(jié)已是必然要求，文中只是提出了太陽能光伏電站發(fā)電模式下實現(xiàn)與負荷側(cè)的交互,若風(fēng)電等新能源接入系統(tǒng)，同樣適用，需要有相應(yīng)的策略變化。因此，支持太陽能、風(fēng)力發(fā)電等清潔能源的接入,擴大系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)能力,滿足電網(wǎng)與負荷側(cè)和諧發(fā)展,實現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟、安全、優(yōu)質(zhì)、高效運行，已成為發(fā)展趨勢。

本文提出在系統(tǒng)側(cè)和電源側(cè)進行有功功率控制和無功調(diào)節(jié)，對緩解棄光風(fēng)險、提高光伏電站出力、保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行具有積極意義并具有實用性。在工程實踐中發(fā)揮著積極作用。

[1]新能源產(chǎn)業(yè)振興和發(fā)展規(guī)劃(2009—2020)[R].北京:國家能源局, 2009:53.

[2]余貽鑫.自動電壓無功控制優(yōu)化系統(tǒng)[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009(2): 125.

[3]徐遐齡,查曉明.電力系統(tǒng)無功優(yōu)化控制[J].高電壓技術(shù),2008,34 (1):158-162.

[4]Sergio Granville.Optimal Reactive Dispatch Through Interior Point Methods[J].IEEE Transactions on Power Systems,2011,9(1): 136-146.

[5]MoursiME,Joos G,Abbey C.A secondary voltage control strategy for transmission level interconnection of wind generation[J].IEEE Trans.on Power Electronics,2008,23(3):1 178-1 190.

[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定：GB/T 1996—2012[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

（編輯：賈娟）

Analysis on Photovoltaic Power Station Connected to the Electricity Grid Active Power and Reactive Voltage Control System Technology

Yu Yong,Tian Yunfei,Xu Haoliang,Zhang Zhongdan,Yang Changhai, Wang Shijun,Zhang Haisheng,Sun Yalu
(Gansu Electric Power Economy&Technology Research Institute,Lanzhou Gansu 730050)

Paper for large-scale new energy access in Gansu power grid of gansu power network,especially in the photovoltaic power station connected to the analysis of existing problems of Gansu power grid,the grid is put forward with active power and reactive power control system solution of the control system of voltage regulation,optimize power regulationmeans.Through carding analysis thoroughly, scientific and reasonable analysis and dealwith the current task.

photovoltaic power station;Gansu power grid;new energy;power control;reactive power regulation

TM615

A

2095-0748(2016)24-0044-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.24.17

2016-11-29

余泳（1966—），女，四川新都縣人，本科，高級工程師，研究方向：電網(wǎng)二次電網(wǎng)規(guī)劃、通信與智能電網(wǎng)規(guī)劃等。