王珊丹,申仲濤
(1.中電普瑞科技有限公司,北京 102200;2. 北京勞動保障職業(yè)學院 機電工程系,北京 100029)
分布式光伏發(fā)電柔性并網(wǎng)接口設備研究
王珊丹1,申仲濤2
(1.中電普瑞科技有限公司,北京102200;2. 北京勞動保障職業(yè)學院 機電工程系,北京100029)
摘要:分布式光伏發(fā)電柔性并網(wǎng)接口設備集成了繼電保護、測控、電能質(zhì)量控制、遠動、諧波治理等功能,用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接,實現(xiàn)對分布式光伏發(fā)電的統(tǒng)一管理,是分布式光伏發(fā)電實現(xiàn)“即插即用”的重要技術手段。介紹了分布式光伏發(fā)電柔性并網(wǎng)接口設備的具體研究內(nèi)容,提出了主控機箱+分控模塊的方式,解決了分布式發(fā)電單元低功率運行時諧波大的問題,且接口處實現(xiàn)了防孤島功能。
關鍵詞:分布式光伏發(fā)電;柔性并網(wǎng)接口設備;主控機箱;分控模塊
0引言
近年來,分布式光伏發(fā)電憑借其容量小、接入電壓等級低、近負荷側、配置靈活等優(yōu)勢,已廣泛應用于工業(yè)廠房、公共建筑、居民屋頂以及地面建設[1]。作為太陽能發(fā)電的重要應用方式,分布式光伏發(fā)電能夠充分利用太陽能輻射范圍廣的特點,避免集中建設的場地限制因素,尤其面對我國中東部地區(qū)人口居住密集的現(xiàn)實條件,其大范圍應用前景極為廣闊[2-6]。
為支持分布式光伏發(fā)電發(fā)展,國家相繼出臺一系列政策。2010年12月,國家財政部、科技部、住房和城鄉(xiāng)建設部、國家能源局四部門聯(lián)合召開會議,主題為“加快推進國內(nèi)光伏發(fā)電規(guī)模化應用”,在采取特許權招標支持光資源豐富地區(qū)建設大型荒漠電站的同時,運用財政補貼方式,加大金太陽和太陽能光電建筑應用示范工程的實施力度[7-10]。
但是,分布式光伏發(fā)電仍面臨接入方式不一、接入電壓低、運營模式復雜、發(fā)展初期相關政策不完善、管理不規(guī)范、標準不配套等問題,給電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行帶來了隱患[3]。
分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)存在眾多問題,無法充分發(fā)揮分布式發(fā)電規(guī)模小、效率高、效益好的優(yōu)勢。
國家電網(wǎng)公司在2013年編制了《分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)接口裝置技術要求》,對分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)接口裝置的功能、性能、安全性、電磁兼容性及試驗做出了基本要求,但是內(nèi)容相對簡單,功能不完善,而且只對10 kV等級并網(wǎng)裝置提出了要求[11]。通過開展分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)柔性接口裝置的研究,可掌握分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)的計量、電能質(zhì)量采集、繼電保護、電壓調(diào)節(jié)、潮流控制、諧波檢測治理等方法,研究開發(fā)實用、技術融合型的并網(wǎng)接口設備,解決分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)難的實際問題。
1主要研究內(nèi)容
圍繞計量、電能質(zhì)量控制、保護、測控、監(jiān)控、遠動、諧波治理、通信一體化并網(wǎng)接口設備實用化過程中所要解決的關鍵技術問題開展相關研究,具體研究內(nèi)容如下。
1.1柔性并網(wǎng)接口設備的概念、特點
分布式光伏并網(wǎng)接口設備是隨著國家分布式光伏發(fā)電容量迅速增加而誕生的新生兒,國家電網(wǎng)公司的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)接口裝置技術規(guī)范的初稿剛剛發(fā)布。分布式電源怎么才能并入電網(wǎng)而無任何沖擊,接口設備如何很好地控制分布式電源并入電網(wǎng)而對電網(wǎng)無任何沖擊,柔性并網(wǎng)接口設備是亟須研究的內(nèi)容。
1.2并網(wǎng)接口設備整體方案研究
根據(jù)并網(wǎng)接口設備的需求,明確并網(wǎng)接口設備在分布式光伏發(fā)電中的配置方案,制訂并網(wǎng)接口設備的整體方案,具體包括以下內(nèi)容。
(1)研究380 V/10 kV分布式光伏發(fā)電的典型設計方案,分析其計量、電能質(zhì)量采集、保護、測控、監(jiān)控、通信等方面的技術要求和典型配置。
(2)系統(tǒng)分析分布式光伏發(fā)電自身運行管理中存在的問題,重點研究分布式光伏發(fā)電對并網(wǎng)點開關、電能質(zhì)量等的監(jiān)控方式,提出分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)接口設備對分布式光伏發(fā)電運行管理的實現(xiàn)方法。
(3)研究不同容量、不同電壓等級的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)外的通信模式,確定最佳的通信方案和模式,為并網(wǎng)接口設備的通信功能和模塊設計提供指導和依據(jù);與配網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)之間的通信,重點研究有線通信和無線通信的方案及可實施性,最終確定集計量、電能質(zhì)量采集、保護、測控、通信、監(jiān)控于一體的并網(wǎng)接口設備整體方案[12]。
分布式光伏發(fā)電柔性并網(wǎng)接口設備組網(wǎng)方式如圖1所示。
圖1 分布式光伏發(fā)電柔性并網(wǎng)接口設備組網(wǎng)方式
1.3繼電保護和安全控制研究
分布式光伏接入配電系統(tǒng)后,因其接入位置及故障發(fā)生位置不同,可能導致傳統(tǒng)配網(wǎng)保護產(chǎn)生如下問題:正向助增短路電流,使距保護點較遠的上一級保護越級動作,擴大了保護動作范圍;反向助減短路電流,使保護拒動,不能及時切除故障線路;導致非同期重合閘現(xiàn)象,當電網(wǎng)故障失電進行重合閘操作時,如果分布式光伏發(fā)電孤島運行,將導致配網(wǎng)非同期重合閘,使相關設備受損[13]。因此,應在傳統(tǒng)保護的基礎上,結合分布式發(fā)電的特點,制訂新的柔性并網(wǎng)接口設備保護控制策略,既能保證主電網(wǎng)免受分布式光伏發(fā)電的侵害,又可保證分布式光伏發(fā)電設備免受主電網(wǎng)故障的影響。
1.4孤島控制策略
分布式光伏發(fā)電及相關開關裝置不允許形成意外孤島,對于非計劃孤島,應保證從孤島發(fā)生到并網(wǎng)斷路器斷開(將光伏電站與電網(wǎng)斷開)的時間不大于2 s[14];故障恢復后,配電網(wǎng)的電壓和頻率滿足穩(wěn)定要求時方可允許重新并網(wǎng)[15]。根據(jù)接口設備不同接入電壓等級及接入點進行主動及被動孤島防護策略的研究,形成完善、通用的孤島控制算法[16]。
1.5功率調(diào)節(jié)控制策略研究
研究并網(wǎng)接口設備對分布式光伏發(fā)電供電質(zhì)量的自適應調(diào)節(jié)控制策略和算法。根據(jù)并網(wǎng)接口設備對并網(wǎng)點電能質(zhì)量的監(jiān)測結果,自適應地計算出電能質(zhì)量調(diào)節(jié)策略,即向光伏并網(wǎng)逆變器、儲能設備(如有)發(fā)出有功與無功調(diào)節(jié)指令,以改善分布式光伏發(fā)電的供電質(zhì)量[17]。重點研究如何根據(jù)頻率、電壓偏差計算出合理的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)命令,如何根據(jù)各光伏并網(wǎng)逆變器的運行狀態(tài),合理分配調(diào)節(jié)指令等的控制策略;同時,在分布式電源自適應調(diào)節(jié)的基礎上,研究并網(wǎng)接口設備對配網(wǎng)調(diào)度機構的調(diào)度指令進行控制與監(jiān)測,根據(jù)分布式光伏發(fā)電當前的運行狀態(tài)與可調(diào)容量,合理執(zhí)行配網(wǎng)的調(diào)度指令等的運行控制。
1.6基于主控機箱和分控模塊運行模式的群控消諧算法研究
當早晨、傍晚或光照不足時,分布式光伏并網(wǎng)逆變器輸出功率低,輸出電流小,造成逆變器輸出的諧波成倍增加,導致分布式光伏發(fā)電所在區(qū)域諧波超標,嚴重影響電能質(zhì)量及負荷[18]。為了解決這一問題,提出了主控機箱和分控模塊協(xié)調(diào)運行的并網(wǎng)接口裝置群控消諧控制策略,利用分控模塊與主控模塊的協(xié)調(diào)工作及實時調(diào)節(jié)功能,部分降低諧波有效值和百分比,提高電能質(zhì)量。
1.7并網(wǎng)接口設備的研制及試驗驗證
在并網(wǎng)接口設備功能模塊組件化設計基礎上,對并網(wǎng)接口設備各模塊組件的系統(tǒng)布置進行優(yōu)化設計,開展適用于不同用戶需求的并網(wǎng)接口設備外形、尺寸、安裝方式等方面的研究,增強并網(wǎng)接口設備的實用化,并進行并網(wǎng)接口設備內(nèi)部結構、生產(chǎn)工藝、電磁兼容等方面的設計和研究,增強并網(wǎng)接口設備的產(chǎn)品化和環(huán)境的適應能力,最終進行相關的型號式樣試驗。
2研發(fā)基礎及已有支撐工程項目
目前某公司研發(fā)團隊已經(jīng)研發(fā)出通用控制系統(tǒng)保護平臺(UP平臺),在二次板卡設計、EtherCAT和以太網(wǎng)通信等方面奠定了堅實的基礎,為該項目的開展提供了良好的設備和硬件支撐。
在逆變器研發(fā)方面,該公司已研發(fā)了2.5~500 kW的系列化逆變器,并通過了金太陽認證,在電力電子拓撲設計、一次硬件設計和結構設計方面積累了豐富經(jīng)驗。在儲能設備研制方面,開發(fā)了儲能控制器、電池管理系統(tǒng)(BMS)、大功率交錯并聯(lián)式儲能DC/DC換流器,并用于實際工程。
同時,該公司還先后承擔了國內(nèi)部分省市10 kW分布式光伏發(fā)電工程項目,為產(chǎn)品開發(fā)應用提了供堅實的基礎,積累了豐富經(jīng)驗。
3產(chǎn)品創(chuàng)新點
3.1群控消諧
該產(chǎn)品創(chuàng)造性地提出了主控+分控的方式,以解決分布式光伏發(fā)電設備在低功率運行時諧波百分比大的問題。逆變器低功率運行時,采樣精度較低,會產(chǎn)生較大諧波,通過提高輸出電流,可以降低電流諧波的有效值和百分比[19]。
分控模塊運行方式如圖2所示,分控模塊實時檢測各個分布式發(fā)電單元并網(wǎng)點的電壓電流諧波、斷路器狀態(tài)、有功/無功功率并上送到主控模塊,主控模塊根據(jù)并網(wǎng)點及各個發(fā)電單元諧波信息,進行諧波計算并下發(fā)指令到各個逆變器,提高其無功功率,增加逆變器的輸出電流,有效降低分布式光伏逆變器的輸出諧波百分比,達到群控消諧的目的。當光照增強有功增大時,降低無功輸出,提高有功功率輸出能力,既能保證分布式光伏并網(wǎng)逆變器的發(fā)電能力,又能部分降低諧波并提高電能質(zhì)量;同時,主控機箱預留了與有源電力濾波器(APF)的通信接口,可以通過控制APF提高消諧能力。
分控模塊是獨立的部分,用戶可根據(jù)需求進行選擇。
圖2 分控模塊并網(wǎng)方式
3.2孤島控制
現(xiàn)有逆變器級的孤島保護策略,不論是被動式的還是主動式的,都存在死區(qū),當發(fā)生孤島時,都不能100%斷開電網(wǎng)連接。該產(chǎn)品將作為逆變器孤島保護的后備保護,通過先進的控制策略,保證在發(fā)生孤島的情況下,2 s內(nèi)斷開電網(wǎng)與分布式電源的連接。
4關鍵技術及應對措施
4.1繼電保護技術
分布式的繼電保護功能和傳統(tǒng)的繼電保護功能有所不同,在現(xiàn)有傳統(tǒng)保護的基礎上,采用聯(lián)合開發(fā)的方式開發(fā)適用于分布式光伏系統(tǒng)的繼電保護控制。
4.2有功/無功調(diào)節(jié)技術
對于10 kV電壓等級的分布式光伏發(fā)電,根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度機構指令控制各分布式發(fā)電單元有功/無功功率輸出[20]。對于380 V等級,根據(jù)并網(wǎng)點電壓電流情況及用戶設定的情況,控制各分布式發(fā)電單元有功/無功功率輸出。
4.3群控消諧技術
群控消諧算法的實現(xiàn)是該產(chǎn)品的創(chuàng)新點,也是技術難點,通過發(fā)電單元的功率調(diào)節(jié)及集中式諧波補償相結合的方式,使分布式光伏發(fā)電在并網(wǎng)側及負荷側的諧波達到標準。
4.4防孤島技術
防孤島算法是該產(chǎn)品的創(chuàng)新點,也是技術難點,通過判斷主動式+被動式及并網(wǎng)點電壓電流諧波、斷路器開關狀態(tài),采取模糊識別的綜合判斷技術來實現(xiàn)孤島保護的無死區(qū)保護。
4.5規(guī)約轉換技術
主控機箱具備Modbus,103,104規(guī)約轉換功能,具備接入IEC 61850規(guī)約轉換模塊功能。前期接入現(xiàn)成的IEC 61850轉換模塊,IEC 61850技術成熟后,可使用自己的技術。
5結束語
目前也有不少企業(yè)開發(fā)出并網(wǎng)接口設備樣機,并進行了示范應用,但還沒有市場化應用。該接口設備開發(fā)主要集中在380 V用戶側和10 kV用戶側,具備計量、電能質(zhì)量檢測、保護、測控、通信等基本功能,但分布式光伏發(fā)電的諧波檢測、治理,孤島防護等功能仍存在缺陷。
該產(chǎn)品的市場格局尚未形成,而產(chǎn)品研發(fā)團隊在分布式光伏發(fā)電設備研制方面有一定的基礎,創(chuàng)造性地提出了主控機箱+分控模塊的方式,解決了分布式發(fā)電單元低功率運行時諧波大的問題,且接口處實現(xiàn)了防孤島功能,在與同類產(chǎn)品價格相當?shù)幕A上,豐富了產(chǎn)品功能,并網(wǎng)接口設備如果能較快投入市場,將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。
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(本文責編:劉芳)
收稿日期:2015-10-10;修回日期:2016-04-19
中圖分類號:TM 615
文獻標志碼:B
文章編號:1674-1951(2016)04-0068-03
作者簡介:
王珊丹(1984—),女,內(nèi)蒙古通遼人,工程師,從事電力系統(tǒng)控制屏柜設計工作作(E-mail:648265377@qq.com)。
申仲濤(1976—),男,河北新樂人,高級工程師,從事電力系統(tǒng)自動化方面的工作作(E-mail:shenzht@qq.com)。