光伏發(fā)電站功率控制測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

吳蓓蓓， 林小進(jìn)， 包斯嘉， 劉美茵

(中國(guó)電力科學(xué)研究院新能源與儲(chǔ)能運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

0 引 言

隨著光伏發(fā)電站在電力系統(tǒng)中裝機(jī)容量所占比例越來(lái)越大，其對(duì)電網(wǎng)的影響日益顯著[1]。為保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19964—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[2]和GB/T 29321—2012 《光伏發(fā)電站無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)定》[3]中規(guī)定了光伏發(fā)電站應(yīng)能夠接收并自動(dòng)執(zhí)行電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)下達(dá)的有功/無(wú)功控制指令。電力系統(tǒng)調(diào)度部門(mén)對(duì)光伏發(fā)電站的調(diào)峰調(diào)頻以及電壓支撐能力也有詳細(xì)的性能要求，明確要求光伏發(fā)電站具有參與電網(wǎng)調(diào)度的能力，同時(shí)隨著調(diào)度系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展，調(diào)度部門(mén)將要求光伏發(fā)電站自動(dòng)發(fā)電控制(AGC，Automatic Generation Control)系統(tǒng)和自動(dòng)電壓控制(AVC，Automatic Voltage Control)系統(tǒng)逐步接入電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度的一體化運(yùn)行，提高電網(wǎng)安全。光伏發(fā)電站功率控制性能的好壞直接影響調(diào)度的可靠性和安全性。因而如何科學(xué)客觀地評(píng)價(jià)光伏發(fā)電站功率控制性能成為大家研究的課題。

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用于光伏發(fā)電站功率控制的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)際測(cè)試應(yīng)用，驗(yàn)證其性能良好。

1 功率控制測(cè)試現(xiàn)狀

當(dāng)前功率控制測(cè)試主要是通過(guò)人工直接給光伏發(fā)電站下達(dá)有功/無(wú)功控制指令，然后通過(guò)獨(dú)立的測(cè)量裝置采集和記錄輸出值，后期對(duì)數(shù)據(jù)再進(jìn)行人工處理，從而得到光伏發(fā)電站的相關(guān)性能指標(biāo)[4-8]。該方法具有以下幾點(diǎn)不足：(1)主要是采用人工下達(dá)指令，沒(méi)有將電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)考慮到整個(gè)系統(tǒng)中來(lái)，因此無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試光伏發(fā)電站的響應(yīng)時(shí)間，后期接入到調(diào)度系統(tǒng)中，仍需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校核;(2)采用功率分析儀等零散儀器獨(dú)立測(cè)量檢測(cè)數(shù)據(jù)并記錄存儲(chǔ)，由于數(shù)據(jù)量較大，后期數(shù)據(jù)處理的工作量巨大，嚴(yán)重影響了測(cè)試的進(jìn)度和效率;(3)人工數(shù)據(jù)處理過(guò)程中由于人為因素也增加了數(shù)據(jù)失真的風(fēng)險(xiǎn);(4)整個(gè)測(cè)試過(guò)程較為繁瑣, 測(cè)試周期延長(zhǎng)、效率較低, 給發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量帶來(lái)一定的損失。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

光伏發(fā)電站功率控制測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)模擬調(diào)度單元對(duì)被測(cè)光伏發(fā)電站下達(dá)有功和無(wú)功功率值，并記錄該指令值和下發(fā)時(shí)間；通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元采集光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓和電流值；通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，如圖1所示。

圖1 功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電站功率控制現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試一體化運(yùn)行的系統(tǒng)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括：測(cè)試項(xiàng)目選擇、模擬調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、異常報(bào)警、報(bào)告出具功能以及存儲(chǔ)備份。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.3 硬件構(gòu)成

測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示, 主要由控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信接口、人機(jī)界面接口和輸出I/O口[9]。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

控制器是測(cè)試系統(tǒng)的核心部件, 主要負(fù)責(zé)生成光伏發(fā)電站有功/無(wú)功控制曲線，將控制指令輸送到I/O口，以及對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析 , 同時(shí)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)處理外界指令[10]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)的輸出電壓電流信號(hào)。

人機(jī)界面接口負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和人機(jī)界面的信息交換，用于人機(jī)互動(dòng)，具有顯示、輸入指令的功能[11]。

通信接口負(fù)責(zé)對(duì)與光伏發(fā)電站的AVC和AGC系統(tǒng)進(jìn)行通信, 進(jìn)行控制和信息交換。該系統(tǒng)具有和調(diào)度系統(tǒng)一致的通信接口和通信協(xié)議，用于模擬調(diào)度系統(tǒng)的控制功能[12]。

輸出I/O口將有功/無(wú)功指令信號(hào)輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 模擬調(diào)度功能設(shè)計(jì)

模擬調(diào)度單元能夠模擬電力調(diào)度系統(tǒng)對(duì)光伏發(fā)電站的調(diào)度功能，具有與電站AGC和AVC系統(tǒng)通信能力，能夠?qū)﹄娬具M(jìn)行控制。無(wú)功功率控制方面：具有多種無(wú)功控制模式，包括恒電壓控制、恒功率因數(shù)控制和恒無(wú)功功率控制等。有功功率控制方面：能夠?qū)﹄娬鞠逻_(dá)出力曲線。

3.2 自動(dòng)測(cè)試過(guò)程設(shè)計(jì)

測(cè)試過(guò)程示意圖如圖4所示。針對(duì)被測(cè)對(duì)象制訂測(cè)試方案，設(shè)定控制參數(shù)，下發(fā)到被測(cè)對(duì)象，然后采集被測(cè)對(duì)象響應(yīng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算分析和判斷，生成報(bào)告。

測(cè)試方案中含多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目時(shí)按照設(shè)計(jì)的先后順序自動(dòng)一次完成，每個(gè)測(cè)試案例的測(cè)試結(jié)果是通過(guò)，不影響下一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的進(jìn)行。整個(gè)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)完成，無(wú)需人為干預(yù)。

圖4 自動(dòng)測(cè)試過(guò)程示意圖

3.3 數(shù)據(jù)分析

圖5 有功控制數(shù)據(jù)分析示意圖

有功控制分析如圖5所示。

有功功率響應(yīng)時(shí)間tp,res的計(jì)算公式如下：

tp,res=tp,1-tp,0

(1)

式中:tp,0為設(shè)定值控制開(kāi)始時(shí)刻或前一設(shè)定值控制結(jié)束時(shí)刻；tp,1為有功功率變化第一次達(dá)到設(shè)定階躍值90%的時(shí)刻。

有功功率控制精度ΔP%的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Pset為設(shè)定的有功功率值；Pmes為實(shí)際測(cè)量每次階躍后第二個(gè)1 min有功功率平均值。

無(wú)功功率響應(yīng)時(shí)間和控制精度的計(jì)算方法與有功功率響應(yīng)時(shí)間和控制精度的計(jì)算方法相同。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

選擇某光伏發(fā)電站開(kāi)展測(cè)試，該光伏發(fā)電站容量為30 MWp，無(wú)功配置6 Mvar，接入電壓等級(jí)為35 kV。采用本測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試和常規(guī)測(cè)試2種方式開(kāi)展。光伏發(fā)電站當(dāng)前出力P0為21 MWp。表1、表2分別為有功功率控制能力和無(wú)功功率控制能力測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 有功功率控制能力測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

表2 無(wú)功功率控制能力測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

通過(guò)對(duì)同一座光伏發(fā)電站采用2種測(cè)試方法來(lái)開(kāi)展測(cè)試發(fā)現(xiàn)：

(1)在控制精度方面，2種方法在功率控制方面測(cè)試誤差最大不大于1%，在響應(yīng)時(shí)間方面測(cè)試誤差最大不大于1 s，都在誤差允許范圍內(nèi)，同時(shí)在功率控制響應(yīng)時(shí)間方面完善了常規(guī)測(cè)試沒(méi)有考慮調(diào)度環(huán)節(jié)的時(shí)間問(wèn)題，響應(yīng)時(shí)間測(cè)試更準(zhǔn)確。結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠有效地開(kāi)展測(cè)試。

(2)相對(duì)于常規(guī)測(cè)試方法，采用本系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，節(jié)省了人力，縮短了測(cè)試周期，提高了效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電站功率控制測(cè)試系統(tǒng)代替了直接在發(fā)電站AVC和AGC系統(tǒng)下發(fā)指令或者直接在逆變器和無(wú)功補(bǔ)償裝置上下發(fā)指令來(lái)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)本測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電站功率控制測(cè)試的自動(dòng)化，提高了測(cè)試效率和測(cè)試準(zhǔn)確性，具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣闊。