光伏發(fā)電站多源無功電壓控制新技術(shù)研究

陳堃　蔡德勝　居正山

摘要：新能源高比例接入電網(wǎng)會引起電網(wǎng)電壓波動，鑒于此，提出了SVG和光伏逆變器協(xié)調(diào)快速無功控制的架構(gòu)，監(jiān)測光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流，實(shí)時計算電壓變化，集中采集動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的無功功率裕度，分散采集光伏逆變器無功功率可調(diào)節(jié)裕度和狀態(tài)，結(jié)合調(diào)度電壓計劃實(shí)時分解無功功率調(diào)節(jié)量，制訂最優(yōu)無功電壓調(diào)節(jié)策略，分解無功功率調(diào)節(jié)指令調(diào)節(jié)多無功源出力，完成光伏電站級電壓控制。目前，該技術(shù)已經(jīng)在光伏電站中試點(diǎn)運(yùn)行，動態(tài)無功響應(yīng)時間小于30 ms，大大降低了動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的動作頻率，降低了光伏電站運(yùn)行損耗。

關(guān)鍵詞：光伏電站;逆變器;靜止無功發(fā)生器;協(xié)調(diào)控制;無功電壓

中圖分類號：TM615;TM714.3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）05-0019-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.005

引言

現(xiàn)階段集中式光伏電站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中主要還是采用SVG進(jìn)行暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)無功補(bǔ)償，光伏逆變器輔助參與穩(wěn)態(tài)無功調(diào)節(jié)。雖然SVG在補(bǔ)償效果上優(yōu)于SVC，但其存在價格昂貴、故障率高和運(yùn)行損耗大等問題[1-2]，增加了光伏電站的前期投資，同時其經(jīng)濟(jì)性較差，且集中式母線補(bǔ)償方式可靠性也相對較低。逆變器是光伏電站發(fā)電的核心部件，在電路結(jié)構(gòu)上與SVG同屬電力電子器件，原理相似。光伏電站建設(shè)初期，站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)通信的滯后性、逆變器本地PID算法及站控層數(shù)采遙測式通信方式等原因，使得AVC系統(tǒng)控制逆變器無功出力非常緩慢，秒級的無功出力只能參與光伏電站穩(wěn)態(tài)無功響應(yīng)。在光伏電站無功電壓方面的研究中，AVC控制SVG調(diào)節(jié)無功電壓本身也存在無功出力方向不一致、無功調(diào)節(jié)受限等問題[3]，文獻(xiàn)[4]提出并仿真了一種光伏電站并網(wǎng)逆變器與無功補(bǔ)償裝置的協(xié)調(diào)控制策略，文中以SVG優(yōu)先參與無功控制分配，逆變器預(yù)留無功備用參與電網(wǎng)穩(wěn)定，但SVG優(yōu)先參與調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性相對較差，另一方面逆變器暫態(tài)無功支撐能力不足。文獻(xiàn)[5]從智能化角度采用自適應(yīng)預(yù)測算法在分布式光伏中實(shí)現(xiàn)了無功電壓的控制策略研究，在不影響控制效果的前提下，通過預(yù)測算法可以降低逆變器的開關(guān)頻率，進(jìn)而減小開關(guān)損耗，提高逆變效率，值得在集中式光伏電站中借鑒。文獻(xiàn)[6]從光伏電站投資經(jīng)濟(jì)性角度，采用SVC和光伏逆變器共同參與電站無功電壓穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的方案，暫態(tài)電壓支撐尚需論證。文獻(xiàn)[7]提出了一種主動配電網(wǎng)DHT-VVC方法，利用PV提供靈活的無功功率來提高配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性，在多可控資源下考慮多尺度無功電壓控制方法，值得借鑒。文獻(xiàn)[8]提出了基于MPC的新能源電站發(fā)電單元與無功補(bǔ)償裝置的無功電壓協(xié)調(diào)控制策略，從時間軸協(xié)調(diào)兩種無功資源的出力，提高了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，雖然能挖掘新能源發(fā)電單元的穩(wěn)態(tài)無功潛力，減少STATCOM出力，提高其控制裕度，但兩種無功源響應(yīng)速度為兩個量級，控制裕度相對復(fù)雜，協(xié)調(diào)難度大。

本文在挖掘光伏逆變器無功潛力的基礎(chǔ)上，優(yōu)化通信方式，且在逆變器側(cè)功率開環(huán)，實(shí)現(xiàn)光伏逆變器參與電網(wǎng)暫態(tài)支撐，大大拓展了光伏電站無功功率源控制裕度，特別是暫態(tài)無功控制裕度，進(jìn)一步提高了光伏電站參與電網(wǎng)穩(wěn)定的裕度，同時簡化了多源不同級響應(yīng)源的控制復(fù)雜性，可以通過靈活的控制策略實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、維護(hù)性等多維度控制。

1? ? 需求分析

1.1? ? 發(fā)電單元快速無功支撐的必要性

現(xiàn)階段光伏電站AVC已將逆變器納入無功源，但逆變器技術(shù)自身的滯后性以及光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)通信的時滯性導(dǎo)致光伏發(fā)電單元無法快速釋放功率，使得光伏電站只能依托SVG完成動態(tài)電壓支撐。SVG采用集中式母線補(bǔ)償方式，由于一次設(shè)備的投入，光伏電站前期建設(shè)成本增加，同時SVG還存在故障率高、損耗大、安全性低等缺點(diǎn);由于采用集中式補(bǔ)償，光伏電站無功支撐的可靠性較低。

1.2? ? 光伏電站功率控制回路優(yōu)化的必要性

隨著一次調(diào)頻項目的推進(jìn)，光伏電站功率控制方案呈現(xiàn)出多樣化的趨勢，組網(wǎng)形式的不統(tǒng)一也造成了技術(shù)方案的多樣化，導(dǎo)致用戶協(xié)調(diào)程序煩瑣，工程調(diào)試周期長，無形中增加了人工成本的投入。為實(shí)現(xiàn)光伏電站一次調(diào)頻功能，受AGC/AVC和一次調(diào)頻分相技術(shù)門檻約束，技術(shù)層面本可以融合的產(chǎn)品尚未誕生，使得光伏電站功率控制回路中設(shè)備冗余，帶來了非必要裝備的投入。傳統(tǒng)AGC與能量管理系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)本是二次設(shè)備間的正常工程工作，由于頂層設(shè)計的滯后性，一次調(diào)頻獨(dú)立實(shí)施給用戶帶來了額外的成本投入。同時，現(xiàn)階段文件指標(biāo)需求尚不能支撐新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定需求，未來短中期時間內(nèi)電網(wǎng)對光伏電站的技術(shù)升級將持續(xù)跟進(jìn)，現(xiàn)階段將迎來新一輪補(bǔ)丁式的技改，給用戶帶來額外的經(jīng)濟(jì)損失。

2? ? 系統(tǒng)方案

優(yōu)化后，逆變器具備暫態(tài)控制能力，SVG由暫態(tài)支撐、穩(wěn)態(tài)控制變?yōu)闀簯B(tài)、穩(wěn)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)了光伏電站場站級暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制。如圖1所示，逆變器與SVG共同組網(wǎng)參與場站級協(xié)調(diào)和控制。

光伏電站功率控制回路路徑優(yōu)化包含發(fā)電單元過程層路徑優(yōu)化、站控層功率層面的通信路徑優(yōu)化。

在過程層路徑優(yōu)化方面，光伏電站過程層路徑包含一次調(diào)頻與能量管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路徑（G1）、能量管理系統(tǒng)與風(fēng)電主控主機(jī)/光伏通信管理機(jī)的網(wǎng)絡(luò)路徑（G2）、風(fēng)電主控主機(jī)/光伏通信管理機(jī)與變流器/逆變器的RS485路徑（G3）、變流器/逆變器與執(zhí)行單元的內(nèi)部指令交換路徑（G4）。其中，G1部分為點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)高速通信，但協(xié)議棧的時滯性較差;G2部分雖然為鏈路層網(wǎng)絡(luò)高速通信，但應(yīng)用層采用點(diǎn)對點(diǎn)串行通信策略會小比重增加通信時滯性;G3部分鏈路層路徑速率較低，且串行輪詢的通信機(jī)制會大比重增加通信時滯性;G4部分為內(nèi)部指令交換，屬于產(chǎn)品內(nèi)部優(yōu)化路徑。整個過程層通信路徑中G2、G3優(yōu)化潛力最大，G4路徑離散性大，但比重較低。本方案重點(diǎn)優(yōu)化路徑為G1、G2、G3三部分，融合兩部分路徑，采用組播GOOSE方式可大比重提升路徑帶寬，降低路徑時滯性。

在站控層路徑優(yōu)化方面，站控層路徑包含遠(yuǎn)動裝置與AGC系統(tǒng)通信路徑（S1）、遠(yuǎn)動裝置與AVC系統(tǒng)路徑（S2）、遠(yuǎn)動裝置與一次調(diào)頻系統(tǒng)路徑（S3）、AGC系統(tǒng)與一次調(diào)頻系統(tǒng)路徑（S4）、AVC系統(tǒng)與SVG成套設(shè)備路徑（S5）。其中，S1、S2路徑為現(xiàn)有路徑，以太網(wǎng)通信方式;S3、S4路徑為現(xiàn)階段新增路徑，以太網(wǎng)通信方式;S5為現(xiàn)有路徑，多為RS485通信方式。S1～S4通信路徑由于頂層設(shè)計，現(xiàn)場有多家廠家參與，協(xié)調(diào)難度大，成本高，施工周期長，可將AGC/AVC功能融合到一次調(diào)頻系統(tǒng)，這是本次站控層路徑優(yōu)化的重點(diǎn)之一。S5部分可以通過過程層路徑優(yōu)化實(shí)現(xiàn)技術(shù)替代，也是本次站控層路徑優(yōu)化的重點(diǎn)之一。

3? ? 控制策略

3.1? ? 系統(tǒng)控制流程

光伏電站完成路徑優(yōu)化和裝備優(yōu)化后，場站存在兩套具備暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制的無功源，在光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)功率執(zhí)行站側(cè)直采電壓，測量場站對電力系統(tǒng)的阻抗，設(shè)定穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電壓門限值（可在線變更），功率執(zhí)行站實(shí)時跟蹤電壓波動，當(dāng)光伏電站電壓越過暫態(tài)電壓門限值時，實(shí)時計算容性或感性無功調(diào)節(jié)量，根據(jù)無功源裕度實(shí)時下發(fā)無功遙調(diào)指令群控場站無功源，實(shí)現(xiàn)場站級暫態(tài)電壓支撐，同時，暫態(tài)控制狀態(tài)機(jī)接收調(diào)度電壓控制指令，響應(yīng)新的目標(biāo)電壓值，從而完成場站級穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)。其流程示意圖如圖2所示。

3.2? ? 光伏電站無功電壓控制模式

考慮光伏電站運(yùn)行工況，本方案可實(shí)現(xiàn)3種控制模式：經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式、SVG檢修模式和發(fā)電檢修模式。

（1）經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式是指在正常發(fā)電工況下，功率執(zhí)行站優(yōu)先將光伏逆變器作為場站的無功電壓調(diào)節(jié)對象，SVG作為容量補(bǔ)充，降低SVG運(yùn)行損耗，提高光伏電站經(jīng)濟(jì)性。

（2）SVG檢修模式是指功率執(zhí)行站能實(shí)時監(jiān)測SVG運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)SVG設(shè)備因故障檢修而離線時，功率執(zhí)行站只將逆變器作為無功電壓調(diào)節(jié)對象;當(dāng)SVG重新上線后，可自動切換為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。

（3）發(fā)電檢修模式是指功率執(zhí)行站能實(shí)時監(jiān)測光伏逆變器運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)部分光伏逆變器因檢修而離線時，功率執(zhí)行站能智能識別無功可調(diào)節(jié)裕度，保障發(fā)電檢修過程中光伏電站無功電壓的持續(xù)性。

3種控制模式支持手動設(shè)定，也可以智能運(yùn)行，當(dāng)采用智能運(yùn)行時，其狀態(tài)轉(zhuǎn)遷圖如圖3所示，其中A、A代表逆變器在線和離線，B、B代表SVG在線和離線。

4? ? 結(jié)語

本文在挖掘光伏逆變器無功潛力的基礎(chǔ)上，采用逆變器和SVG協(xié)調(diào)參與電網(wǎng)電壓控制，具備以下幾個優(yōu)勢：（1）等效提升了現(xiàn)階段標(biāo)準(zhǔn)下的光伏電站無功配比容量，為電網(wǎng)提供了更多的可調(diào)度無功資源，提升了光伏電站并網(wǎng)友好性;（2）豐富了光伏電站無功電壓控制模式，降低了光伏電站因SVG檢修而失去暫態(tài)無功支撐功能的概率，提升了光伏電站無功電壓支撐的持續(xù)性;（3）在正常發(fā)電工況下，采用無功電壓經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式可降低光伏電站因SVG頻繁動作帶來的熱損耗，降低場用電量;（4）基于逆變器調(diào)相參與電網(wǎng)暫態(tài)無功技術(shù)的推廣，可以降低光伏電站SVG的配比或?qū)VG作為備用，從而降低光伏電站的運(yùn)行損耗。

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收稿日期：2021-12-27

作者簡介：陳堃（1987—），男，江蘇射陽人，工程師，研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)。