光伏發(fā)電系統(tǒng)級快速功率調(diào)控技術及其應用

劉明昕

摘要：隨著新能源在某些電網(wǎng)中占比超過20%，電網(wǎng)的運能面臨諸多困難和問題，迫切需要進行新能源發(fā)電的挖掘與開發(fā)，尤其是IGBT晶體管。雙極晶體管逆變器通過其電源控制系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，從而可以快速響應電力控制和配套服務，例如一次調(diào)頻/調(diào)壓系統(tǒng)。在此背景下，本文提出了新能源系統(tǒng)尤其是光伏生產(chǎn)層面的快速電力控制系統(tǒng)。其目的是在整個電網(wǎng)系統(tǒng)層面實現(xiàn)100毫秒內(nèi)新能源尤其是光伏電站響應功率的快速增減。該文提出了對現(xiàn)有能源安全穩(wěn)定系統(tǒng)進行最先進的系統(tǒng)改造，旨在確保光伏電站可以修復而不是更換，實現(xiàn)更快、更可持續(xù)的光伏發(fā)電。提供逆變器反向跳躍峰值功率點跟蹤（MPPT）算法等技術，設計滿足逆變器快速響應要求的逆變器電源管理平臺。[1]該解決方案已應用于中國西藏電力系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場實際測試結果，光伏響應時間在30ms以內(nèi)，整個系統(tǒng)響應時間在60ms以內(nèi)，達到了100ms以內(nèi)的設計目標，測試和性能結果確保技術性能和發(fā)展需求。

關鍵詞：新能源;光伏發(fā)電;穩(wěn)定控制系統(tǒng)

近年來，隨著新能源在我國的大力推廣和利用，不僅給社會帶來了清潔衛(wèi)生的能源，也帶來了一系列新的困難和挑戰(zhàn)。

光伏發(fā)電，風電與電網(wǎng)結合后，由于其主要設備集中在電子設備上，無法在中斷過程中提供電網(wǎng)所需的有源或高效電力。如果逆變器檢測到電流或電壓超過限值，立即進入高壓傳輸模式，有功功率將降為零甚至關斷，等于輸出功率為零，對電網(wǎng)進行二次功率沖擊，將沖擊電能傳輸?shù)陌踩€(wěn)定環(huán)境。由于當前對可再生能源控制裝置的響應速度較慢（分鐘率）且普遍缺乏基本的頻率波動，因此頻率波動和電力系統(tǒng)高度控制主要由常規(guī)電源處理，給高壓電力系統(tǒng)控制帶來很大壓力。

1當前新能源站功率控制及其不足

當前用于控制新能源發(fā)電站產(chǎn)生的電力的自動電力控制（AGC）系統(tǒng)由來已久。在ACG使用網(wǎng)絡層中的通信單元（也稱為通信控制設備或連續(xù)規(guī)則開關）發(fā)送命令后，通用通信單元需要將TCP控制消息通過RS-轉(zhuǎn)換為MODBUS消息。串口485（4800位/秒或9600bps）并將其發(fā)送到指定的光伏逆變器，上述過程需要8-15秒或更長時間。[2]

在標準的光伏逆變器中，接口單元通常是先接收外部指令，然后再將指令（通常是串口）傳送到最后一個功率控制單元。在此過程中，逆變器內(nèi)部通訊的延遲可達1～2s;此外，在許多現(xiàn)代光伏逆變器中，指定功率控制單元在接收到一組目標功率后，通常采用傳統(tǒng)的高密度功率算法（MPPT）進行功率跟蹤，通常需要1～3s。經(jīng)過以上分析，我們可以得出目前新一代光伏電站AGC發(fā)電的響應時間為10-20s。站內(nèi)控制系統(tǒng)長期通信的構建，以及逆變器本身的傳輸和最終功率的相應通信過程、介質(zhì)和算法，以新的功率觸發(fā)當前的光伏功率控制響應。

從安全角度來看，電力系統(tǒng)管理高度依賴于電力傳送系統(tǒng)和穩(wěn)定控制系統(tǒng)。調(diào)度系統(tǒng)注重穩(wěn)定管理，長期可控;而穩(wěn)定性控制系統(tǒng)則是基于強擾動性事件的快速控制，主要從能量角度來解決能量系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。第二道防線，現(xiàn)有的穩(wěn)定控制系統(tǒng)通過直接斷開發(fā)電機組（包括110kV線路和新建電站220kV線路）和充電線路來維護電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。在西藏、西北等地區(qū)，在新能源風電或光伏出現(xiàn)功率缺額時，往往采取減負措施，造成嚴重的負面生產(chǎn)和社會后果;當剩余能量時，通常先關閉光伏和風電電纜。這種直接拆除整廠或關閉傳輸通道的方式，不僅會導致局部電力控制出現(xiàn)問題，還會出現(xiàn)多條回收電纜、施工周期過長等與工廠經(jīng)濟運行不相容的問題。

此外，對于可再生能源水平較高的電網(wǎng)，電網(wǎng)必須快速使用新的修復能力，以彌補傳統(tǒng)發(fā)電分配的不足。如果新電站能夠在100毫秒內(nèi)快速設置，將減少停電和負荷量;此外，維護含有新能源電站的電網(wǎng)也有助于解決有功能源問題，這對安全很重要，并提高能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

2新能源快速功率調(diào)控系統(tǒng)架構

由于新能源電力尤其是發(fā)電控制存在上述不足，結合穩(wěn)定控制系統(tǒng)在快速控制方面的優(yōu)勢和新能源電力快速控制的需要，本文提出以電網(wǎng)電力管理系統(tǒng)為主要手段，專用站發(fā)出分步指令，然后新能源電廠的電廠能源控制層檢測所有電廠能源的衰減和轉(zhuǎn)移，最后利用逆變技術開發(fā)出高效、快速的新型電力系統(tǒng)。

該技術的主要目的是通過快速減/增功率、減載或缺載、減少停堆裝置（水、換熱器）、關閉或不關閉發(fā)電機或在現(xiàn)有穩(wěn)定控制系統(tǒng)出現(xiàn)任何中斷或故障時，通過電力系統(tǒng)要求的直接超馳功能，超過電力控制系統(tǒng)200～300毫秒的響應速度.

3新能源廠站快速功率調(diào)控技術

光伏，風電的逆變器等設備的IGBT具有出色的快速響應特性。其中，在光伏發(fā)電中，由于沒有旋轉(zhuǎn)機械部件，因此比風能具備更快的功率轉(zhuǎn)換條件。北方等農(nóng)村地區(qū)的光伏裝機容量和生產(chǎn)能力已達到甚至超過風電水平。因此，本文首先考察光伏電站的快速能量控制技術?？紤]到目前AGC光伏電源管理系統(tǒng)在各個領域存在的不足，首先是開發(fā)一種可以與光伏逆變器的高速控制和效率進行通信的設備，這樣整個站的光伏逆變器都是新的、快速的電源。

4結語

（1）提出了新能源特別是光伏電站的電源管理技術。該技術可以檢測到整個電網(wǎng)100ms以內(nèi)的光伏功率控制響應速度，可以滿足電網(wǎng)中斷較多時新建新能源電廠100ms快速響應時間的需求。

（2）標準系統(tǒng)架構、新型快速功率控制裝置、站內(nèi)快速網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)、集成光伏發(fā)電平臺、功率跟蹤系統(tǒng)等相關技術組成的快速功率調(diào)控系統(tǒng)架構，這一架構在西藏電力系統(tǒng)中得到了成功實施。測試結果表明，該系統(tǒng)提供了優(yōu)良的控制特性：單廠約30ms，全網(wǎng)約60ms，證明新能源，尤其是光伏電站，具有快速控制兩種功率模式的能力。

（3）逆變器還具有快速調(diào)整有功功率的能力。一項基于大功率逆變器自校正功率的研究，充分利證明了這點。充分利用該研究結果還可以減少對特殊電站設備安裝的需求，有利于提高建設和運行光伏電站的水平。此外，它還可以起到防止電力系統(tǒng)停電的作用，有助于新能源的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1]吳碩.光伏發(fā)電系統(tǒng)功率預測方法研究綜述[J].熱能動力工程，2021，36（08）：1-7.

[2]徐晨，金軍.光伏發(fā)電系統(tǒng)非接觸并網(wǎng)供電自動控制方法[J].光學與光電技術，2021，19（04）：55-61.