新能源場站網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術問題研究

劉輝，謝偉，李誠帥，郭緋陽

(河南九域恩湃電力技術有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

為解決全球突出的資源環(huán)境問題，國家提出了構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)戰(zhàn)略方向。宏觀表現(xiàn)上，新型電力系統(tǒng)的特征是以新能源為主體、常規(guī)同步機組為輔，新型電力系統(tǒng)具有“高比例新能源、高比例電力電子設備”特性，在經(jīng)濟消納和安全穩(wěn)定運行等方面給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級帶來巨大挑戰(zhàn)[1－3]。維持電力系統(tǒng)較高的穩(wěn)定水平是保障電力能源安全的基礎，由于新能源電力電子接口所固有的弱支撐性和低抗擾性，隨著裝機容量的快速增長，電力系統(tǒng)的頻率、電壓穩(wěn)定性呈現(xiàn)下降趨勢[4－6]。近年來，新能源高占比區(qū)域已發(fā)生多起電網(wǎng)大停電事故，眾多學者認為應從控制策略層面加強新能源的涉網(wǎng)性能，要求新能源的控制和運行發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，從對電網(wǎng)安全的“被動跟隨” 轉(zhuǎn)變?yōu)?“主動支撐”[7－10]。文獻[11]中，將接入35 kV及以上電壓等級的新能源和常規(guī)機組統(tǒng)稱為電源，提出了原則上一致的耐受性要求。文獻[12]對新能源場站的涉網(wǎng)技術管理及涉網(wǎng)試驗也做了明確的要求。

目前國內(nèi)外研究主要集中于如何提升新能源電力電子設備的控制技術[13－15]，但是對于相關技術推廣應用過程中存在的實際問題研究較少。對新能源場站的網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術落地實施過程中存在的問題進行研究和分析，不僅有助于降低電網(wǎng)安全風險，還對電網(wǎng)友好型控制技術的發(fā)展方向提供一定程度的指導。

本文根據(jù)多年來對新能源場站進行涉網(wǎng)試驗及技術監(jiān)督的經(jīng)驗，從網(wǎng)源協(xié)調(diào)的角度，對新能源場站涉網(wǎng)設備管理現(xiàn)狀進行研究，并以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，對電網(wǎng)安全隱患最突出的涉網(wǎng)試驗項目進行分析，探討問題的原因及解決方案。

1 新能源場站網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術管理問題

1.1 新能源場站涉網(wǎng)測試標準現(xiàn)狀

新能源發(fā)展早期存在的電能質(zhì)量不合格、電網(wǎng)適應性較弱、功率控制能力不足、低電壓穿越能力缺失等多項技術問題如今已通過相關標準的修訂逐步解決。但是由于新能源裝機容量和技術更迭迅速，新能源場站的并網(wǎng)管理體系仍存在一些亟待完善之處。

1)相關性技術標準的數(shù)量多，部分標準內(nèi)容存在交叉重疊，部分標準覆蓋內(nèi)容范圍較窄。

2)標準修訂周期較長，部分標準技術內(nèi)容難以適應電網(wǎng)需求，例如GB/T 19964?光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定?于2012年實施發(fā)布，缺少高電壓穿越相關要求，且頻率適應性的規(guī)定與當前電網(wǎng)需求不符。

3)部分標準規(guī)定的內(nèi)容現(xiàn)場實施困難，難以保證在并網(wǎng)后半年內(nèi)完成驗證，不利于用戶采納。

1.2 涉網(wǎng)試驗問題統(tǒng)計分析

1.2.1 電能質(zhì)量問題

電能質(zhì)量問題曾經(jīng)在新能源快速發(fā)展初期頻繁出現(xiàn)，造成并網(wǎng)點諧波干擾、電壓波動和閃變，這與早期風機變流器和光伏逆變器技術不成熟以及技術要求不完善有關，隨著GB/T 37408?光伏并網(wǎng)逆變器技術要求?等型式試驗標準的實施，現(xiàn)場試驗過程中發(fā)現(xiàn)的電能質(zhì)量問題逐漸減少。

1.2.2 有功無功電壓控制能力

有功功率控制能力測試包括各種運行方式下有功功率的變化速率以及通過AGC系統(tǒng)發(fā)出階躍指令測試有功功率的響應特性。無功電壓控制能力測試是通過AVC系統(tǒng)下發(fā)無功功率或電壓指令，測試場站的響應特性是否符合標準要求。

上述測試結果不僅取決于新能源控制系統(tǒng)的性能，還受AGC/AVC系統(tǒng)以及通訊條件的約束，因此現(xiàn)場試驗時經(jīng)常出現(xiàn)不符合標準的情況。

1.2.3 無功補償裝置性能

傳統(tǒng)電容器組無功補償裝置響應時間較長，近年來改造后普遍配備有SVG，在現(xiàn)場主要對SVG的最大調(diào)節(jié)能力、調(diào)節(jié)精度、控制模式切換以及響應特性進行測試。在2020年以前，SVG廠家眾多，產(chǎn)品質(zhì)量及服務良莠不齊，現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)大部分場站存在SVG參數(shù)設置不合理或性能不達標的情況，隨著技術的不斷成熟，該問題正逐步得到解決。

1.2.4 故障穿越能力及電網(wǎng)適應性

由于高低穿測試設備體積大，造價昂貴，且現(xiàn)場試驗難度大耗時長，另外并網(wǎng)設備在型式試驗時已進行該類測試，所以故障穿越能力及電網(wǎng)適應性測試在不少區(qū)域并未按照標準進行。根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析，并網(wǎng)后進行現(xiàn)場測試的場站均有不同程度的與標準要求不符的情況，而新能源的故障穿越能力及電網(wǎng)適應性會直接影響故障的連鎖發(fā)展過程，對于電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響不容忽視，因此這兩項試驗項目是當前新能源并網(wǎng)管理的薄弱點，需要重點關注。

2 故障穿越及適應性問題分析

故障穿越能力及電網(wǎng)適應性項目是當前新能源場站涉網(wǎng)管理過程中安全隱患最為突出的環(huán)節(jié)，因此對將現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)的問題分類討論。

2.1 故障期間或恢復期間脫網(wǎng)

某組串式光伏逆變器，額定容量208 kW，在輕載工況下對其中兩臺逆變器并聯(lián)進行高電壓穿越現(xiàn)場測試，試驗接線及過程嚴格按照相關標準進行，1.3倍電壓穿越試驗結果如圖1所示。

圖1 1.3倍電壓穿越試驗錄波圖

從試驗結果可以看出，1.3 p.u.的電壓持續(xù)500 ms期間，有功功率先降低后升高，從電網(wǎng)大幅吸收無功功率，逆變器未脫網(wǎng)保持繼續(xù)運行，但是故障恢復約400 ms以后，輸出有功功率從200 kW降至0 kW，逆變器保護動作停機。

在輕載工況下對其中兩臺逆變器并聯(lián)進行低電壓穿越現(xiàn)場測試，試驗接線及過程嚴格按照相關標準進行，零電壓穿越試驗結果如圖2所示。

圖2 零電壓穿越試驗錄波圖

從試驗結果可以看出，逆變器出口電壓從1.0 p.u.降至0 p.u.的電壓持續(xù)150 ms期間，有功功率也下降，無功功率基本不變，逆變器未脫網(wǎng)保持繼續(xù)運行。故障恢復期間，有功功率恢復至78 kW，無功功率為－33 kvar，逆變器保護動作，1 s后相繼脫網(wǎng)。

2.2 有功功率恢復速率不足

某集中式光伏逆變器，額定容量3.2 MW，在重載工況下進行低電壓穿越現(xiàn)場測試，試驗接線及過程嚴格按照相關標準進行，0.2倍電壓穿越試驗結果如圖3所示。

圖3 0.2倍電壓穿越試驗錄波圖

從試驗結果可以看出，0.2 p.u.的電壓持續(xù)625 ms期間，有功功率先降低后恢復，從電網(wǎng)大幅輸出無功功率，逆變器未脫網(wǎng)保持繼續(xù)運行。故障恢復后，無功功率降至故障前，有功功率從0.14 MW恢復至2.24 MW所用時間為3.37 s，恢復速度為0.62 MW/s，而根據(jù)標準要求，故障后有功功率恢復速度應大于0.96 MW/s。

2.3 動態(tài)無功支撐能力不足

某集中式光伏逆變器，額定容量3.2 MW，在重載工況下進行低電壓穿越現(xiàn)場測試，試驗接線及過程嚴格按照相關標準進行，0.2倍電壓穿越試驗結果如圖4所示。

從試驗結果可以看出，0.2 p.u.的電壓持續(xù)625 ms期間，有功功率先降低后恢復，逆變器未脫網(wǎng)保持繼續(xù)運行。按相關標準要求，逆變器輸出的無功電流應滿足公式(1)。

其中，IN為逆變器交流測額定電流；UT為逆變器交流側實際電壓標幺值。即低電壓穿越期間逆變器應提供足夠的無功功率支撐，從圖4可以看出，故障期間反而從網(wǎng)側吸收300 kvar的無功功率，且故障恢復瞬間，無功功率波動存在－1 300 kvar的反調(diào)峰值。

2.4 頻率適應性不足

某組串式光伏逆變器，額定容量215 kW，在輕載工況下對其中兩臺逆變器并聯(lián)進行頻率適應性現(xiàn)場測試，試驗接線及過程嚴格按照相關標準進行，試驗結果如圖5所示。

圖5 頻率適應性錄波圖

在試驗過程中，電壓幅值穩(wěn)定在額定電壓不變，頻率從50 Hz階躍降為48.05 Hz，頻率階躍下降84 s后，箱變高壓側有功功率從99 kW下降至48 kW，其中一臺逆變器停機，又經(jīng)過80 s，箱變高壓側有功功率從48 kW下降至0 kW，另外一臺逆變器也停機。依據(jù)網(wǎng)源協(xié)調(diào)相關標準的規(guī)定，逆變器應能夠在48.05 Hz的頻率下維持10 min，其頻率耐受能力原則上應與常規(guī)機組一致。

3 原因分析及優(yōu)化措施

根據(jù)新能源并網(wǎng)設備的涉網(wǎng)管理流程，在設備獲得并網(wǎng)許可之前應進行包括故障穿越測試在內(nèi)的各項型式試驗。對型式試驗合格但是現(xiàn)場抽檢過程中卻經(jīng)常出現(xiàn)的上述問題進行原因分析，并對當前新能源并網(wǎng)管理流程提出優(yōu)化建議。

3.1 參數(shù)整定不當

由于現(xiàn)在新能源相關標準較多，不同國家地區(qū)所采用標準不一致，因此不少廠家的控制器中，許多內(nèi)部保護相關的參數(shù)被設置為用戶可更改，例如低電壓穿越曲線幅值及時間、高電壓穿越曲線幅值及時間、頻率保護上限和頻率保護下限等。

新能源場站涉網(wǎng)性能問題不僅存在管理盲區(qū)，還存在一定的技術盲區(qū)，風電場和光伏電站設備安裝調(diào)試完成后，廠家售后人員和新能源場站人員均缺乏根據(jù)當?shù)仉娋W(wǎng)情況整定參數(shù)的責任或技術能力，相關參數(shù)經(jīng)常為不具備抗擾動能力的默認初始值。

圖1所示高電壓穿越問題、圖2所示低電壓穿越問題以及圖5所示的頻率適應性問題就是一種典型的參數(shù)整定錯誤案例，將該逆變器控制器頻率保護下限動作值及動作時間更改后再次進行測試，能夠在48.05 Hz的頻率下維持10 min以上，滿足相關標準要求。

3.2 控制器程序問題

電力電子設備與常規(guī)電機類設備的顯著區(qū)別是:其電氣性能不僅受硬件參數(shù)影響，還受控制策略的影響。在進行型式試驗時，其控制策略偏向于滿足涉網(wǎng)性能而忽略對元器件壽命的影響，現(xiàn)場實際應用的控制程序可能會進行參數(shù)修改和升級，造成現(xiàn)場的故障穿越能力抽檢數(shù)據(jù)出現(xiàn)與型式試驗結果不一致的情況。圖4所示的動態(tài)無功支撐能力不足問題，為典型的控制器程序變動導致的涉網(wǎng)性能缺陷。

根據(jù)網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理現(xiàn)狀，多數(shù)地區(qū)簡單地將逆變器/變流器的型式試驗結果視為判斷涉網(wǎng)性能的依據(jù)，忽視了設備在現(xiàn)場運行過程中升級改造對故障穿越能力造成的影響，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行造成一定的隱患。

3.3 硬件故障問題

圖3所示的有功恢復速率不足問題為典型的硬件參數(shù)不匹配引起的問題，在現(xiàn)場測量該逆變器直流環(huán)節(jié)電容參數(shù)時發(fā)現(xiàn)，直流側電容參數(shù)相對標稱參數(shù)差異較大，導致故障恢復期間有功電流變化率過慢，有功功率恢復速度無法滿足標準要求。將電容更換后在相同的試驗條件下重復測試，試驗結果大大改善。

3.4 優(yōu)化措施

1)網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理涉及調(diào)度、發(fā)電、試驗、制造、設計等多個部門，隸屬關系復雜，自從廠網(wǎng)分離改革以后，原有的管理鏈條被切斷，容易出現(xiàn)管理盲區(qū)。因此相關管理部門應重視標準體系的建設，逐步完善管理環(huán)節(jié)中各單位職責。

2)加強新能源場站的技術監(jiān)督及現(xiàn)場試驗管理，新能源場站應配合管理部門嚴格按照標準進行現(xiàn)場試驗，尤其是影響電力系統(tǒng)故障連鎖演化過程的故障穿越及電網(wǎng)適應性項目。

3)針對網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理過程中存在技術盲區(qū)的情況，各單位應加強網(wǎng)源協(xié)調(diào)相關技術培訓，從技術層面提高相關標準和措施的實施力度。

4)變流器或逆變器廠家應配合相關單位建立設備的電磁暫態(tài)模型，并提供開放的接口供電網(wǎng)調(diào)度部門整定參數(shù)。

4 結論

通過對近年來新能源場站涉網(wǎng)試驗數(shù)據(jù)進行研究，對網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理過程中新能源場站試驗項目實施現(xiàn)狀進行了總結分析，指出近年來網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術管理環(huán)節(jié)中故障穿越及電網(wǎng)適應性問題較為突出，后續(xù)應予以重視。對型式試驗合格但是現(xiàn)場抽檢過程中屢次出現(xiàn)的問題進行歸類討論，如故障或恢復期間脫網(wǎng)、有功功率恢復速率不足、動態(tài)無功支撐不足和頻率適應性不足等問題，從網(wǎng)源協(xié)調(diào)過程管理的角度分析問題原因，并從管理層面和技術層面提出相應的改進措施，有助于加強新能源場站涉網(wǎng)性能，降低大量新能源對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響。