光伏發(fā)電站多源無功電壓控制新技術(shù)研究

引言

現(xiàn)階段集中式光伏電站設(shè)計標準中主要還是采用SVG進行暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)無功補償,光伏逆變器輔助參與穩(wěn)態(tài)無功調(diào)節(jié)。雖然SVG在補償效果上優(yōu)于SVC,但其存在價格昂貴、故障率高和運行損耗大等問題,增加了光伏電站的前期投資,同時其經(jīng)濟性較差,且集中式母線補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,文獻提出并仿真了一種光伏電站并網(wǎng)逆變器與無功補償裝置的協(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。文獻從智能化角度采用自適應(yīng)預測算法在分布式光伏中實現(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,通過預測算法可以降低逆變器的開關(guān)頻率,進而減小開關(guān)損耗,提高逆變效率,值得在集中式光伏電站中借鑒。文獻從光伏電站投資經(jīng)濟性角度,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)運行的經(jīng)濟性與安全性,在多可控資源下考慮多尺度無功電壓控制方法,值得借鑒。文獻提出了基于MPC的新能源電站發(fā)電單元與無功補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)定性和運行經(jīng)濟性,雖然能挖掘新能源發(fā)電單元的穩(wěn)態(tài)無功潛力,減少STATC0M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)源的控制復雜性,可以通過靈活的控制策略實現(xiàn)經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、維護性等多維度控制。

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:由于采用集中式補償,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,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)頻獨立實施給用戶帶來了額外的成本投入。同時,現(xiàn)階段文件指標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,現(xiàn)階段將迎來新一輪補丁式的技改,給用戶帶來額外的經(jīng)濟損失。

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)與風電主控主機/光伏通信管理機的網(wǎng)絡(luò)路徑(G2）、風電主控主機/光伏通信管理機與變流器/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部分為點對點網(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)用層采用點對點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。本方案重點優(yōu)化路徑為G1、G2、G3三部分,融合兩部分路徑,采用組播G00sE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,站控層路徑包含遠動裝置與AGC系統(tǒng)通信路徑(s1）、遠動裝置與AVC系統(tǒng)路徑(s2）、遠動裝置與一次調(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)化的重點之一。s5部分可以通過過程層路徑優(yōu)化實現(xiàn)技術(shù)替代,也是本次站控層路徑優(yōu)化的重點之一。

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)行站實時跟蹤電壓波動,當光伏電站電壓越過暫態(tài)電壓門限值時,實時計算容性或感性無功調(diào)節(jié)量,根據(jù)無功源裕度實時下發(fā)無功遙調(diào)指令群控場站無功源,實現(xiàn)場站級暫態(tài)電壓支撐,同時,暫態(tài)控制狀態(tài)機接收調(diào)度電壓控制指令,響應(yīng)新的目標電壓值,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

考慮光伏電站運行工況,本方案可實現(xiàn)3種控制模式:經(jīng)濟運行模式、sVG檢修模式和發(fā)電檢修模式。

(1）經(jīng)濟運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作為容量補充,降低sVG運行損耗,提高光伏電站經(jīng)濟性。

(2）sVG檢修模式是指功率執(zhí)行站能實時監(jiān)測sVG運行狀態(tài),當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sVG重新上線后,可自動切換為經(jīng)濟運行模式。

(3）發(fā)電檢修模式是指功率執(zhí)行站能實時監(jiān)測光伏逆變器運行狀態(tài),當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,也可以智能運行,當采用智能運行時,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)階段標準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)濟運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行損耗。