光伏電站并網(wǎng)有功功率控制策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

湯海寧，朱守讓，王偉

（國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210061）

光伏電站并網(wǎng)有功功率控制策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

湯海寧，朱守讓，王偉

（國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210061）

光伏電站有功功率輸出值能夠按照電網(wǎng)調(diào)度的指令進(jìn)行高效、合理的調(diào)節(jié)已經(jīng)成為大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)的強(qiáng)制性要求。該文研究了光伏電站有功功率控制的現(xiàn)狀，提出一種基于光伏逆變器的光伏電站有功功率控制策略，并通過現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了該策略的可行性。

光伏電站；逆變器；有功功率控制

隨著能源危機(jī)的加劇，作為新能源之一的光伏發(fā)電正逐步得到國家的重視與扶持，大規(guī)模光伏電站不斷接入電網(wǎng)，光伏發(fā)電對電網(wǎng)的影響越來越大，而基于光伏發(fā)電的間歇性強(qiáng)、隨機(jī)性大、穩(wěn)定性差和分布不均勻等特點(diǎn)，同時(shí)也使得電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行調(diào)度難度也越來越大[1]。

國家電網(wǎng)公司于2011年5月發(fā)布的《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》[2]指出：“光伏電站應(yīng)具備有功功率調(diào)節(jié)能力，能夠接收、自動執(zhí)行調(diào)度部門的控制指令，確保有功功率及有功功率變化按照調(diào)度部門的要求運(yùn)行”。

按照這一規(guī)定，光伏電站應(yīng)積極建設(shè)有功功率控制系統(tǒng)，保證大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高電網(wǎng)接納光伏發(fā)電的能力。

1 現(xiàn)有光伏電站并網(wǎng)有功功率控制方法概述

當(dāng)前光伏電站中使用的有功功率調(diào)節(jié)基本采用人工手動調(diào)節(jié)的方式。由光伏電站值班人員將調(diào)度的有功功率目標(biāo)值與光伏電站此時(shí)的有功功率實(shí)發(fā)值進(jìn)行差值比較，借助光伏電站中的控制裝置手動控制光伏逆變器啟/停，升/降功率，從而控制光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率達(dá)到調(diào)度要求的目標(biāo)值。這種方式存在下述缺陷。

1）由于該方式是通過操作人員手動來完成的，即操作人員接到調(diào)度調(diào)節(jié)要求后，通過差值計(jì)算手動控制光伏電站內(nèi)的逆變器啟/停、升/降功率，時(shí)間上有一定的滯后，因而存在誤差大、響應(yīng)速度慢等問題，操作速率和效率都比較低。

2）這種調(diào)節(jié)方式?jīng)]有結(jié)合光伏電站內(nèi)各逆變器的具體運(yùn)行狀況，如逆變器運(yùn)行時(shí)間，而是由操作人員較為隨機(jī)地進(jìn)行操作。因此，該方式不僅高度依賴相應(yīng)逆變器工作的可靠性，而且還因隨機(jī)地操作會使某些逆變器長時(shí)間一直在運(yùn)行，而另一些逆變器則長時(shí)間停機(jī)，從而導(dǎo)致逆變器故障率提升。同時(shí)，光伏逆變器頻繁地啟/停本身不僅會影響其穩(wěn)定性和安全性，而且也會降低光伏逆變器的使用壽命。

考慮到手動控制調(diào)節(jié)光伏電站有功功率的諸多弊端，近年來有學(xué)者提出了一些新的控制調(diào)節(jié)方法，如在光伏電站中增加儲能電池設(shè)備以進(jìn)行有功功率調(diào)節(jié)[3]；光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)配置具有轉(zhuǎn)向功能的光伏板件支架，通過調(diào)整光伏板件的角度實(shí)現(xiàn)有功功率的調(diào)節(jié)[4]等。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，儲能電池系統(tǒng)在光伏電站中的應(yīng)用目前還處于試點(diǎn)階段，且儲能電池具有危險(xiǎn)性高，污染環(huán)境的缺點(diǎn)，在儲能電池技術(shù)尚未成熟的情況下利用儲能電池設(shè)備實(shí)現(xiàn)對光伏電站進(jìn)行有功功率控制的可行性不大；考慮到設(shè)備成本及可靠性等問題，國內(nèi)已建成的光伏電站中大多采用固定支架形式的光伏發(fā)電組件，且光伏電站支架數(shù)量非常多，如果通過調(diào)整光伏板件角度來調(diào)節(jié)光伏電站有功功率將增加監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)資源開銷，影響電站的運(yùn)行安全，因此這種方式也不具有推廣價(jià)值。

2 基于光伏逆變器的光伏電站并網(wǎng)有功功率控制策略設(shè)計(jì)

光伏監(jiān)控系統(tǒng)可以對站內(nèi)逆變器進(jìn)行遙調(diào)操作，實(shí)現(xiàn)單臺逆變器的有功功率控制?；谶@一模式，本文提出了一種能夠及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率，同時(shí)充分考慮了各光伏逆變器的實(shí)際工作情況，提高其運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性的光伏電站有功功率控制策略[5-8]。圖1所示為光伏電站有功功率控制策略的流程圖。

1）測量得到光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率實(shí)發(fā)值Pmea，計(jì)算并 網(wǎng)點(diǎn)有功 功率目 標(biāo)值 Ptarget與有 功功 率實(shí)發(fā)值Pmea的差值，記為有功功率偏差。

2）設(shè)置有功功率偏差的死區(qū)閥值δ，若有功功率偏差的絕對值大于死區(qū)閥值δ則進(jìn)入步驟3），否則返回步驟1）。

圖1 光伏電站有功功率控制策略的流程圖Fig.1 Flow chart of active power control strategy for the photovoltaic power station

3）根據(jù)實(shí)時(shí)輻照輻度和組件溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算各光伏電站的最大有功功率。

參照各類型太陽能發(fā)電組件的功率輸出特性，計(jì)算各光伏逆變器的最大有功功率，其中光伏組件為非晶硅或多晶硅材料時(shí)計(jì)算公式如下：

式中：Psmax為單片光伏組件在當(dāng)前輻照輻度和組件溫度情況下的最大有功功率；Pimax為第i臺光伏逆變器在當(dāng)前輻照輻度和組件溫度情況下的最大有功功率；n為與第i逆變器相關(guān)聯(lián)的光伏組件數(shù)目；P為組件標(biāo)稱功率；a為組件溫度系數(shù)，不同組件材料a值不同，約為-2.3%；d為輻照幅度；T為組件溫度；κ為衰減系數(shù)，按每年0.9%累計(jì)計(jì)算；η1為組合損失取5%，η2為線損及二極管導(dǎo)通壓降損失取3%；η3為灰塵及遮陰損失取1%～10%。

4）根據(jù)各光伏逆變器的當(dāng)前實(shí)發(fā)有功功率和最大有功功率，計(jì)算有功增裕度系數(shù)和有功減裕度系數(shù)，依據(jù)有功增裕度系數(shù)和有功減裕度系數(shù)的大小，生成有功增裕度隊(duì)列和有功減裕度隊(duì)列，具體步驟如下：

式中：Pmea為第i臺光伏逆變器有功功率實(shí)發(fā)值。

按照有功增裕度系數(shù)由大到小的順序進(jìn)行排列，生成有功增裕度隊(duì)列；

式中：Pimea為第i臺光伏逆變器有功功率實(shí)發(fā)值；Pimin為第i臺光伏逆變器最小運(yùn)行功率，由各逆變器的型號及參數(shù)決定，是逆變器的參數(shù)之一。

按照有功減裕度系數(shù)由大到小的順序進(jìn)行排列，生成有功減裕度隊(duì)列。

5）計(jì)算所有運(yùn)行的可調(diào)光伏逆變器的有功增裕度總和、有功減裕度總和，具體步驟如下：

式中：m為光伏逆變器臺數(shù)；

式中：m為光伏逆變器臺數(shù)。

6）依據(jù)各光伏逆變器的累計(jì)停機(jī)時(shí)間和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的長短，生成開機(jī)隊(duì)列和停機(jī)隊(duì)列，具體為：

①開機(jī)隊(duì)列的生成

記錄各光伏逆變器本次停機(jī)的時(shí)間，當(dāng)光伏逆變器本次停機(jī)的時(shí)間超過最短停機(jī)時(shí)間后，光伏逆變器可以加入到開機(jī)隊(duì)列，再次開機(jī)。

將光伏逆變器本次停機(jī)的時(shí)間加上以前累計(jì)停機(jī)的時(shí)間即得到逆變器累計(jì)停機(jī)時(shí)間，按照逆變器累計(jì)停機(jī)時(shí)間由長到短的順序進(jìn)行排列，生成開機(jī)隊(duì)列。

②停機(jī)隊(duì)列的生成

記錄各光伏逆變器本次運(yùn)行的時(shí)間，當(dāng)光伏逆變器本次運(yùn)行的時(shí)間超過最短開機(jī)時(shí)間后，光伏逆變器可以加入到停機(jī)隊(duì)列，再次停機(jī)。

將光伏逆變器本次運(yùn)行的時(shí)間加上以前累計(jì)運(yùn)行的時(shí)間即得到逆變器累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，按照逆變器累計(jì)運(yùn)行時(shí)間由長到短的順序進(jìn)行排列，生成停機(jī)隊(duì)列。

7）根據(jù)有功功率偏差，確定功率調(diào)整策略，具體方法為：

若有功功率偏差ΔP大于零，轉(zhuǎn)至步驟（A），若有功功率偏差ΔP小于零，轉(zhuǎn)至步驟（B）。

8）根據(jù)功率調(diào)整策略，向光伏逆變器發(fā)出控制指令。

9）等待光伏逆變器執(zhí)行指令動作完成后，返回步驟1）。

3 策略實(shí)現(xiàn)形式

上述光伏電站并網(wǎng)有功功率控制策略可以以程序模塊嵌入光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)，也可以以有功功率控制裝置的形式實(shí)現(xiàn)。在國家電網(wǎng)公司張北風(fēng)光儲送示范工程一期光伏區(qū)采用的是有功功率控制裝置形式。

國網(wǎng)張北風(fēng)光儲送示范工程光伏區(qū)內(nèi)共有38個(gè)逆變器小室，每個(gè)逆變器小室中有2臺逆變器，其中30個(gè)逆變器小室中為60臺500 kW型逆變器，另外8個(gè)逆變器小室中為16臺630 kW型逆變器，光伏發(fā)電總?cè)萘繛?0.08 MW。在該電站的監(jiān)控系統(tǒng)中，全景監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)全站的統(tǒng)一監(jiān)控和調(diào)度，而光伏電站集成監(jiān)控系統(tǒng)專門負(fù)責(zé)光伏設(shè)備監(jiān)控。

在電站實(shí)際運(yùn)行中，光伏電站集成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置為有功功率自動控制模式，全景監(jiān)控系統(tǒng)向光伏監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)總有功功率出力指標(biāo)，光伏電站集成監(jiān)控系統(tǒng)將總有功功率出力設(shè)定值下發(fā)給光伏有功功率控制裝置。光伏有功功率控制裝置依據(jù)上文所述的控制策略，通過各子光伏發(fā)電單元中的通訊管理機(jī)向各逆變器進(jìn)行有功功率控制。該工程有功功率控制策略架構(gòu)如圖2所示。

圖2 有功功率策略實(shí)現(xiàn)架構(gòu)Fig.2 Structure chart of the active power strategy

其中，站控層所屬設(shè)備全景監(jiān)控系統(tǒng)、光伏電站集成監(jiān)控系統(tǒng)及光伏有功功率控制裝置之間采用以太網(wǎng)方式通訊；子光伏發(fā)電單元中的通訊管理機(jī)與逆變器之間通過串口通訊；站控層與各子光伏發(fā)電單元及各子光伏發(fā)電單元之間采用光纖通訊。

4 控制效果分析

國網(wǎng)張北風(fēng)光儲送示范工程全景監(jiān)控系統(tǒng)于2011年12月13日11時(shí)27分42秒顯示光伏區(qū)設(shè)定有功功率值為18.75MW，實(shí)測有功功率值為18.72 MW。操作人員通過全景監(jiān)控系統(tǒng)分別于11時(shí)28分和11時(shí)32分向光伏監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)20.00 MW、21.75 MW的總有功功率出力指標(biāo)，通過全景監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)測的有功功率控制的效果如圖3所示。

圖3 有功功率控制效果Fig.3 Effect figure of the active power control

這一控制效果證明，本策略可以實(shí)現(xiàn)有功功率的平滑調(diào)節(jié)，較好地滿足大型光伏電站有功功率控制的運(yùn)行需求。

5 結(jié)語

光伏電站有功功率控制策略的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)對于光伏電站的調(diào)度提供有效的有功功率調(diào)節(jié)工具，從而提高了電網(wǎng)接納光伏發(fā)電的能力，滿足大型光伏電站并網(wǎng)的技術(shù)要求，進(jìn)一步保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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（編輯 徐花榮）

Design of Grid-Connected Photovoltaic Power Station Active Power Control Strategy

TANG Haining，ZHU Shourang，WANG Wei
（State Grid NARI-TECH Control Systems Ltd.，Nanjing 210061，Jiangsu，China）

It has become the mandatory requirements in a 1arge-scale grid-connected photovoltaic（PV）generation station that the active power output value be adjusted efficiently and reasonably in accordance with the scheduling command of the power grid.Based on the current situation of the active power control in the PV generation station，this paper presents a new kind of control strategy of the active power in the PV generation station based on the photovoltaic inverter.The actual field operation test has verified feasibility of the strategy.

2014-04-15。

湯海寧（1982），男，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)監(jiān)控，新能源發(fā)電監(jiān)控；

朱守讓（1969），男，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)監(jiān)控，新能源并網(wǎng)；

王 偉（1967），男，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)監(jiān)控，新能源發(fā)電監(jiān)控。

國家電網(wǎng)公司資助研究項(xiàng)目：“規(guī)模化光伏發(fā)電運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（國家電網(wǎng)科[2012]515號文及附件）。

Project Supported by State Grid Corporation Support Project：Research and Demonstration of the Key Control Technology for Largescale Photovoltaic Power plant.

1674-3814（2015）08-0075-0 5

TM615

A

KEY W0RDS：PV generation station；inverter；active power control