光伏發電站多源無功電壓控制淺析
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摘要：新能源高比例接入電網會引起電網電壓波動，鑒于此，提出了SVG和光伏逆變器協調快速無功控制的架構，監測光伏電站并網點電壓、電流，實時計算電壓變化，集中采集動態無功補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節裕度和狀態，結合調度電壓計劃實時分解無功功率調節量，制訂最優無功電壓調節策略，分解無功功率調節指令調節多無功源出力，完成光伏電站級電壓控制。目前，該技術已經在光伏電站中試點運行，動態無功響應時間小于30ms，大大降低了動態無功補償裝置的動作頻率，降低了光伏電站運行損耗。
關鍵詞：光伏電站；逆變器；靜止無功發生器；協調控制；無功電壓
0引言
現階段集中式光伏電站設計標準中主要還是采用SVG進行暫態和穩態無功補償，光伏逆變器輔助參與穩態無功調節。雖然SVG在補償效果上優于SVC，但其存在價格昂貴、故障率高和運行損耗大等問題[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電的核心部件，在電路結構上與SVG同屬電力電子器件，原理相似。光伏電站建設初期，站內監控系統通信的滯后性、逆變器本地PID算法及站控層數采遙測式通信方式等原因，使得AVC系統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態無功響應。在光伏電站無功電壓方面的研究中，AVC控制SVG調節無功電壓本身也存在無功出力方向不一致、無功調節受限等問題[3]，文獻[4]提出并仿真了一種光伏電站并網逆變器與無功補償裝置的協調控制策略，文中以SVG優先參與無功控制分配，逆變器預留無功備用參與電網穩定，但SVG優先參與調節的經濟性相對較差，另一方面逆變器暫態無功支撐能力不足。文獻[5]從智能化角度采用自適應預測算法在分布式光伏中實現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頻率，進而減小開關損耗，提高逆變效率，值得在集中式光伏電站中借鑒。文獻[6]從光伏電站投資經濟性角度，采用SVC和光伏逆變器共同參與電站無功電壓穩態優化的方案，暫態電壓支撐尚需論證。文獻[7]提出了一種主動配電網DHT-VVC方法，利用PV提供靈活的無功功率來提高配電網運行的經濟性與安全性，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[8]提出了基于MPC的新能源電站發電單元與無功補償裝置的無功電壓協調控制策略，從時間軸協調兩種無功資源的出力，提高了系統電壓穩定性和運行經濟性，雖然能挖掘新能源發電單元的穩態無功潛力，減少STATCOM出力，提高其控制裕度，但兩種無功源響應速度為兩個量級，控制裕度相對復雜，協調難度大。本文在挖掘光伏逆變器無功潛力的基礎上，優化通信方式，且在逆變器側功率開環，實現光伏逆變器參與電網暫態支撐，大大拓展了光伏電站無功功率源控制裕度，特別是暫態無功控制裕度，進一步提高了光伏電站參與電網穩定的裕度，同時簡化了多源不同級響應源的控制復雜性，可以通過靈活的控制策略實現經濟性、穩定性、維護性等多維度控制。
1需求分析
1.1發電單元快速無功支撐的必要性
現階段光伏電站AVC已將逆變器納入無功源，但逆變器技術自身的滯后性以及光伏電站監控系統通信的時滯性導致光伏發電單元無法快速釋放功率，使得光伏電站只能依托SVG完成動態電壓支撐。SVG采用集中式母線補償方式，由于一次設備的投入，光伏電站前期建設成本增加，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化的必要性
隨著一次調頻項目的推進，光伏電站功率控制方案呈現出多樣化的趨勢，組網形式的不統一也造成了技術方案的多樣化，導致用戶協調程序煩瑣，工程調試周期長，無形中增加了人工成本的投入。為實現光伏電站一次調頻功能，受AGC/AVC和一次調頻分相技術門檻約束，技術層面本可以融合的產品尚未誕生，使得光伏電站功率控制回路中設備冗余，帶來了非必要裝備的投入。傳統AGC與能量管理系統的聯調本是二次設備間的正常工程工作，由于頂層設計的滯后性，一次調頻獨立實施給用戶帶來了額外的成本投入。同時，現階段文件指標需求尚不能支撐新型電力系統的穩定需求，未來短中期時間內電網對光伏電站的技術升級將持續跟進，現階段將迎來新一輪補丁式的技改，給用戶帶來額外的經濟損失。
2系統方案
優化后，逆變器具備暫態控制能力，SVG由暫態支撐、穩態控制變為暫態、穩態控制，實現了光伏電站場站級暫態和穩態控制。如圖1所示，逆變器與SVG共同組網參與場站級協調和控制。光伏電站功率控制回路路徑優化包含發電單元過程層路徑優化、站控層功率層面的通信路徑優化。在過程層路徑優化方面，光伏電站過程層路徑包含一次調頻與能量管理系統的網絡路徑（G1）、能量管理系統與風電主控主機/光伏通信管理機的網絡路徑（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/逆變器與執行單元的內部指令交換路徑（G4）。其中，G1部分為點對點網絡高速通信，但協議棧的時滯性較差；G2部分雖然為鏈路層網絡高速通信，但應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部分為內部指令交換，屬于產品內部優化路徑。整個過程層通信路徑中G2、G3優化潛力最大，G4路徑離散性大，但比重較低。本方案重點優化路徑為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。在站控層路徑優化方面，站控層路徑包含遠動裝置與AGC系統通信路徑（S1）、遠動裝置與AVC系統路徑（S2）、遠動裝置與一次調頻系統路徑（S3）、AGC系統與一次調頻系統路徑（S4）、AVC系統與SVG成套設備路徑（S5）。其中，S1、S2路徑為現有路徑，以太網通信方式；S3、S4路徑為現階段新增路徑，以太網通信方式；S5為現有路徑，多為RS485通信方式。S1～S4通信路徑由于頂層設計，現場有多家廠家參與，協調難度大，成本高，施工周期長，可將AGC/AVC功能融合到一次調頻系統，這是本次站控層路徑優化的重點之一。S5部分可以通過過程層路徑優化實現技術替代，也是本次站控層路徑優化的重點之一。
3控制策略
3.1系統控制流程
光伏電站完成路徑優化和裝備優化后，場站存在兩套具備暫態和穩態控制的無功源，在光伏電站并網點功率執行站側直采電壓，測量場站對電力系統的阻抗，設定穩態和暫態電壓門限值（可在線變更），功率執行站實時跟蹤電壓波動，當光伏電站電壓越過暫態電壓門限值時，實時計算容性或感性無功調節量，根據無功源裕度實時下發無功遙調指令群控場站無功源，實現場站級暫態電壓支撐，同時，暫態控制狀態機接收調度電壓控制指令，響應新的目標電壓值，從而完成場站級穩態電壓調節。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3種控制模式：經濟運行模式、SVG檢修模式和發電檢修模式。（1）經濟運行模式是指在正常發電工況下，功率執行站優先將光伏逆變器作為場站的無功電壓調節對象，SVG作為容量補充，降低SVG運行損耗，提高光伏電站經濟性。（2）SVG檢修模式是指功率執行站能實時監測SVG運行狀態，當SVG設備因故障檢修而離線時，功率執行站只將逆變器作為無功電壓調節對象；當SVG重新上線后，可自動切換為經濟運行模式。（3）發電檢修模式是指功率執行站能實時監測光伏逆變器運行狀態，當部分光伏逆變器因檢修而離線時，功率執行站能智能識別無功可調節裕度，保障發電檢修過程中光伏電站無功電壓的持續性。3種控制模式支持手動設定，也可以智能運行，當采用智能運行時，其狀態轉遷圖如圖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結語
本文在挖掘光伏逆變器無功潛力的基礎上，采用逆變器和SVG協調參與電網電壓控制，具備以下幾個優勢：（1）等效提升了現階段標準下的光伏電站無功配比容量，為電網提供了更多的可調度無功資源，提升了光伏電站并網友好性；（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性；（3）在正常發電工況下，采用無功電壓經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）基于逆變器調相參與電網暫態無功技術的推廣，可以降低光伏電站SVG的配比或將SVG作為備用，從而降低光伏電站的運行損耗。
作者:陳堃 蔡德勝 居正山 單位:華電福新能源發展有限公司江蘇分公司 南京豐道電力科技有限公司