基于光伏逆变器的快速功率控制系统研究及应用.pdf
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1、 :年 月 第 卷第 期基于光伏逆变器的快速功率控制系统研究及应用李可雨,王峰,贾红云,刘鑫鑫,蔡德胜,李强(南京信息工程大学自动化学院,江苏 南京 ;南京丰道电力科技有限公司,江苏 南京 ;国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,江苏 南京 )摘要:为使新能源功率输出能快速响应系统有功功率和无功功率平衡需求,文中提出光伏电站毫秒级功率控制的系统性方案。首先,基于光伏逆变器的功率快速交换能力,在光伏电站并网点直采电压、电流,实时监测并网点频率和电压变化,根据一次调频参数计算光伏电站有功出力。在此基础上,通过高速环网通信链路群控光伏逆变器进行有功出力,使得光伏电站具备一次调频能力。在无功功率控制方
2、面,文中通过智能多状态序列判别算法实时计算光伏电站并网点对电力系统的阻抗,根据并网点电压波动实时群控光伏逆变器进行无功出力,使得光伏电站具备动态无功响应能力,从而完成光伏电站功率的快速控制。目前该系统已经在淮安金湖光伏电站中试点运行,现场试验数据说明应用文中提出的控制系统可实现一次调频响应时间小于 ,动态无功响应时间小于 的指标,验证了控制系统的有效性和可行性。关键词:新能源场站;逆变器;快速功率控制;动态无功响应;一次调频;现场试验中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()引言随着传统化石能源的日益紧缺,以风力发电、太阳能发电等为代表的
3、新能源发电技术迅速发展,在全国范围内形成以新能源为主体的新型电力系统 。新能源电源的接入对电网能源供给起到了有益的补充作用,但受新能源机组特殊的发电工况影响,地区级电网运行特性发生较大变化。高比例新能源并网会显著影响电力系统的有功平衡、无功电压、暂态稳定、功角稳定性和继电保护及相关保护防御策略性能,给电力系统的运行控制带来新的挑战 。光伏新能源系统以电力电子器件为基础单元,具备快速调节功率的能力,若其能快速响应调度指令,参与系统调频调压,则有利于提升电网运行的稳定性。在光伏电站的快速功率控制方面,文献 以逆变器本体为研究对象,优化逆变器无功功率的快速响应;文献 实现了光伏逆变器单体秒级的一次调
4、配功率响应;文献 实现了光伏逆变器单体毫秒级的功率快速响应。但总体来说,当前利用光伏新能源参与电网频率控制的研究集中于单机单站调频、虚拟同步技术调频以及微电网调频等 ,缺少对新能源高比例区域的新能源场站快速功率控制技术的研究。目前存在的问题主要有:()对新能源快速一次调频以及快速无功响应的认识不统一、相关研究不足 。相关技术规程、工程实施、实验验证均停留在传统观念上,新能源场站设备一次调频能力不足,快速一次调频功能欠缺。风电、光伏等无惯性的电力电子并网电源受制于电压穿越、频率穿越,必须在 甚至数个周波内提供频率电压支撑,才能减少脱网风险,在系统扰动情况下保持稳定运行。()目前针对新能源协同开展
5、毫秒级功率动态调节的研究还不够完善。单个新能源场站自主调节效果受制于信息有限,调节不具备系统性。综上所述,为实现电力系统以毫秒级速度控制区域新能源的功率输出,响应系统有功功率和无功功率平衡需求,进而提升系统的稳定能力,文中将光伏电站为代表的新能源场站作为研究对象,在光伏电站部署毫秒级控制系统,从整体架构设计、站控层对电网频率电压快速感知、可靠通信以及发电单元快速响应等方面进行研究,并给出了现场系统试验情况,验证了控制系统的有效性和可行性。现阶段光伏电站功率控制实现 光伏电站功率控制系统架构光伏电站主要通过自动发电控制(,)自动电压控制(,)子站系统与光伏逆变器和静态无功补偿(,)静止无功发生器
6、(,)等无功补偿设备组网,完成对光伏电站的功率控制 ,其系统架构如图 所示。图 光伏电站功率控制系统示意 以非实时操作系统处理相关指令,且 系统与光伏逆变器和无功补偿设备通信协议的处理速度具有一定瓶颈,这使得光伏电站整体功率控制速度较慢,一般为秒级 ,无法满足电网紧急调度及暂态电压控制的要求。功率控制光伏电站功率控制主要分为有功功率控制和无功功率控制两部分。有功功率控制的具体实施过程如下:首先,通过光伏区监控网络下发遥调指令到逆变器通信板卡,然后转发到逆变器执行板卡,进而驱动绝缘栅双极 型 晶 体 管(,)进行功率响应 。与逆变器之间的通信环节在未经优化的情形下,其整体响应时间为秒级。现阶段,
7、在光伏电站 系统的基础上增加光伏电站有功 频率下垂控制环节,可以实现光伏电站一次调频控制功能。而无功功率控制大多采用逆变器结合电容器或动态无功补偿设备进行无功响应 。其中,动态无功补偿设备主要负责完成暂态电压支撑和稳态无功调节,当其无功容量不足时采用逆变器辅助调节以进行无功支撑。但动态无功补偿设备通常直挂在母线侧,运行功耗大、经济性差、易损坏且维修频率高,并且集中式的无功补偿设备损坏后无功支撑的可靠性也会变差。而辅助的逆变器无功支撑受通信环节影响,调节过程一般较长,这使得站内整体无功响应速度较慢。快速功率控制系统 快速功率控制系统架构及控制流程文中所提的快速功率控制系统架构如图 所示,其主要包
8、括光伏电站、快速功率控制装置和通信网络。其中,快速功率控制装置安装在光伏电站并网点侧,具备直采并网点电压、电流,快速感知电网频率和电压变化的功能;高速且高可靠性的光纤环型通信网络则用来在快速功率控制装置与光伏逆变器之间传送指令,其采用高可靠性面向通用对象的变电站事件(,)协议承载遥调指令,从而对光伏逆变器进行群控,完成对光伏电站的快速功率控制。图 快速功率控制系统架构 快速功率控制系统须遵循以下控制流程:首先,根据并网点高压侧电压、电流信号,实时跟踪并网点电压、频率的变化;其次,根据调度主站功率指标,对越限电压或频率实时计算对应无功或有功总调节量(光伏电站须预留调频备用容量来实现有功上调);然
9、后,根据光伏逆变器在线状态和功率可调容量进行策略制定,并实时下发无功或有功遥调指令 ;最后,光纤环网实时转发遥调指令到光伏逆变器侧,光伏逆变器实时响应遥调指令,执行功率调节。调节结果经快速功率控制装置跟踪,最终形成闭环的功率调节过程。功率调节算法 有功调节快速功率控制系统通过调节有功功率来参与系统的频率响应,具体通过如图 所示的下垂控制策略 来实现。其中,为额定功率;为有功功率初值;为频率下扰时光伏电站调频增加出力不大于额定功率的百分比;为频率上扰时光伏电站调频减少出力不大于额定功率的百分比;为频率上扰时光伏电站有功功率调节最低功率百分比;为快速频率响应死区值,其上下限分别为 和 。在结合光伏
10、电站一次调频参数、系统频率波动以及频率下垂特性计算得到总的有功调节量后,须快速采集逆变器侧的信息,主要包括当前有功功率、逆变器容量和逆变器状态;再考虑实际光强的波动因素对总的有功调节量进行分配,文中采用等图 光伏电站频率下垂特性 比例裕度分配策略。当前逆变器大多采用最大功率点跟踪(,)算法 ,其在不预留调频备用的情况下,只能限功率运行;而在新能源高比例接入后,可以对光伏电站预留调频备用,配合样本逆变器(预测逆变器有功上限)或适当增加部分储能完成有功上调。()频率上扰。感知系统频率上扰后根据频率下垂特性计算有功调节量 ,则第 台逆变器有功目标值 可表示为:()()()()式中:为第 台逆变器当前
11、有功功率;为第 台逆变器当前有功下限;为等比例系数;为光伏电站正常运行时的逆变器数量;为有功调节量。()频率下扰。根据频率下垂特性计算 ,则 可表示为:()()式中:为第 台逆变器当前有功上限;为不同光伏矩阵对有功上限的校准参数,默认为 。等比例系数 为:()()无功调节快速功率控制系统通过调节无功功率来参与系统的电压响应,具体根据并网点电压、系统阻抗参数及电网目标电压、功率因数或无功目标值实时计算光伏电站无功调节量,然后根据逆变器无功裕度进行分解 。考虑到光伏电站内逆变器型号及容量差异,假设第 台逆变器最大吸收无功为 ,最大发出无功为 。设置需要发出和吸收的无功分别为、,则逆变器无功输出目标
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