光伏電站可靠并網(wǎng)運(yùn)行的“保護(hù)神”

這是一片光的海洋。

在青海省海南州共和縣龍羊峽水電站八公里處，蒼茫的戈壁灘上，你會(huì)看到荒漠中一望無垠的太陽(yáng)能發(fā)電板面朝南方，微微昂頭，接受太陽(yáng)的光輝，釋放著綠色能源。

這是全球最大的水光互補(bǔ)光伏電站——百兆瓦國(guó)家級(jí)太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)證基地，項(xiàng)目占地近10平方公里，總裝機(jī)容量170萬(wàn)千瓦的一座座光伏電站在大地傲然挺立。

這只是我國(guó)近年來大力發(fā)展光伏發(fā)電的一個(gè)縮影。如今，從柴達(dá)木盆地到共和塔拉灘，從格爾木到敦煌，在西部遼闊的戈壁灘上架起的一塊塊深藍(lán)色光伏電板，如根植在大地上的“綠色莊稼”，每天不停地“追光逐日”，把豐富的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為綠色發(fā)展的經(jīng)濟(jì)新動(dòng)能。

國(guó)家能源局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年1—11月，我國(guó)光伏發(fā)電量達(dá)1069億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)72%，光伏發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重同比增加0.7%，光伏年發(fā)電量首超1000億千瓦時(shí)。

“今年光伏裝機(jī)容量將超過風(fēng)電，預(yù)計(jì)2020年，光伏加風(fēng)電將超過水電，成為我國(guó)的第二大能源。”中國(guó)電力科學(xué)研究院新能源研究中心副主任劉純告訴記者。

然而，就在七八年前，光伏發(fā)電還被稱為“垃圾電”。這是因?yàn)樘?yáng)能發(fā)電有著巨大的波動(dòng)性和“白天忙晚上歇”的先天不足。光伏電站的這種波動(dòng)性和間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)方式對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰帶來很多不利影響，所以光伏發(fā)電被稱為“垃圾電”。

為了加速我國(guó)光伏電站的發(fā)展，解決我國(guó)電網(wǎng)安全與光伏規(guī)?；⒕W(wǎng)的矛盾，突破規(guī)?；夥⒕W(wǎng)運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)，劉純帶領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在國(guó)家863計(jì)劃課題和國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目的支持下，通過自主創(chuàng)新，突破了并網(wǎng)控制、電能質(zhì)量治理、整體低電壓穿越三大關(guān)鍵技術(shù)，形成了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)成果，提高了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展。在2017年北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)評(píng)選中，該項(xiàng)目榮獲二等獎(jiǎng)。

光伏不能重走風(fēng)電的老路

我國(guó)一直是光伏大國(guó)，但在2011年以前只能算是制造大國(guó)。

“2011年，我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已快速發(fā)展，而此時(shí)我國(guó)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)剛起步。”劉純告訴記者，“當(dāng)時(shí)全球都是分布式光伏，而我國(guó)的特點(diǎn)是大規(guī)模集中式開發(fā)、遠(yuǎn)距離傳輸，面臨著國(guó)外沒有的挑戰(zhàn)。”

與煤電相比，光伏發(fā)電主要受到太陽(yáng)的影響，因此它的“出力”不像常規(guī)發(fā)電那樣可控，呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性和間歇性，如此不穩(wěn)定的電源接入到電網(wǎng)，勢(shì)必對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響。

“光伏發(fā)電有很強(qiáng)的隨機(jī)性，靠天吃飯，如果碰上陰天、霧霾、灰塵等情況，就會(huì)影響發(fā)電效率。”劉純說。

光伏發(fā)電中有一個(gè)重要的設(shè)備——逆變器，它包含很多電力電子元件，在大量逆變器通過串并聯(lián)接入電網(wǎng)后，會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，使電網(wǎng)電力不那么“純凈”。

“光伏發(fā)出的是直流電，逆變器的任務(wù)是把直流電變成交流電輸送到電網(wǎng)，其功率器件采用和CPU一樣的硅半導(dǎo)體材料制造，抗過載能力很低，一有風(fēng)吹草動(dòng)就不行。”劉純認(rèn)為，光伏發(fā)電的抗干擾能力較弱，在電網(wǎng)發(fā)生故障等異常情況下，很容易發(fā)生脫網(wǎng)行為，對(duì)電網(wǎng)的供電安全性和可靠性造成不良的影響。

2011年，風(fēng)電出現(xiàn)了大規(guī)模脫網(wǎng)事故，引起了行業(yè)內(nèi)外對(duì)光伏并網(wǎng)技術(shù)的擔(dān)憂。于是在國(guó)家“十二五”規(guī)劃863重大專項(xiàng)中提出了一個(gè)課題：大型光伏電站并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究。

“光伏不能重走風(fēng)電的老路。”劉純告訴記者，光伏要想成為主力電源，必須要和電網(wǎng)建設(shè)、負(fù)荷需求統(tǒng)籌考慮，如果光伏發(fā)展到一定規(guī)模，電壓和電能質(zhì)量都有可能出現(xiàn)問題。

“光伏電站閉網(wǎng)技術(shù)就是通過與光伏與電網(wǎng)的協(xié)同控制技術(shù)，保證光伏和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。”劉純介紹說，“大型光伏電站并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究”這個(gè)項(xiàng)目就是為解決大型光伏電站并網(wǎng)面臨的“運(yùn)行控制、電能質(zhì)量和低電壓穿越”等技術(shù)問題，依托示范工程，開展技術(shù)攻關(guān)，掌握大型光伏電站與電網(wǎng)相互影響機(jī)理，研發(fā)“逆變器—輔助裝置—光伏電站”各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合的綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)工程示范應(yīng)用，指導(dǎo)我國(guó)大型光伏電站的開發(fā)建設(shè)。

穩(wěn)定分析仿真平臺(tái)保障并網(wǎng)穩(wěn)定

在電網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)故障時(shí)，光伏電站需保持并網(wǎng)運(yùn)行，并為電網(wǎng)提供支撐，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，以防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，造成大面積的停電。

對(duì)此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)各類光伏組件和逆變器的運(yùn)行特性，在充分考慮輻照度和溫度的隨機(jī)性分布對(duì)光伏電站出力影響的基礎(chǔ)上，建立大型光伏電站的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，然后在仿真軟件中實(shí)現(xiàn)，為大型光伏電站并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)奠定研究基礎(chǔ)。

據(jù)了解，這個(gè)光伏發(fā)電模型可進(jìn)行潮流、機(jī)電暫態(tài)、電磁暫態(tài)、電能質(zhì)量、長(zhǎng)過程動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算等，具有應(yīng)用范圍廣、仿真精度高、速度快、仿真模塊齊全、操作簡(jiǎn)捷等特點(diǎn)。

“光伏發(fā)電穩(wěn)定分析仿真平臺(tái)，完成了青海、西藏、寧夏等省(區(qū))的光伏發(fā)電接納能力研究，并對(duì)光伏電站并網(wǎng)提出了技術(shù)要求，保障了我國(guó)大規(guī)模光伏并網(wǎng)后的安全穩(wěn)定運(yùn)行。”劉純說。

基于項(xiàng)目的研究成果，結(jié)合我國(guó)電網(wǎng)實(shí)際情況，制訂了2項(xiàng)國(guó)家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范和指導(dǎo)了我國(guó)光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)要求及測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)范，對(duì)我國(guó)光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了有效提升，對(duì)保障光伏發(fā)電安全運(yùn)行、促進(jìn)光伏發(fā)電消納具有極其重要的作用。

有六大功能的“全能大腦”

光伏逆變器作為電站的“大腦”，不但肩負(fù)著直流變交流的重任，還是電站響應(yīng)電網(wǎng)需求以及業(yè)主了解電站運(yùn)行狀況的載體。

光伏逆變器的核心任務(wù)是跟蹤光伏陣列的最大輸出功率，并將其能量以最小的變換損耗、最佳的電能質(zhì)量饋入電網(wǎng)。

“由于逆變器是串聯(lián)在光伏方陣和電網(wǎng)之間，逆變器的選擇將成為光伏電站能否長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。”劉純說。

隨著裝機(jī)量的不斷增大，滲透率的不斷提高，對(duì)光伏系統(tǒng)并網(wǎng)性能的要求越來越高。大量分布式光伏接入配電網(wǎng)，對(duì)配電網(wǎng)安全運(yùn)行也將產(chǎn)生一定的影響。因此，作為光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口，逆變器具有十分重要的作用，將直接影響光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)性能。

為解決大型光伏電站對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定和電能質(zhì)量帶來的不利影響，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研制了一套具有多控制模式的逆變器。該多控制模式逆變器具有有功功率控制、無功功率調(diào)節(jié)、低頻振蕩抑制、功—頻響應(yīng)、低電壓穿越和緊急無功支撐能力6種功能。

“這種集6種控制策略于一體的逆變器復(fù)合控制技術(shù)，使電站具備了電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、有功/無功調(diào)節(jié)、低電壓穿越、參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻等六大功能，大大提高了光伏發(fā)電并網(wǎng)性能。”劉純說。

光伏電站接入電網(wǎng)環(huán)境千差萬(wàn)別，部分末端電網(wǎng)相對(duì)較弱，電壓波動(dòng)明顯，電能質(zhì)量差。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)甚至出現(xiàn)諧振脫網(wǎng)的現(xiàn)象。

“以前電能質(zhì)量只控制電壓，沒考慮到諧波。我們希望通過關(guān)鍵技術(shù)研究，解決光伏并網(wǎng)后的諧波和閃變等問題。”劉純說。

最后項(xiàng)目組在青海建成了一個(gè)百兆瓦的示范工程。“一次調(diào)試成功，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)論完全吻合。電壓變化迅速跟蹤，控制精度極高。”劉純說。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還提出了基于逆變器下垂控制的光伏電站分層無功電壓自適應(yīng)控制技術(shù)，建立了基于控制在環(huán)實(shí)時(shí)仿真的光伏電站AVC系統(tǒng)研發(fā)試驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)了基于逆變器的大型光伏電站AVC系統(tǒng)，具備了替代光伏電站SVC/SVG的能力，有效降低了光伏電站建設(shè)和運(yùn)行成本。

“以前光伏電站要配SVG，用來自動(dòng)調(diào)節(jié)，現(xiàn)在把SVG取消，一百兆瓦電站就減少投資500萬(wàn)元，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用每年減少100萬(wàn)元，成本降低很多，并且提升了電站效率。”劉純說。

為我國(guó)光伏發(fā)展提供了有效支撐

劉純告訴記者，該項(xiàng)目所形成的關(guān)鍵技術(shù)、裝置、系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)多個(gè)電網(wǎng)公司、光伏電站進(jìn)行了推廣應(yīng)用。“應(yīng)用情況表明，在光伏電站的規(guī)劃、運(yùn)行、控制等方面都起到了一定的促進(jìn)作用，且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。”

項(xiàng)目建立的光伏發(fā)電穩(wěn)定分析仿真平臺(tái)，從2012年開始應(yīng)用，完成了青海、西藏等省光伏發(fā)電年度及遠(yuǎn)景年開發(fā)規(guī)模的滾動(dòng)規(guī)劃調(diào)整，為光伏發(fā)展規(guī)劃提供了技術(shù)支撐和決策依據(jù)，有效促進(jìn)了光伏與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

項(xiàng)目提出的光伏電站整體低電壓穿越驗(yàn)證技術(shù)，對(duì)多個(gè)百兆瓦光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行了低電壓穿越能力評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了光伏發(fā)電站具備國(guó)標(biāo)要求的不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行、無功支撐和快速有功功率恢復(fù)能力。

而在關(guān)鍵設(shè)備的應(yīng)用推廣上，項(xiàng)目研發(fā)的總?cè)萘?Mvar的電能質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)裝置在青海錫鐵山光伏電站開展了示范應(yīng)用，該系統(tǒng)同時(shí)具備無功補(bǔ)償和諧波治理功能，通過相關(guān)測(cè)試，其無功電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間20毫秒，投運(yùn)后有效提高電網(wǎng)電壓運(yùn)行水平，并減少光伏電站的諧波輸出。

項(xiàng)目研發(fā)的基于逆變器下垂控制的光伏發(fā)電AVC系統(tǒng)自2015年至2016年12月分別在錫鐵山光伏電站、安徽肥東百兆瓦光伏電站、國(guó)網(wǎng)北京市電力公司延慶電網(wǎng)地區(qū)進(jìn)行了工程示范應(yīng)用。光伏發(fā)電AVC系統(tǒng)可以充分利用光伏逆變器無功調(diào)節(jié)能力，在不需要額外無功補(bǔ)償設(shè)備的情況下，即可滿足光伏電站無功需求，在無功控制精度、無功響應(yīng)時(shí)間、電網(wǎng)電壓控制精度及響應(yīng)時(shí)間等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)標(biāo)的要求。

“項(xiàng)目成果規(guī)范了我國(guó)光伏電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)、并網(wǎng)運(yùn)行和性能評(píng)價(jià)，保障了我國(guó)光伏飛速發(fā)展情況下未出現(xiàn)大面積脫網(wǎng)等嚴(yán)重事故。同時(shí)提高了我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)了我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。”劉純說，“簡(jiǎn)單地說，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)5年增長(zhǎng)了100倍，至今沒有出現(xiàn)脫網(wǎng)等大事故，就充分說明了項(xiàng)目的意義。”

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