光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓測(cè)試方法研究

摘 要：

新能源高比例接入電網(wǎng)難免引起電網(wǎng)局部電壓波動(dòng)，鑒于此，提出了光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓測(cè)試方法，將光伏發(fā)電站內(nèi)多集電線路發(fā)電單元分為兩組，第一組作為光伏發(fā)電站母線電壓暫態(tài)激勵(lì)源，第二組作為電站恒電壓控制源，通過(guò)控制第一組無(wú)功出力產(chǎn)生瞬時(shí)電壓跌落或抬升，第二組所在的控制系統(tǒng)感知到母線電壓波動(dòng)后產(chǎn)生相反的無(wú)功出力，進(jìn)而測(cè)試光伏發(fā)電站第二組集電線路發(fā)電單元的動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓響應(yīng)性能，再通過(guò)顛倒兩組的運(yùn)行角色來(lái)測(cè)試第一組集電線路發(fā)電單元的動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓響應(yīng)性能。該方法可以降低光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓測(cè)試難度，提高新能源并網(wǎng)測(cè)試的效率。

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)新能源發(fā)展迅速，并網(wǎng)設(shè)計(jì)方案中要求新能源并網(wǎng)前需進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定并網(wǎng)條件?，F(xiàn)階段設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中要求光伏發(fā)電站具備動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓支撐能力[1]，其中動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓支撐無(wú)功源包括動(dòng)態(tài)無(wú)功裝置和新能源發(fā)電單元。新能源發(fā)電站中采用動(dòng)態(tài)無(wú)功裝置作為無(wú)功源參與電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐時(shí)，多采用文獻(xiàn)[2]的方案進(jìn)行測(cè)試，在并網(wǎng)點(diǎn)部署電壓波動(dòng)模擬裝置作為無(wú)功激勵(lì)源來(lái)驗(yàn)證動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓支撐電網(wǎng)的性能，該方法中的電壓波動(dòng)模擬裝置屬于測(cè)試設(shè)備，測(cè)試中需要與并網(wǎng)斷路器連接，涉及高壓接線，危險(xiǎn)程度高，對(duì)測(cè)試人員的專業(yè)水平要求較高。文獻(xiàn)[3]對(duì)采用變壓器抽頭注入式無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的機(jī)理進(jìn)行了研究，以提高電源側(cè)功率因數(shù)和母線電壓水平，可以將其工作原理引入新能源升壓變側(cè)來(lái)測(cè)試新能源發(fā)電站動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓性能，該方案雖然無(wú)須額外增加一次設(shè)備，但不具備普適性，其在新能源發(fā)電并網(wǎng)具備升壓站的場(chǎng)景可以應(yīng)用，但不適用于新能源容量較小的電站采用低壓并網(wǎng)的場(chǎng)景。文獻(xiàn)[4]搭建了10 kV一體化檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，用于10 kV變臺(tái)一、二次設(shè)備一體化檢測(cè)試驗(yàn)，雖然該方案在10 kV配網(wǎng)側(cè)應(yīng)用，但其基本原理可以引用至電壓等級(jí)更高的新能源接入的變電站中進(jìn)行新能源場(chǎng)站的動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓性能測(cè)試，不過(guò)其響應(yīng)時(shí)間為百毫秒級(jí)，測(cè)試工裝無(wú)法滿足目前新能源場(chǎng)站30 ms內(nèi)完成動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓性能測(cè)試的要求[5]。

基于上述方案及其存在的問(wèn)題，本文從新能源發(fā)電自身的特點(diǎn)出發(fā)，利用新能源發(fā)電站發(fā)電單元分散部署的特點(diǎn)，將多集電線路分組，采用組間互測(cè)方法完成新能源場(chǎng)站動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓響應(yīng)性能的測(cè)試，本方案無(wú)須增加其他一次設(shè)備或系統(tǒng)，具有更好的可操作性。

1平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文的研究目的在于在不增加光伏發(fā)電站一次設(shè)備投入的情況下，借用新能源現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備完成光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓性能評(píng)估，測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)包括動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓激勵(lì)源構(gòu)建、被測(cè)試對(duì)象構(gòu)建及測(cè)試方法。

1.1通信機(jī)制

在構(gòu)建動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓激勵(lì)源前，需對(duì)光伏發(fā)電站現(xiàn)有通信機(jī)制進(jìn)行修改，將現(xiàn)階段采用TCP/IP協(xié)議交互的通信方式修改為組播GOOSE協(xié)議交互，這種通信機(jī)制的修改本身對(duì)新能源參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓具有促進(jìn)作用，可以大大提升新能源參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓的響應(yīng)性能。圖1（a）為現(xiàn)階段光伏發(fā)電站功率控制路徑通信拓?fù)?，圖1（b）為現(xiàn)階段采用TCP/IP通信機(jī)制的交互原理示意圖，圖1（c）為采用組播GOOSE協(xié)議后的交互機(jī)制，通信交互機(jī)制修改后功率控制設(shè)備與逆變器通信時(shí)間縮短為原來(lái)的1/2×nm，其中nm為光伏發(fā)電站逆變器數(shù)量；同時(shí)功率控制設(shè)備功率控制指令在嵌入式操作系統(tǒng)下優(yōu)化后的處理時(shí)間為微秒級(jí)，光伏發(fā)電站功率控制時(shí)間近似為控制指令在光纖鏈路上的傳輸時(shí)間，組播GOOSE報(bào)文按照最大MTU計(jì)算，百兆通信帶寬下通信時(shí)間約為12.3 ms，逆變器本地進(jìn)行無(wú)功解環(huán)后無(wú)功響應(yīng)時(shí)間小于30 ms，即從功率控制設(shè)備下發(fā)指令至逆變器無(wú)功響應(yīng)到目標(biāo)值90%的時(shí)間不大于30 ms。

1.2動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓激勵(lì)源及被測(cè)對(duì)象構(gòu)建激勵(lì)源與被測(cè)對(duì)象的構(gòu)建，為了能夠較大裕度地反映光伏發(fā)電站無(wú)功電壓控制能力，本方案采用1/2容量配比原則，即激勵(lì)源與被測(cè)對(duì)象的容量比為1:1，在光伏發(fā)電站為多集電線路時(shí)，根據(jù)集電線路近似1:1原則進(jìn)行邏輯劃分，在光伏發(fā)電站多集電線路不能按照近似1:1原則劃分或單集電線路時(shí)按照容量的1/2進(jìn)行邏輯劃分，如圖2所示。

如圖2（a）所示，在集電線路平衡方式中，直接根據(jù)圖2（c）按集電線路規(guī)劃；如圖2（b）所示，在非平衡多集電線路方式中，按照?qǐng)D2（d）所示的容量規(guī)劃，其中dsGOOSE1為激勵(lì)控制塊，dsGOOSE2為電壓控制塊。

2平臺(tái)架構(gòu)

2.1平衡方式平臺(tái)

如圖3（a）所示，在集電線路平衡方式中，功率控制回路側(cè)，光伏發(fā)電站高壓側(cè)PT、CT信號(hào)接入電壓控制設(shè)備，電壓控制設(shè)備工作為恒電壓模式，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與集電線路所有逆變器組網(wǎng)，通過(guò)dsGOOSE2控制塊通信。測(cè)試平臺(tái)側(cè)，激勵(lì)控制通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與集電線路所有逆變器組網(wǎng)，通過(guò)dsGOOSE1控制塊通信，光伏發(fā)電站高壓側(cè)PT、CT信號(hào)接入數(shù)據(jù)記錄儀，用于觀察光伏發(fā)電站電壓波動(dòng)狀態(tài)評(píng)估測(cè)試結(jié)果。每組測(cè)試分為兩個(gè)階段，第一階段測(cè)試s3和s4的響應(yīng)性能，第二階段測(cè)試s1和s2的響應(yīng)性能。

第一階段測(cè)試中，將#1和#2集電線路作為無(wú)功激勵(lì)源，#3和#4集電線路作為電壓控制源，其中#1和#2集電線路下所有逆變器建模文件訂閱dsGOOSE1控制塊，#3和#4集電線路下所有逆變器建模文件訂閱dsGOOSE2控制塊。

第二階段測(cè)試中，將#3和#4集電線路作為無(wú)功激勵(lì)源，#1和#2集電線路作為電壓控制源，其中#1和#2集電線路下所有逆變器建模文件訂閱dsGOOSE2控制塊，#3和#4集電線路下所有逆變器建模文件訂閱dsGOOSE1控制塊。

2.2 非平衡方式平臺(tái)

如圖3（b）所示，在集電線路非平衡方式中，電壓控制設(shè)備及測(cè)試平臺(tái)側(cè)架構(gòu)與平衡方式相同，區(qū)別在于逆變器側(cè)建模文件的細(xì)分。這里假設(shè)光伏發(fā)電站有n條集電線路，每條集電線路下接入逆變器數(shù)量各不相同，逆變器總數(shù)為m0=x+y+z。第一階段測(cè)試中，參與激勵(lì)控制的逆變器數(shù)量為mq=?m0/2?，參與電壓控制的逆變器數(shù)量為mu=m0-mq，mq部分建模文件訂閱dsGOOSE1，mu部分建模文件訂閱dsGOOSE2。第二階段測(cè)試中，mq部分建模文件訂閱dsGOOSE2，mu部分建模文件訂閱dsGOOSE1。

3測(cè)試方法

3.1測(cè)試步驟

基于動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓激勵(lì)源及被測(cè)對(duì)象的構(gòu)建方式，在光伏發(fā)電站集控中心部署激勵(lì)控制，該激勵(lì)控制可以是電壓控制設(shè)備，也可以是PC機(jī)運(yùn)行的dsGOOSE1報(bào)文發(fā)送工具，激勵(lì)控制通信接口接入光伏發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。具體測(cè)試步驟如下：

（1）將光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)PT、CT接入錄波器。

（2）評(píng)估光伏發(fā)電站無(wú)功調(diào)節(jié)能力：電壓控制設(shè)備控制模式退出，激勵(lì)控制投入，根據(jù)光伏發(fā)電站實(shí)時(shí)電壓運(yùn)行值UR，按步進(jìn)+0.5kV發(fā)送電壓目標(biāo)值，同時(shí)觀察UR，當(dāng)UR接近光伏發(fā)電站匯集母線電壓等級(jí)所運(yùn)行的上限值UH時(shí)停止評(píng)估，記錄當(dāng)前容性無(wú)功值作為上限無(wú)功值QC；然后從當(dāng)前UR按步進(jìn)-0.5kV發(fā)送電壓目標(biāo)值，同時(shí)觀察UR，當(dāng)UR接近光伏發(fā)電站匯集母線電壓等級(jí)所運(yùn)行的下限值UL時(shí)停止評(píng)估，記錄當(dāng)前感性無(wú)功值作為下限無(wú)功值QL，獲取光伏發(fā)電站無(wú)功調(diào)節(jié)區(qū)間[QL，QC]。

（3）電壓控制設(shè)備投入恒電壓模式，電壓設(shè)定值為Uset，一般取值在UR左右，確保光伏逆變器不參與無(wú)功功率出力，激勵(lì)控制設(shè)定為QC后發(fā)送dsGOOSE1，此時(shí)電壓控制感知母線電壓抬升后發(fā)送dsGOOSE2進(jìn)行感性方向的無(wú)功調(diào)節(jié)，錄波器記錄測(cè)試過(guò)程電壓曲線。

（4）離線分析電壓曲線，獲取一次暫態(tài)無(wú)功電壓支撐指標(biāo)數(shù)據(jù)ret1。

（5）激勵(lì)控制設(shè)定為0后發(fā)送dsGOOSE1，釋放激勵(lì)源，此時(shí)電壓控制感知母線電壓跌落后發(fā)送dsGOOSE2進(jìn)行容性方向的無(wú)功調(diào)節(jié)。

（6）重復(fù)步驟（4）獲取第二次暫態(tài)無(wú)功電壓支撐指標(biāo)數(shù)據(jù)ret2。

（7）激勵(lì)控制設(shè)定為QL后發(fā)送dsGOOSE1，此時(shí)電壓控制感知母線電壓繼續(xù)跌落后發(fā)送dsGOOSE2進(jìn)行感性方向的無(wú)功調(diào)節(jié)，錄波器記錄測(cè)試過(guò)程電壓曲線。

（8）重復(fù)步驟（4）獲取第三次暫態(tài)無(wú)功電壓支撐指標(biāo)數(shù)據(jù)ret3。

（9）激勵(lì)控制設(shè)定為0后發(fā)送dsGOOSE1，釋放激勵(lì)源，此時(shí)電壓控制感知母線電壓抬升后發(fā)送dsGOOSE2進(jìn)行容性方向的無(wú)功調(diào)節(jié)。

（10）重復(fù)步驟（4）獲取第四次暫態(tài)無(wú)功電壓支撐指標(biāo)數(shù)據(jù)ret4。

（11）離線分析ret3～ret4數(shù)據(jù)，獲取電壓控制設(shè)備區(qū)域光伏無(wú)功電壓支撐指標(biāo)retA。

（12）將激勵(lì)控制與電壓控制設(shè)備對(duì)調(diào)，重復(fù)步驟（3）～步驟（11）獲取retB。

（13）根據(jù)retA和retB計(jì)算單次光伏發(fā)電站無(wú)功電壓支撐評(píng)估指標(biāo)retPC1=retA+retB。

（14）重復(fù)步驟（3）～（13）多次評(píng)估獲取retPC2，retPC3，…，retPCn，取中位數(shù)作為光伏發(fā)電站無(wú)功電壓暫態(tài)評(píng)估指標(biāo)：

3.2測(cè)試指標(biāo)確認(rèn)邊界條件

光伏發(fā)電站無(wú)功配置能力指標(biāo)參照文獻(xiàn)[5-6]。光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐指標(biāo)參照文獻(xiàn)[5]，其中動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償指標(biāo)中動(dòng)作死區(qū)電壓為（0.2%～0.5%）UN，響應(yīng)時(shí)間為無(wú)功補(bǔ)償動(dòng)作開始至無(wú)功調(diào)節(jié)達(dá)到無(wú)功調(diào)節(jié)量的90%的時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間為動(dòng)作開始至母線電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)精度范圍內(nèi)的時(shí)間，其中穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)精度為0.5%UN[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于光伏發(fā)電站發(fā)電單元自身互調(diào)方案測(cè)試光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償電壓指標(biāo)的架構(gòu)，給出了互調(diào)方案中的容量規(guī)劃方法和測(cè)試步驟，無(wú)須額外增加一次設(shè)備的投入即可完成光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓指標(biāo)的評(píng)估，降低了光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓評(píng)估難度，提升了評(píng)估效率和評(píng)估安全性，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

審核編輯 ：李倩