光伏電站并網有功功率控制策略的設計與實現

湯海寧，朱守讓，王偉

（國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京 210061）

光伏電站并網有功功率控制策略的設計與實現

湯海寧，朱守讓，王偉

（國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京 210061）

光伏電站有功功率輸出值能夠按照電網調度的指令進行高效、合理的調節已經成為大規模光伏電站并網的強制性要求。該文研究了光伏電站有功功率控制的現狀，提出一種基于光伏逆變器的光伏電站有功功率控制策略，并通過現場的實際運行驗證了該策略的可行性。

光伏電站；逆變器；有功功率控制

隨著能源危機的加劇，作為新能源之一的光伏發電正逐步得到國家的重視與扶持，大規模光伏電站不斷接入電網，光伏發電對電網的影響越來越大，而基于光伏發電的間歇性強、隨機性大、穩定性差和分布不均勻等特點，同時也使得電網的實時運行調度難度也越來越大[1]。

國家電網公司于2011年5月發布的《光伏電站接入電網技術規定》[2]指出：“光伏電站應具備有功功率調節能力，能夠接收、自動執行調度部門的控制指令，確保有功功率及有功功率變化按照調度部門的要求運行”。

按照這一規定，光伏電站應積極建設有功功率控制系統，保證大規模光伏電站并網后電網的安全穩定運行，提高電網接納光伏發電的能力。

1 現有光伏電站并網有功功率控制方法概述

當前光伏電站中使用的有功功率調節基本采用人工手動調節的方式。由光伏電站值班人員將調度的有功功率目標值與光伏電站此時的有功功率實發值進行差值比較，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點的有功功率達到調度要求的目標值。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，即操作人員接到調度調節要求后，通過差值計算手動控制光伏電站內的逆變器啟/停、升/降功率，時間上有一定的滯后，因而存在誤差大、響應速度慢等問題，操作速率和效率都比較低。

2）這種調節方式沒有結合光伏電站內各逆變器的具體運行狀況，如逆變器運行時間，而是由操作人員較為隨機地進行操作。因此，該方式不僅高度依賴相應逆變器工作的可靠性，而且還因隨機地操作會使某些逆變器長時間一直在運行，而另一些逆變器則長時間停機，從而導致逆變器故障率提升。同時，光伏逆變器頻繁地啟/停本身不僅會影響其穩定性和安全性，而且也會降低光伏逆變器的使用壽命。

考慮到手動控制調節光伏電站有功功率的諸多弊端，近年來有學者提出了一些新的控制調節方法，如在光伏電站中增加儲能電池設備以進行有功功率調節[3]；光伏電站設計時配置具有轉向功能的光伏板件支架，通過調整光伏板件的角度實現有功功率的調節[4]等。通過調研發現，儲能電池系統在光伏電站中的應用目前還處于試點階段，且儲能電池具有危險性高，污染環境的缺點，在儲能電池技術尚未成熟的情況下利用儲能電池設備實現對光伏電站進行有功功率控制的可行性不大；考慮到設備成本及可靠性等問題，國內已建成的光伏電站中大多采用固定支架形式的光伏發電組件，且光伏電站支架數量非常多，如果通過調整光伏板件角度來調節光伏電站有功功率將增加監控系統的系統資源開銷，影響電站的運行安全，因此這種方式也不具有推廣價值。

2 基于光伏逆變器的光伏電站并網有功功率控制策略設計

光伏監控系統可以對站內逆變器進行遙調操作，實現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準確地調整光伏電站并網點的有功功率，同時充分考慮了各光伏逆變器的實際工作情況，提高其運行的穩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點的有功功率實發值Pmea，計算并 網點有功 功率目 標值 Ptarget與有 功功 率實發值Pmea的差值，記為有功功率偏差。

2）設置有功功率偏差的死區閥值δ，若有功功率偏差的絕對值大于死區閥值δ則進入步驟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）根據實時輻照輻度和組件溫度數據，計算各光伏電站的最大有功功率。

參照各類型太陽能發電組件的功率輸出特性，計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計算公式如下：

式中：Psmax為單片光伏組件在當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逆變器相關聯的光伏組件數目；P為組件標稱功率；a為組件溫度系數，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，按每年0.9%累計計算；η1為組合損失取5%，η2為線損及二極管導通壓降損失取3%；η3為灰塵及遮陰損失取1%～10%。

4）根據各光伏逆變器的當前實發有功功率和最大有功功率，計算有功增裕度系數和有功減裕度系數，依據有功增裕度系數和有功減裕度系數的大小，生成有功增裕度隊列和有功減裕度隊列，具體步驟如下：

式中：Pmea為第i臺光伏逆變器有功功率實發值。

按照有功增裕度系數由大到小的順序進行排列，生成有功增裕度隊列；

式中：Pimea為第i臺光伏逆變器有功功率實發值；Pimin為第i臺光伏逆變器最小運行功率，由各逆變器的型號及參數決定，是逆變器的參數之一。

按照有功減裕度系數由大到小的順序進行排列，生成有功減裕度隊列。

5）計算所有運行的可調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；

式中：m為光伏逆變器臺數。

6）依據各光伏逆變器的累計停機時間和累計運行時間的長短，生成開機隊列和停機隊列，具體為：

①開機隊列的生成

記錄各光伏逆變器本次停機的時間，當光伏逆變器本次停機的時間超過最短停機時間后，光伏逆變器可以加入到開機隊列，再次開機。

將光伏逆變器本次停機的時間加上以前累計停機的時間即得到逆變器累計停機時間，按照逆變器累計停機時間由長到短的順序進行排列，生成開機隊列。

②停機隊列的生成

記錄各光伏逆變器本次運行的時間，當光伏逆變器本次運行的時間超過最短開機時間后，光伏逆變器可以加入到停機隊列，再次停機。

將光伏逆變器本次運行的時間加上以前累計運行的時間即得到逆變器累計運行時間，按照逆變器累計運行時間由長到短的順序進行排列，生成停機隊列。

7）根據有功功率偏差，確定功率調整策略，具體方法為：

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

8）根據功率調整策略，向光伏逆變器發出控制指令。

9）等待光伏逆變器執行指令動作完成后，返回步驟1）。

3 策略實現形式

上述光伏電站并網有功功率控制策略可以以程序模塊嵌入光伏電站監控系統的方式實現，也可以以有功功率控制裝置的形式實現。在國家電網公司張北風光儲送示范工程一期光伏區采用的是有功功率控制裝置形式。

國網張北風光儲送示范工程光伏區內共有38個逆變器小室，每個逆變器小室中有2臺逆變器，其中30個逆變器小室中為60臺500 kW型逆變器，另外8個逆變器小室中為16臺630 kW型逆變器，光伏發電總容量為40.08 MW。在該電站的監控系統中，全景監控系統負責全站的統一監控和調度，而光伏電站集成監控系統專門負責光伏設備監控。

在電站實際運行中，光伏電站集成監控系統設置為有功功率自動控制模式，全景監控系統向光伏監控系統下達總有功功率出力指標，光伏電站集成監控系統將總有功功率出力設定值下發給光伏有功功率控制裝置。光伏有功功率控制裝置依據上文所述的控制策略，通過各子光伏發電單元中的通訊管理機向各逆變器進行有功功率控制。該工程有功功率控制策略架構如圖2所示。

圖2 有功功率策略實現架構Fig.2 Structure chart of the active power strategy

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

4 控制效果分析

國網張北風光儲送示范工程全景監控系統于2011年12月13日11時27分42秒顯示光伏區設定有功功率值為18.75MW，實測有功功率值為18.72 MW。操作人員通過全景監控系統分別于11時28分和11時32分向光伏監控系統下達20.00 MW、21.75 MW的總有功功率出力指標，通過全景監控系統實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，本策略可以實現有功功率的平滑調節，較好地滿足大型光伏電站有功功率控制的運行需求。

5 結語

光伏電站有功功率控制策略的應用與實現，能夠為電網對于光伏電站的調度提供有效的有功功率調節工具，從而提高了電網接納光伏發電的能力，滿足大型光伏電站并網的技術要求，進一步保證電網的安全穩定運行。

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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，研究方向為電力系統監控，新能源發電監控；

朱守讓（1969），男，高級工程師，研究方向為電力系統監控，新能源并網；

王 偉（1967），男，高級工程師，研究方向為電力系統監控，新能源發電監控。

國家電網公司資助研究項目：“規?；夥l電運行控制關鍵技術研究與示范”（國家電網科[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