光伏發電系統級快速功率調控技術及其應用

劉明昕

摘要：隨著新能源在某些電網中占比超過20%，電網的運能面臨諸多困難和問題，迫切需要進行新能源發電的挖掘與開發，尤其是IGBT晶體管。雙極晶體管逆變器通過其電源控制系統與電網相連，從而可以快速響應電力控制和配套服務，例如一次調頻/調壓系統。在此背景下，本文提出了新能源系統尤其是光伏生產層面的快速電力控制系統。其目的是在整個電網系統層面實現100毫秒內新能源尤其是光伏電站響應功率的快速增減。該文提出了對現有能源安全穩定系統進行最先進的系統改造，旨在確保光伏電站可以修復而不是更換，實現更快、更可持續的光伏發電。提供逆變器反向跳躍峰值功率點跟蹤（MPPT）算法等技術，設計滿足逆變器快速響應要求的逆變器電源管理平臺。[1]該解決方案已應用于中國西藏電力系統。根據現場實際測試結果，光伏響應時間在30ms以內，整個系統響應時間在60ms以內，達到了100ms以內的設計目標，測試和性能結果確保技術性能和發展需求。

關鍵詞：新能源;光伏發電;穩定控制系統

近年來，隨著新能源在我國的大力推廣和利用，不僅給社會帶來了清潔衛生的能源，也帶來了一系列新的困難和挑戰。

光伏發電，風電與電網結合后，由于其主要設備集中在電子設備上，無法在中斷過程中提供電網所需的有源或高效電力。如果逆變器檢測到電流或電壓超過限值，立即進入高壓傳輸模式，有功功率將降為零甚至關斷，等于輸出功率為零，對電網進行二次功率沖擊，將沖擊電能傳輸的安全穩定環境。由于當前對可再生能源控制裝置的響應速度較慢（分鐘率）且普遍缺乏基本的頻率波動，因此頻率波動和電力系統高度控制主要由常規電源處理，給高壓電力系統控制帶來很大壓力。

1當前新能源站功率控制及其不足

當前用于控制新能源發電站產生的電力的自動電力控制（AGC）系統由來已久。在ACG使用網絡層中的通信單元（也稱為通信控制設備或連續規則開關）發送命令后，通用通信單元需要將TCP控制消息通過RS-轉換為MODBUS消息。串口485（4800位/秒或9600bps）并將其發送到指定的光伏逆變器，上述過程需要8-15秒或更長時間。[2]

在標準的光伏逆變器中，接口單元通常是先接收外部指令，然后再將指令（通常是串口）傳送到最后一個功率控制單元。在此過程中，逆變器內部通訊的延遲可達1～2s;此外，在許多現代光伏逆變器中，指定功率控制單元在接收到一組目標功率后，通常采用傳統的高密度功率算法（MPPT）進行功率跟蹤，通常需要1～3s。經過以上分析，我們可以得出目前新一代光伏電站AGC發電的響應時間為10-20s。站內控制系統長期通信的構建，以及逆變器本身的傳輸和最終功率的相應通信過程、介質和算法，以新的功率觸發當前的光伏功率控制響應。

從安全角度來看，電力系統管理高度依賴于電力傳送系統和穩定控制系統。調度系統注重穩定管理，長期可控;而穩定性控制系統則是基于強擾動性事件的快速控制，主要從能量角度來解決能量系統的穩定性問題。第二道防線，現有的穩定控制系統通過直接斷開發電機組（包括110kV線路和新建電站220kV線路）和充電線路來維護電力系統的安全和穩定。在西藏、西北等地區，在新能源風電或光伏出現功率缺額時，往往采取減負措施，造成嚴重的負面生產和社會后果;當剩余能量時，通常先關閉光伏和風電電纜。這種直接拆除整廠或關閉傳輸通道的方式，不僅會導致局部電力控制出現問題，還會出現多條回收電纜、施工周期過長等與工廠經濟運行不相容的問題。

此外，對于可再生能源水平較高的電網，電網必須快速使用新的修復能力，以彌補傳統發電分配的不足。如果新電站能夠在100毫秒內快速設置，將減少停電和負荷量;此外，維護含有新能源電站的電網也有助于解決有功能源問題，這對安全很重要，并提高能源系統的穩定性和效率。

2新能源快速功率調控系統架構

由于新能源電力尤其是發電控制存在上述不足，結合穩定控制系統在快速控制方面的優勢和新能源電力快速控制的需要，本文提出以電網電力管理系統為主要手段，專用站發出分步指令，然后新能源電廠的電廠能源控制層檢測所有電廠能源的衰減和轉移，最后利用逆變技術開發出高效、快速的新型電力系統。

該技術的主要目的是通過快速減/增功率、減載或缺載、減少停堆裝置（水、換熱器）、關閉或不關閉發電機或在現有穩定控制系統出現任何中斷或故障時，通過電力系統要求的直接超馳功能，超過電力控制系統200～300毫秒的響應速度.

3新能源廠站快速功率調控技術

光伏，風電的逆變器等設備的IGBT具有出色的快速響應特性。其中，在光伏發電中，由于沒有旋轉機械部件，因此比風能具備更快的功率轉換條件。北方等農村地區的光伏裝機容量和生產能力已達到甚至超過風電水平。因此，本文首先考察光伏電站的快速能量控制技術?？紤]到目前AGC光伏電源管理系統在各個領域存在的不足，首先是開發一種可以與光伏逆變器的高速控制和效率進行通信的設備，這樣整個站的光伏逆變器都是新的、快速的電源。

4結語

（1）提出了新能源特別是光伏電站的電源管理技術。該技術可以檢測到整個電網100ms以內的光伏功率控制響應速度，可以滿足電網中斷較多時新建新能源電廠100ms快速響應時間的需求。

（2）標準系統架構、新型快速功率控制裝置、站內快速網絡聯網、集成光伏發電平臺、功率跟蹤系統等相關技術組成的快速功率調控系統架構，這一架構在西藏電力系統中得到了成功實施。測試結果表明，該系統提供了優良的控制特性：單廠約30ms，全網約60ms，證明新能源，尤其是光伏電站，具有快速控制兩種功率模式的能力。

（3）逆變器還具有快速調整有功功率的能力。一項基于大功率逆變器自校正功率的研究，充分利證明了這點。充分利用該研究結果還可以減少對特殊電站設備安裝的需求，有利于提高建設和運行光伏電站的水平。此外，它還可以起到防止電力系統停電的作用，有助于新能源的可持續發展。

參考文獻：

[1]吳碩.光伏發電系統功率預測方法研究綜述[J].熱能動力工程，2021，36（08）：1-7.

[2]徐晨，金軍.光伏發電系統非接觸并網供電自動控制方法[J].光學與光電技術，2021，19（04）：55-61.