廣東電網集中式光伏發電廠涉網性能與運行特性分析

劉 宇

廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣東 廣州 510600

0 引言

隨著雙碳目標的推進，廣東地區光伏發電快速發展。截至2021年6月底，廣東電網集中式光伏裝機達4 480 MW，主要分布于粵西、粵北等地區。隨著光伏等新能源接入規模的快速增加，部分影響電網安全穩定運行的問題凸顯。首先，集中式光伏電站涉網標準和涉網管理體系亟待完善。其次，集中式光伏大規模接入后系統的無功調節、暫態穩定、動態穩定特性發生變化。最后，由于新能源出力的不確定性，大規模并網后系統調峰難度將進一步增加。為此，文章分析了集中式光伏電站相關標準適用情況，并梳理了廣東地區電站對標準的依從性。同時，對于集中式光伏電站的運行特性，重點從有功、無功特性和系統穩定情況進行了分析，最后從調度與系統安全運行的角度提出相關建議。

1 光伏電站的涉網性能

國家標準《光伏發電廠接入電力系統技術規定》（GB/T 19964—2012）[1]（以下簡稱《系統技術規定》）、《光伏發電廠無功補償技術規范》（GB/T 29321—2012）及《光伏發電站性能評估技術規范》（GB/T 39854—2021）等對于光伏發電廠的調頻調峰能力、發電功率預測、無功容量配置、電壓控制、低電壓穿越能力、運行適應性、電能質量等涉網性能作出了規定。廣東電網在此基礎上編制了《集中式光伏電站并網服務手冊》等文件，實現了設備型式試驗、出廠驗收、并網測試和運行維護的全流程技術標準管控，下文主要對光伏電站主要涉網性能進行分析。

1.1 無功配置與電壓控制

光伏發電廠的主要無功源為光伏并網逆變器及廠站內的無功補償裝置。光伏發電廠應充分發揮并網逆變器的無功容量及調節能力，當逆變器無法滿足電壓調節要求時，應在廠站中配置無功補償裝置，并綜合考慮光伏發電站各種出力水平以及接入系統后的各種運行工況下的暫態、動態過程，配置足夠的動態無功補償容量。

按照無功分層分區就地平衡的原則，光伏發電廠的容性無功容量應能補償光伏發電廠滿發時站內匯集線路、主變的感性無功以及并網點送出線路的一半感性無功之和，光伏發電廠的感性無功容量應能補償廠站自身的充電無功及并網點送出線路的一半充電無功之和。選取廣東電網2020年內某光伏大發時刻實際運行數據進行分析，統計全網集中式光伏電站無功平衡情況發現，有約13%的光伏電站容性無功配置不滿足標準要求，主要是部分110 kV及以下電壓等級接入的光伏電站，如表1所示。

表1 廣東電網110 kV及以上集中式光伏電站無功補償配置的情況

1.2 低電壓穿越能力

光伏電站的低電壓穿越能力是指并網點系統電壓在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內，光伏電站能夠維持運行而不脫離電網，并為系統提供一定的有功無功支撐[2]。較強的穿越能力可增強故障下系統的穩定性，并且可避免過渡過程中光伏電站頻繁并網造成的沖擊。《系統技術規定》規定光伏電站并網點電壓跌落至零時，光伏電站應能不脫網連續運行0.15 s，如圖1所示，其中曲線1以上部分能夠連續運行。

圖1 相關標準對光伏電站低電壓穿越能力的要求

2 光伏電站運行特性

由于光伏電站出力大幅隨機波動，會對電網的有功、無功平衡造成沖擊，對電網的一、二次調頻和備用管理策略將構成新的挑戰。同時，由于光伏電源是靜止元件，本身無功角穩定問題，但其無法為系統提供轉動慣量，減小了系統等效轉動慣量，則光伏接入后系統功角穩定性會發生改變，從而將降低系統應對功率缺額的能力。因此，在光伏電站運行中應重點關注其有功出力特性、無功電壓運行特性、系統暫態穩定性、系統動態穩定性等問題。

2.1 有功出力特性

光伏電源的有功出力受太陽光照強度、氣壓、溫度等多種因素影響，可用式（1）描述[3]：

式中：η為太陽能電池轉化效率；S為光伏陣列面積，m2；I為太陽輻射強度，kW/m2；t0為環境溫度，℃。

光伏電源的出力預測按時間尺度可分為超短期預測、短期預測和中長期預測。超短期預測主要指未來0～4 h內的出力預測，預測值的時間分辨率在1～15 min內，主要用于指導電網實時調度。短期預測指未來幾日內的出力預測，主要用于指導電網日前發電計劃安排。中長期預測指未來一個月至數年內的整體出力預測，主要用于安排年度檢修計劃和光伏電站規劃選址。相關標準規定光伏發電站應每15 min向調度機構自動報送未來15 min～4 h出力預測曲線，預測時間分辨率為15 min。日前需向調度機構報送次日0～24 h出力預測曲線，預測時間分辨率同樣為15 min。目前，國內光伏電站超短期出力預測主要使用統計方法或物理方法開展，統計方法主要依據實時天氣數據、歷史天氣數據、歷史出力曲線等，通過神經網絡等算法開展預測。物理方法通過對光伏板、逆變器進行建模，并依據超短期天氣預測數據得出預測數據。

2.2 無功電壓運行特性

使用PSD-BPA仿真計算軟件對風光大發方式下廣東電網無功電壓特性進行分析。在目前有限的新能源接入規模下，新能源機組對于主網總體電壓水平影響較小，但局部地區電壓問題已經開始顯現。在新能源理論大發方式下，清遠地區賢令山片整體電壓水平下降，陽山站和安峰站電壓分別較夏大方式下降2.0 kV和2.2 kV。這是由于該片區的安峰、陽山、保城、星子光伏等站點接入較大規模的風電場及光伏電站，總容量為540 MW。在新能源理論大發方式下，賢令山由下送162 MW變為上送436 MW。湛江、陽江、茂名、韶關地區新能源接入量分別為1 183 MW、1 558 MW、305 MW、565 MW，在新能源理論大發方式下，港城、茂名、蝶嶺、回隆、曲江下送功率大幅下降甚至反送，港城和茂名電壓分別上升2.4 kV和2.3 kV，整體上電壓在可控范圍內。下一步需重點關注包括光伏在內的新能源大規模接入后電網無功平衡與潮流的控制。

2.3 系統暫態穩定特性

針對新能源集中的湛江、茂名、陽江、清遠等地區使用PSD-BPA軟件開展暫態穩定計算，其中對于220 kV送出的光伏電站（現有網架均為單線送出）廠站側設置單瞬故障，對于110 kV新能源集中上網地區的220 kV線路（如伏聞甲乙線、醒伏甲乙線等）設置三相短路N-2故障，故障均設置在兩側廠站出口處。穩定計算發現，上述故障后系統均能保持穩定，故障期間無新能源脫網情況。但由于PSD-BPA為機電暫態仿真軟件，無法對電力電子器件的電磁暫態過程進行仿真，下一步應進一步完善光伏電源電磁暫態模型，關注高比例新能源滲透下的電力系統電磁暫態問題。

3 結論與建議

由于集中式光伏存在著出力波動大、不能提供轉動慣量支撐等問題，對系統的調峰調頻特性、暫態穩定性和動態穩定特性有所改變，為了確保系統安全穩定運行，提出以下建議：

（1）加強集中式光伏涉網標準體系建設和涉網管理水平，確保并網廠站符合國標和相關規范要求；

（2）加強集中式光伏電磁仿真能力建設，開展全電磁或機電—電磁混合仿真，揭示高電力電子設備滲透率下電網的穩定特性；

（3）加強儲能與需求側相應配套建設，為新能源有效消納和高比例新能源電力系統調峰調頻奠定基礎。