新能源場(chǎng)站網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)問題研究

劉輝，謝偉，李誠帥，郭緋陽

(河南九域恩湃電力技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

為解決全球突出的資源環(huán)境問題，國家提出了構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)戰(zhàn)略方向。宏觀表現(xiàn)上，新型電力系統(tǒng)的特征是以新能源為主體、常規(guī)同步機(jī)組為輔，新型電力系統(tǒng)具有“高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備”特性，在經(jīng)濟(jì)消納和安全穩(wěn)定運(yùn)行等方面給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來巨大挑戰(zhàn)[1－3]。維持電力系統(tǒng)較高的穩(wěn)定水平是保障電力能源安全的基礎(chǔ)，由于新能源電力電子接口所固有的弱支撐性和低抗擾性，隨著裝機(jī)容量的快速增長，電力系統(tǒng)的頻率、電壓穩(wěn)定性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[4－6]。近年來，新能源高占比區(qū)域已發(fā)生多起電網(wǎng)大停電事故，眾多學(xué)者認(rèn)為應(yīng)從控制策略層面加強(qiáng)新能源的涉網(wǎng)性能，要求新能源的控制和運(yùn)行發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，從對(duì)電網(wǎng)安全的“被動(dòng)跟隨” 轉(zhuǎn)變?yōu)?“主動(dòng)支撐”[7－10]。文獻(xiàn)[11]中，將接入35 kV及以上電壓等級(jí)的新能源和常規(guī)機(jī)組統(tǒng)稱為電源，提出了原則上一致的耐受性要求。文獻(xiàn)[12]對(duì)新能源場(chǎng)站的涉網(wǎng)技術(shù)管理及涉網(wǎng)試驗(yàn)也做了明確的要求。

目前國內(nèi)外研究主要集中于如何提升新能源電力電子設(shè)備的控制技術(shù)[13－15]，但是對(duì)于相關(guān)技術(shù)推廣應(yīng)用過程中存在的實(shí)際問題研究較少。對(duì)新能源場(chǎng)站的網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)落地實(shí)施過程中存在的問題進(jìn)行研究和分析，不僅有助于降低電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)，還對(duì)電網(wǎng)友好型控制技術(shù)的發(fā)展方向提供一定程度的指導(dǎo)。

本文根據(jù)多年來對(duì)新能源場(chǎng)站進(jìn)行涉網(wǎng)試驗(yàn)及技術(shù)監(jiān)督的經(jīng)驗(yàn)，從網(wǎng)源協(xié)調(diào)的角度，對(duì)新能源場(chǎng)站涉網(wǎng)設(shè)備管理現(xiàn)狀進(jìn)行研究，并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)電網(wǎng)安全隱患最突出的涉網(wǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行分析，探討問題的原因及解決方案。

1 新能源場(chǎng)站網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)管理問題

1.1 新能源場(chǎng)站涉網(wǎng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

新能源發(fā)展早期存在的電能質(zhì)量不合格、電網(wǎng)適應(yīng)性較弱、功率控制能力不足、低電壓穿越能力缺失等多項(xiàng)技術(shù)問題如今已通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂逐步解決。但是由于新能源裝機(jī)容量和技術(shù)更迭迅速，新能源場(chǎng)站的并網(wǎng)管理體系仍存在一些亟待完善之處。

1)相關(guān)性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量多，部分標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容存在交叉重疊，部分標(biāo)準(zhǔn)覆蓋內(nèi)容范圍較窄。

2)標(biāo)準(zhǔn)修訂周期較長，部分標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容難以適應(yīng)電網(wǎng)需求，例如GB/T 19964?光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定?于2012年實(shí)施發(fā)布，缺少高電壓穿越相關(guān)要求，且頻率適應(yīng)性的規(guī)定與當(dāng)前電網(wǎng)需求不符。

3)部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)容現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施困難，難以保證在并網(wǎng)后半年內(nèi)完成驗(yàn)證，不利于用戶采納。

1.2 涉網(wǎng)試驗(yàn)問題統(tǒng)計(jì)分析

1.2.1 電能質(zhì)量問題

電能質(zhì)量問題曾經(jīng)在新能源快速發(fā)展初期頻繁出現(xiàn)，造成并網(wǎng)點(diǎn)諧波干擾、電壓波動(dòng)和閃變，這與早期風(fēng)機(jī)變流器和光伏逆變器技術(shù)不成熟以及技術(shù)要求不完善有關(guān)，隨著GB/T 37408?光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)要求?等型式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的電能質(zhì)量問題逐漸減少。

1.2.2 有功無功電壓控制能力

有功功率控制能力測(cè)試包括各種運(yùn)行方式下有功功率的變化速率以及通過AGC系統(tǒng)發(fā)出階躍指令測(cè)試有功功率的響應(yīng)特性。無功電壓控制能力測(cè)試是通過AVC系統(tǒng)下發(fā)無功功率或電壓指令，測(cè)試場(chǎng)站的響應(yīng)特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

上述測(cè)試結(jié)果不僅取決于新能源控制系統(tǒng)的性能，還受AGC/AVC系統(tǒng)以及通訊條件的約束，因此現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況。

1.2.3 無功補(bǔ)償裝置性能

傳統(tǒng)電容器組無功補(bǔ)償裝置響應(yīng)時(shí)間較長，近年來改造后普遍配備有SVG，在現(xiàn)場(chǎng)主要對(duì)SVG的最大調(diào)節(jié)能力、調(diào)節(jié)精度、控制模式切換以及響應(yīng)特性進(jìn)行測(cè)試。在2020年以前，SVG廠家眾多，產(chǎn)品質(zhì)量及服務(wù)良莠不齊，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大部分場(chǎng)站存在SVG參數(shù)設(shè)置不合理或性能不達(dá)標(biāo)的情況，隨著技術(shù)的不斷成熟，該問題正逐步得到解決。

1.2.4 故障穿越能力及電網(wǎng)適應(yīng)性

由于高低穿測(cè)試設(shè)備體積大，造價(jià)昂貴，且現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難度大耗時(shí)長，另外并網(wǎng)設(shè)備在型式試驗(yàn)時(shí)已進(jìn)行該類測(cè)試，所以故障穿越能力及電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試在不少區(qū)域并未按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，并網(wǎng)后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的場(chǎng)站均有不同程度的與標(biāo)準(zhǔn)要求不符的情況，而新能源的故障穿越能力及電網(wǎng)適應(yīng)性會(huì)直接影響故障的連鎖發(fā)展過程，對(duì)于電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響不容忽視，因此這兩項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目是當(dāng)前新能源并網(wǎng)管理的薄弱點(diǎn)，需要重點(diǎn)關(guān)注。

2 故障穿越及適應(yīng)性問題分析

故障穿越能力及電網(wǎng)適應(yīng)性項(xiàng)目是當(dāng)前新能源場(chǎng)站涉網(wǎng)管理過程中安全隱患最為突出的環(huán)節(jié)，因此對(duì)將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題分類討論。

2.1 故障期間或恢復(fù)期間脫網(wǎng)

某組串式光伏逆變器，額定容量208 kW，在輕載工況下對(duì)其中兩臺(tái)逆變器并聯(lián)進(jìn)行高電壓穿越現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)接線及過程嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，1.3倍電壓穿越試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 1.3倍電壓穿越試驗(yàn)錄波圖

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，1.3 p.u.的電壓持續(xù)500 ms期間，有功功率先降低后升高，從電網(wǎng)大幅吸收無功功率，逆變器未脫網(wǎng)保持繼續(xù)運(yùn)行，但是故障恢復(fù)約400 ms以后，輸出有功功率從200 kW降至0 kW，逆變器保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。

在輕載工況下對(duì)其中兩臺(tái)逆變器并聯(lián)進(jìn)行低電壓穿越現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)接線及過程嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，零電壓穿越試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 零電壓穿越試驗(yàn)錄波圖

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，逆變器出口電壓從1.0 p.u.降至0 p.u.的電壓持續(xù)150 ms期間，有功功率也下降，無功功率基本不變，逆變器未脫網(wǎng)保持繼續(xù)運(yùn)行。故障恢復(fù)期間，有功功率恢復(fù)至78 kW，無功功率為－33 kvar，逆變器保護(hù)動(dòng)作，1 s后相繼脫網(wǎng)。

2.2 有功功率恢復(fù)速率不足

某集中式光伏逆變器，額定容量3.2 MW，在重載工況下進(jìn)行低電壓穿越現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)接線及過程嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，0.2倍電壓穿越試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 0.2倍電壓穿越試驗(yàn)錄波圖

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，0.2 p.u.的電壓持續(xù)625 ms期間，有功功率先降低后恢復(fù)，從電網(wǎng)大幅輸出無功功率，逆變器未脫網(wǎng)保持繼續(xù)運(yùn)行。故障恢復(fù)后，無功功率降至故障前，有功功率從0.14 MW恢復(fù)至2.24 MW所用時(shí)間為3.37 s，恢復(fù)速度為0.62 MW/s，而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，故障后有功功率恢復(fù)速度應(yīng)大于0.96 MW/s。

2.3 動(dòng)態(tài)無功支撐能力不足

某集中式光伏逆變器，額定容量3.2 MW，在重載工況下進(jìn)行低電壓穿越現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)接線及過程嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，0.2倍電壓穿越試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，0.2 p.u.的電壓持續(xù)625 ms期間，有功功率先降低后恢復(fù)，逆變器未脫網(wǎng)保持繼續(xù)運(yùn)行。按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，逆變器輸出的無功電流應(yīng)滿足公式(1)。

其中，IN為逆變器交流測(cè)額定電流；UT為逆變器交流側(cè)實(shí)際電壓標(biāo)幺值。即低電壓穿越期間逆變器應(yīng)提供足夠的無功功率支撐，從圖4可以看出，故障期間反而從網(wǎng)側(cè)吸收300 kvar的無功功率，且故障恢復(fù)瞬間，無功功率波動(dòng)存在－1 300 kvar的反調(diào)峰值。

2.4 頻率適應(yīng)性不足

某組串式光伏逆變器，額定容量215 kW，在輕載工況下對(duì)其中兩臺(tái)逆變器并聯(lián)進(jìn)行頻率適應(yīng)性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)接線及過程嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 頻率適應(yīng)性錄波圖

在試驗(yàn)過程中，電壓幅值穩(wěn)定在額定電壓不變，頻率從50 Hz階躍降為48.05 Hz，頻率階躍下降84 s后，箱變高壓側(cè)有功功率從99 kW下降至48 kW，其中一臺(tái)逆變器停機(jī)，又經(jīng)過80 s，箱變高壓側(cè)有功功率從48 kW下降至0 kW，另外一臺(tái)逆變器也停機(jī)。依據(jù)網(wǎng)源協(xié)調(diào)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，逆變器應(yīng)能夠在48.05 Hz的頻率下維持10 min，其頻率耐受能力原則上應(yīng)與常規(guī)機(jī)組一致。

3 原因分析及優(yōu)化措施

根據(jù)新能源并網(wǎng)設(shè)備的涉網(wǎng)管理流程，在設(shè)備獲得并網(wǎng)許可之前應(yīng)進(jìn)行包括故障穿越測(cè)試在內(nèi)的各項(xiàng)型式試驗(yàn)。對(duì)型式試驗(yàn)合格但是現(xiàn)場(chǎng)抽檢過程中卻經(jīng)常出現(xiàn)的上述問題進(jìn)行原因分析，并對(duì)當(dāng)前新能源并網(wǎng)管理流程提出優(yōu)化建議。

3.1 參數(shù)整定不當(dāng)

由于現(xiàn)在新能源相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較多，不同國家地區(qū)所采用標(biāo)準(zhǔn)不一致，因此不少廠家的控制器中，許多內(nèi)部保護(hù)相關(guān)的參數(shù)被設(shè)置為用戶可更改，例如低電壓穿越曲線幅值及時(shí)間、高電壓穿越曲線幅值及時(shí)間、頻率保護(hù)上限和頻率保護(hù)下限等。

新能源場(chǎng)站涉網(wǎng)性能問題不僅存在管理盲區(qū)，還存在一定的技術(shù)盲區(qū)，風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站設(shè)備安裝調(diào)試完成后，廠家售后人員和新能源場(chǎng)站人員均缺乏根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)情況整定參數(shù)的責(zé)任或技術(shù)能力，相關(guān)參數(shù)經(jīng)常為不具備抗擾動(dòng)能力的默認(rèn)初始值。

圖1所示高電壓穿越問題、圖2所示低電壓穿越問題以及圖5所示的頻率適應(yīng)性問題就是一種典型的參數(shù)整定錯(cuò)誤案例，將該逆變器控制器頻率保護(hù)下限動(dòng)作值及動(dòng)作時(shí)間更改后再次進(jìn)行測(cè)試，能夠在48.05 Hz的頻率下維持10 min以上，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 控制器程序問題

電力電子設(shè)備與常規(guī)電機(jī)類設(shè)備的顯著區(qū)別是:其電氣性能不僅受硬件參數(shù)影響，還受控制策略的影響。在進(jìn)行型式試驗(yàn)時(shí)，其控制策略偏向于滿足涉網(wǎng)性能而忽略對(duì)元器件壽命的影響，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的控制程序可能會(huì)進(jìn)行參數(shù)修改和升級(jí)，造成現(xiàn)場(chǎng)的故障穿越能力抽檢數(shù)據(jù)出現(xiàn)與型式試驗(yàn)結(jié)果不一致的情況。圖4所示的動(dòng)態(tài)無功支撐能力不足問題，為典型的控制器程序變動(dòng)導(dǎo)致的涉網(wǎng)性能缺陷。

根據(jù)網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理現(xiàn)狀，多數(shù)地區(qū)簡單地將逆變器/變流器的型式試驗(yàn)結(jié)果視為判斷涉網(wǎng)性能的依據(jù)，忽視了設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中升級(jí)改造對(duì)故障穿越能力造成的影響，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的隱患。

3.3 硬件故障問題

圖3所示的有功恢復(fù)速率不足問題為典型的硬件參數(shù)不匹配引起的問題，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量該逆變器直流環(huán)節(jié)電容參數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，直流側(cè)電容參數(shù)相對(duì)標(biāo)稱參數(shù)差異較大，導(dǎo)致故障恢復(fù)期間有功電流變化率過慢，有功功率恢復(fù)速度無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。將電容更換后在相同的試驗(yàn)條件下重復(fù)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果大大改善。

3.4 優(yōu)化措施

1)網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理涉及調(diào)度、發(fā)電、試驗(yàn)、制造、設(shè)計(jì)等多個(gè)部門，隸屬關(guān)系復(fù)雜，自從廠網(wǎng)分離改革以后，原有的管理鏈條被切斷，容易出現(xiàn)管理盲區(qū)。因此相關(guān)管理部門應(yīng)重視標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)，逐步完善管理環(huán)節(jié)中各單位職責(zé)。

2)加強(qiáng)新能源場(chǎng)站的技術(shù)監(jiān)督及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)管理，新能源場(chǎng)站應(yīng)配合管理部門嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，尤其是影響電力系統(tǒng)故障連鎖演化過程的故障穿越及電網(wǎng)適應(yīng)性項(xiàng)目。

3)針對(duì)網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理過程中存在技術(shù)盲區(qū)的情況，各單位應(yīng)加強(qiáng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，從技術(shù)層面提高相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和措施的實(shí)施力度。

4)變流器或逆變器廠家應(yīng)配合相關(guān)單位建立設(shè)備的電磁暫態(tài)模型，并提供開放的接口供電網(wǎng)調(diào)度部門整定參數(shù)。

4 結(jié)論

通過對(duì)近年來新能源場(chǎng)站涉網(wǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，對(duì)網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理過程中新能源場(chǎng)站試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，指出近年來網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)管理環(huán)節(jié)中故障穿越及電網(wǎng)適應(yīng)性問題較為突出，后續(xù)應(yīng)予以重視。對(duì)型式試驗(yàn)合格但是現(xiàn)場(chǎng)抽檢過程中屢次出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸類討論，如故障或恢復(fù)期間脫網(wǎng)、有功功率恢復(fù)速率不足、動(dòng)態(tài)無功支撐不足和頻率適應(yīng)性不足等問題，從網(wǎng)源協(xié)調(diào)過程管理的角度分析問題原因，并從管理層面和技術(shù)層面提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，有助于加強(qiáng)新能源場(chǎng)站涉網(wǎng)性能，降低大量新能源對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響。