光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉建勇+韓予+姜自強(qiáng)+侯偉+雒春林

摘要：本文提出了基于光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)有功功率△P差額計算為核心的智能優(yōu)化調(diào)節(jié)策略，利用光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定調(diào)節(jié)目標(biāo)值，調(diào)控發(fā)電單元及光伏逆變器出力完成調(diào)控。對方案進(jìn)行工程試驗驗證，該調(diào)節(jié)方案能夠?qū)崿F(xiàn)對光伏電站發(fā)電出力智能優(yōu)化調(diào)控的調(diào)節(jié)目標(biāo)，保證了區(qū)域配電網(wǎng)調(diào)度管理及安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：光伏電站；并網(wǎng)點(diǎn)；差額計算；調(diào)節(jié)策略；調(diào)節(jié)目標(biāo)值；光伏逆變器；配電網(wǎng)

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0170-04

新能源、可再生能源接入電網(wǎng)是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成，也是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展，光伏發(fā)電并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響也不斷加深?，F(xiàn)階段開展的光伏電站建設(shè)方案中，光伏發(fā)電調(diào)節(jié)通過電網(wǎng)公司調(diào)度中心下發(fā)指令，經(jīng)由遠(yuǎn)動通信通道，送達(dá)光伏電站中控系統(tǒng)對各發(fā)電單元、逆變器進(jìn)行綜合控制。該方案存在一些問題：電網(wǎng)調(diào)度人員需要人工參與光伏發(fā)電站的發(fā)電量控制，人工制定動態(tài)的發(fā)電計劃，這樣存在調(diào)控的滯后性問題；光伏電站并網(wǎng)發(fā)電單元增加到一定額度時，功率的擾動將會影響電網(wǎng)穩(wěn)定；由于靠人工調(diào)節(jié)發(fā)電出力的方式經(jīng)常會導(dǎo)致光伏電站并網(wǎng)變電站的降壓變壓器出現(xiàn)“逆功率”問題，對于降壓變壓器的壽命、繼電保護(hù)配置等都帶來了嚴(yán)重問題。上述問題嚴(yán)重制約太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。因此，迫切需要提出一種綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時性、電網(wǎng)物理約束等因素的調(diào)控方案來有效解決光伏電站接入配電網(wǎng)后的各種問題。

本文在綜合考慮光伏電站有功功率調(diào)節(jié)實(shí)時性、經(jīng)濟(jì)性等因素的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有光伏電站已有調(diào)節(jié)方案的利弊，提出光伏電站有功功率智能優(yōu)化調(diào)節(jié)策略。同時針對調(diào)節(jié)策略的差額計算和邏輯流程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終完成了光伏電站有功功率的有效調(diào)節(jié)，并通工程驗證，證明了智能優(yōu)化調(diào)節(jié)策略的合理性與可行性。

1 有功功率的調(diào)節(jié)策略

本文針對已有光伏電站與地區(qū)配電網(wǎng)之間負(fù)荷與發(fā)電的動態(tài)平衡方案，以及光伏發(fā)電經(jīng)并網(wǎng)點(diǎn)上網(wǎng)有功功率控制調(diào)節(jié)方案進(jìn)行探討分析，得出適合光伏發(fā)電有功功率最優(yōu)化的調(diào)節(jié)方案。

目前，光伏電站有功功率有3類典型的調(diào)節(jié)方案：

1.1 順序調(diào)節(jié)的調(diào)控方案

該方案根據(jù)調(diào)度下發(fā)的功率調(diào)節(jié)限額或曲線，按順序調(diào)節(jié)逆變器的有功功率輸出，將并網(wǎng)點(diǎn)有功功率順序分配給各逆變器承擔(dān)，具有簡單、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。但該方案調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢，在配電網(wǎng)負(fù)荷快速變化時，系統(tǒng)的電能質(zhì)量無法保證。

1.2 基于等功率調(diào)節(jié)的調(diào)控方案

該方案設(shè)置逆變器最佳工作區(qū)間（20%～80%），考慮電能質(zhì)量、逆變器效率等因素，并且計算出最優(yōu)工作逆變器個數(shù)及功率限額，另外，要求逆變器按相同的功率調(diào)節(jié)到目標(biāo)值，能夠保證電能質(zhì)量和調(diào)節(jié)效率，從而大大增加了控制的靈活性并提高了調(diào)控速度。但這種方案沒有綜合統(tǒng)籌光伏發(fā)電和就地負(fù)荷的消納平衡，降低了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1.3 智能優(yōu)化調(diào)節(jié)調(diào)控方案

該方案按照合適的調(diào)節(jié)容量，合理分配各逆變器的調(diào)節(jié)容量，智能選擇少量逆變器接受調(diào)節(jié)，考慮到逆變器的調(diào)節(jié)速度的影響，制定出優(yōu)化的調(diào)節(jié)策略。保證了光伏電站的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行及電能質(zhì)量，調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快。在運(yùn)行狀態(tài)下動態(tài)實(shí)時調(diào)節(jié)，對于因短時氣候變化及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)影響后能夠及時響應(yīng)。對于啟停機(jī)控制，包括故障后重啟，能夠及時自動響應(yīng)等特點(diǎn)。該調(diào)控方案的自治性、反應(yīng)能力、自發(fā)行為等特點(diǎn)，完全滿足光伏電站控制的需要。

本文以光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)作為平臺，實(shí)現(xiàn)區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷消納和并網(wǎng)點(diǎn)有功功率調(diào)控。監(jiān)控系統(tǒng)總共分三層，即電網(wǎng)調(diào)度層、管理層、就地層，通過電力通訊電纜及通訊網(wǎng)絡(luò)組建完整控制和管理體系。三層控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

就地層由光伏電池陣列、匯流箱、逆變器、交流配電柜及35kV配電網(wǎng)組成，完成光伏電站有功功率就地消納調(diào)節(jié)和電壓層級升壓的調(diào)節(jié)。

管理層由光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)組成，光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)具備有功功率連續(xù)平滑調(diào)節(jié)的能力，并能夠參與系統(tǒng)的有功功率控制，設(shè)定調(diào)節(jié)功率目標(biāo)值，根據(jù)目標(biāo)值進(jìn)行光伏逆變器出力調(diào)控、負(fù)荷的綜合控制和調(diào)節(jié)。

調(diào)度層由遠(yuǎn)動設(shè)備及通道設(shè)備組成，完成地區(qū)調(diào)度數(shù)據(jù)和金陽光鑒衡數(shù)據(jù)上送，能夠接收并自動執(zhí)行調(diào)度機(jī)構(gòu)下發(fā)的有功功率和有功功率變化的控制指令。

本系統(tǒng)具備參與電力系統(tǒng)調(diào)頻和調(diào)峰的能力：電力系統(tǒng)事故或特殊運(yùn)行方式下，按照電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令降低光伏發(fā)電站的有功功率，以防止輸電設(shè)備過載，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電力系統(tǒng)頻率高于50.2Hz時，按照電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令降低光伏電站的有功功率，嚴(yán)重情況下切除整個光伏電站；在電力系統(tǒng)事故或緊急情況下，若光伏發(fā)電站的運(yùn)行危及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定，電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)應(yīng)按規(guī)定暫時將光伏電站切除。

2 基于有功功率差額計算設(shè)計數(shù)學(xué)模型

2.1 差額計算模型

本監(jiān)控系統(tǒng)采用核心計算公式如下：

式（1）中Δ為有功功率差額，為設(shè)定功率， 為并網(wǎng)點(diǎn)當(dāng)前功率； 式（2）中是當(dāng)前光伏電站各個發(fā)電單元出力之和，是配電網(wǎng)用電負(fù)荷有功功率；式（3）中l(wèi)imit設(shè)定限額的有功功率即調(diào)節(jié)精度。Δ是需要調(diào)節(jié)的有功功率差額，根據(jù)計算得出。是調(diào)度下發(fā)的計劃設(shè)定功率值。并網(wǎng)點(diǎn)逆功率測控裝置采集完成。limit根據(jù)參數(shù)設(shè)定計算每次調(diào)節(jié)的功率精度及調(diào)節(jié)的單位時間。

2.2 調(diào)節(jié)流程及功率調(diào)節(jié)分配原則

2.2.1 調(diào)節(jié)流程

監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯流程圖如2所示。

首先，Δ對數(shù)值初始化分析，經(jīng)邏輯判斷得出是否調(diào)節(jié)結(jié)論；然后，對判斷結(jié)論正邏輯執(zhí)行調(diào)節(jié)指令，負(fù)邏輯返回初始化；最后，經(jīng)控制指令完成發(fā)電單元逆變器出力的調(diào)節(jié)，并將調(diào)節(jié)后的數(shù)值返回初始化進(jìn)行新一輪分析判斷。

2.2.2 功率調(diào)節(jié)分配原則endprint

監(jiān)控系統(tǒng)對各個發(fā)電單元及逆變器調(diào)節(jié)有相應(yīng)的分配原則：（A）有功功率差額Δ>0上調(diào)，Δ<0下調(diào)；（B）發(fā)電單元按上調(diào)能力降序排列，分配功率差額（分配給相應(yīng)的發(fā)電單元）；（C）發(fā)電單元下的逆變器按上調(diào)倍數(shù)降序排列（分配給相應(yīng)的逆變器）；（D）發(fā)電單元的上調(diào)能力相等時，調(diào)節(jié)次數(shù)較少的先調(diào)；（E）逆變器的上調(diào)倍數(shù)相等時，調(diào)節(jié)次數(shù)較少的先調(diào)節(jié)。

2.3 智能優(yōu)化功率調(diào)節(jié)目標(biāo)

智能優(yōu)化用功功率調(diào)節(jié)能夠滿足功率變化率的要求：滿足1分鐘和10分鐘的有功功率變化的要求；多次調(diào)節(jié)達(dá)到設(shè)定有功功率輸出；隨光照強(qiáng)度變化動態(tài)調(diào)節(jié)有功功率輸出。

智能優(yōu)化用功功率調(diào)節(jié)能夠滿足快速降低有功功率的要求：根據(jù)目標(biāo)有功功率輸出一次調(diào)節(jié)到位；調(diào)節(jié)時可以考慮關(guān)停逆變器；調(diào)節(jié)時可以考慮增加發(fā)電單元投切操作。

3 案例分析

本文以安陽某工廠廠房屋頂光伏發(fā)電項目為例，進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗驗證。

3.1 工程方案

該項目總共10所廠房屋頂進(jìn)行光伏電池板的安裝，總發(fā)電容量20MWp。每個車間安裝4臺逆變器，單位逆變器500kW，監(jiān)控系統(tǒng)安裝于4號車間電氣控制室?；緟?shù)如表1所示。

該工程項目由廠房屋頂光伏發(fā)電設(shè)備、自備電站和工廠負(fù)荷設(shè)備三部分組成如圖3所示。光伏發(fā)電經(jīng)逆變器接入400V配電網(wǎng)，再經(jīng)配變接入10kV配電網(wǎng)，經(jīng)10kV網(wǎng)絡(luò)接入35kV鑄鍛變低壓側(cè)，在35kV鐵重線實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。并網(wǎng)點(diǎn)安裝逆功率采集裝置，實(shí)時監(jiān)視并網(wǎng)點(diǎn)有功功率，完成當(dāng)前功率的數(shù)據(jù)采集上送。

該工程逆變器設(shè)備通訊采用RS-485通信接口。逆變器與監(jiān)控系統(tǒng)通訊采用通信轉(zhuǎn)接方案，使用通訊管理機(jī)SGU-802裝置將逆變器ModBus通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換成IEC-61850通訊協(xié)議，再經(jīng)光電交換機(jī)接入監(jiān)控系統(tǒng)的骨干網(wǎng)交換機(jī)，并網(wǎng)點(diǎn)有功功率測量裝置經(jīng)光交換機(jī)接入骨干網(wǎng)交換機(jī)。調(diào)度數(shù)據(jù)經(jīng)由SIU-801裝置處理完成，上送和接收地區(qū)調(diào)度數(shù)據(jù)，并且完成金陽光鑒衡數(shù)據(jù)的上送，如圖4所示。

3.2 調(diào)節(jié)步驟

（1）功率差額Δ=2000kW>調(diào)節(jié)精度；（2）每30s執(zhí)行一次，每次調(diào)節(jié)最大值不超過Plimit=1000/（60/30）=500kW（限額）；（3）Δ>0且Δ>limit，則功率限額Δ1=limit=500kW，功率上調(diào)；（4）計算各發(fā)電單元的上調(diào)能力：2#發(fā)電單元為3500kW，3#發(fā)電單元為2000kW，如圖5所示；（5）發(fā)電單元上調(diào)倍數(shù)=int[分配給該發(fā)電單元的功率限額/調(diào)節(jié)步長]；（6）逆變器上調(diào)倍數(shù)=int[逆變器可上調(diào)最大幅度/調(diào)節(jié)步長]；（7）2#發(fā)電單元的上調(diào)能力3500>Δ1，2#發(fā)電單元的上調(diào)倍數(shù)=int[Δ1/5（調(diào)節(jié)步長）]=100；（8）2#發(fā)電單元的功率限額=倍數(shù)100*步長5=500；（9）則第一輪：2#發(fā)電單元將500kW的功率限額分配給下屬的逆變器，如圖5所示；（10）逆變器按上調(diào)倍數(shù)降序排列進(jìn)行調(diào)節(jié)，10-1的上調(diào)倍數(shù)=（400-200）/5=40<100。

3.3 結(jié)論分析

差額功率Δ>0滿足調(diào)節(jié)條件，進(jìn)行第一輪調(diào)節(jié)，第一輪調(diào)節(jié)由2#發(fā)電單元完成，分別有2-1，2-2，和10-2三組逆變器完成500kW功率調(diào)節(jié)，總有功由10500kW調(diào)節(jié)到11000kW，第二輪和第三輪也是2#發(fā)電單元完成，第四輪調(diào)節(jié)由3#發(fā)電單元三組逆變器完成500kW有功功率調(diào)節(jié)，四輪調(diào)節(jié)完成2000kW出力功率的上調(diào)。工程結(jié)論數(shù)據(jù)充分驗證了智能優(yōu)化調(diào)控調(diào)節(jié)方案的合理性和可行性，能夠有效快速調(diào)節(jié)光伏電站發(fā)電有功功率。

4 結(jié)語

本文提出了一整套光伏電站并網(wǎng)有功功率智能優(yōu)化調(diào)節(jié)策略，利用差額有功功率Δ計算結(jié)果，對發(fā)電單元及逆變器出力進(jìn)行實(shí)時有效控制，在保證電網(wǎng)安全運(yùn)行前提下，最大限度地利用光伏能源，同時兼顧光伏發(fā)電與負(fù)荷消納的優(yōu)化配置。通過安陽某工廠廠房屋頂光伏發(fā)電工程為案例，對并網(wǎng)點(diǎn)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析計算，優(yōu)化調(diào)節(jié)方案，驗證了智能優(yōu)化調(diào)節(jié)策略的合理性與可行性。

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