光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功電壓測試方法研究

蔡德勝　王峰　於濤　居正山　劉家嚴(yán)

摘要：新能源高比例接入電網(wǎng)難免引起電網(wǎng)局部電壓波動(dòng)，鑒于此，提出了光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功電壓測試方法，將光伏發(fā)電站內(nèi)多集電線路發(fā)電單元分為兩組，第一組作為光伏發(fā)電站母線電壓暫態(tài)激勵(lì)源，第二組作為電站恒電壓控制源，通過控制第一組無功出力產(chǎn)生瞬時(shí)電壓跌落或抬升，第二組所在的控制系統(tǒng)感知到母線電壓波動(dòng)后產(chǎn)生相反的無功出力，進(jìn)而測試光伏發(fā)電站第二組集電線路發(fā)電單元的動(dòng)態(tài)無功電壓響應(yīng)性能，再通過顛倒兩組的運(yùn)行角色來測試第一組集電線路發(fā)電單元的動(dòng)態(tài)無功電壓響應(yīng)性能。該方法可以降低光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功電壓測試難度，提高新能源并網(wǎng)測試的效率。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電站;集電線路;逆變器;動(dòng)態(tài)無功電壓補(bǔ)償;試驗(yàn)方案

中圖分類號：TM761+.12? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）06-0020-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.06.006

0? ? 引言

近年來，我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，并網(wǎng)設(shè)計(jì)方案中要求新能源并網(wǎng)前需進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定并網(wǎng)條件。現(xiàn)階段設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中要求光伏發(fā)電站具備動(dòng)態(tài)無功電壓支撐能力[1]，其中動(dòng)態(tài)無功電壓支撐無功源包括動(dòng)態(tài)無功裝置和新能源發(fā)電單元。新能源發(fā)電站中采用動(dòng)態(tài)無功裝置作為無功源參與電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功支撐時(shí)，多采用文獻(xiàn)[2]的方案進(jìn)行測試，即在并網(wǎng)點(diǎn)部署電壓波動(dòng)模擬裝置作為無功激勵(lì)源來驗(yàn)證動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)無功電壓支撐電網(wǎng)的性能，該方法中的電壓波動(dòng)模擬裝置屬于測試設(shè)備，測試中需要與并網(wǎng)斷路器連接，涉及高壓接線，危險(xiǎn)程度高，對測試人員的專業(yè)水平要求較高。文獻(xiàn)[3]對采用變壓器抽頭注入式無功補(bǔ)償系統(tǒng)的機(jī)理進(jìn)行了研究，以提高電源側(cè)功率因數(shù)和母線電壓水平，可以將其工作原理引入新能源升壓變側(cè)來測試新能源發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功電壓性能，該方案雖然無須額外增加一次設(shè)備，但不具備普適性，其在新能源發(fā)電并網(wǎng)具備升壓站的場景可以應(yīng)用，但不適用于新能源容量較小的電站采用低壓并網(wǎng)的場景。文獻(xiàn)[4]搭建了10 kV一體化檢測試驗(yàn)系統(tǒng)，用于10 kV變臺一、二次設(shè)備一體化檢測試驗(yàn)，雖然該方案主要應(yīng)用于10 kV配網(wǎng)側(cè)，但其基本原理可以引用至電壓等級更高的新能源接入的變電站中進(jìn)行新能源場站的動(dòng)態(tài)無功電壓性能測試，不過其響應(yīng)時(shí)間為百毫秒級，測試工裝無法滿足目前新能源場站30 ms內(nèi)完成動(dòng)態(tài)無功電壓性能測試的要求[5]。

基于上述方案及其存在的問題，本文從新能源發(fā)電自身的特點(diǎn)出發(fā)，利用新能源發(fā)電站發(fā)電單元分散部署的特點(diǎn)，將多集電線路分組，采用組間互測方法完成新能源場站動(dòng)態(tài)無功電壓響應(yīng)性能的測試，本方案無須增加其他一次設(shè)備或系統(tǒng)，具有更好的可操作性。

1? ? 平臺設(shè)計(jì)

本文的研究目的在于在不增加光伏發(fā)電站一次設(shè)備投入的情況下，借用新能源現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備完成光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功電壓性能評估，測試平臺的建設(shè)包括動(dòng)態(tài)無功電壓激勵(lì)源構(gòu)建、被測試對象構(gòu)建及測試方法。

1.1? ? 通信機(jī)制

在構(gòu)建動(dòng)態(tài)無功電壓激勵(lì)源前，需對光伏發(fā)電站現(xiàn)有通信機(jī)制進(jìn)行修改，將現(xiàn)階段采用TCP/IP協(xié)議交互的通信方式修改為組播GOOSE協(xié)議交互，這種通信機(jī)制的修改本身對新能源參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓具有促進(jìn)作用，可以大大提升新能源參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓的響應(yīng)性能。圖1（a）為現(xiàn)階段光伏發(fā)電站功率控制路徑通信拓?fù)洌瑘D1（b）為現(xiàn)階段采用TCP/IP通信機(jī)制的交互原理示意圖，圖1（c）為采用組播GOOSE協(xié)議后的交互機(jī)制，通信交互機(jī)制修改后功率控制設(shè)備與逆變器通信時(shí)間縮短為原來的，其中nm為光伏發(fā)電站逆變器數(shù)量;同時(shí)功率控制設(shè)備功率控制指令在嵌入式操作系統(tǒng)下優(yōu)化后的處理時(shí)間為微秒級，光伏發(fā)電站功率控制時(shí)間近似為控制指令在光纖鏈路上的傳輸時(shí)間，組播GOOSE報(bào)文按照最大MTU計(jì)算，百兆通信帶寬下通信時(shí)間約為12.3 ms，逆變器本地進(jìn)行無功解環(huán)后無功響應(yīng)時(shí)間小于30 ms，即從功率控制設(shè)備下發(fā)指令至逆變器無功響應(yīng)到目標(biāo)值90%的時(shí)間不大于30 ms。

1.2? ? 動(dòng)態(tài)無功電壓激勵(lì)源及被測對象構(gòu)建

激勵(lì)源與被測對象的構(gòu)建，為了能夠較大裕度地反映光伏發(fā)電站無功電壓控制能力，本方案采用1/2容量配比原則，即激勵(lì)源與被測對象的容量比為1：1，在光伏發(fā)電站為多集電線路時(shí)，根據(jù)集電線路近似1：1原則進(jìn)行邏輯劃分，在光伏發(fā)電站多集電線路不能按照近似1：1原則劃分或單集電線路時(shí)按照容量的1/2進(jìn)行邏輯劃分，如圖2所示。

如圖2（a）所示，在集電線路平衡方式中，直接根據(jù)圖2（c）按集電線路規(guī)劃;如圖2（b）所示，在非平衡多集電線路方式中，按照圖2（d）所示的容量規(guī)劃，其中dsGOOSE1為激勵(lì)控制塊，dsGOOSE2為電壓控制塊。

2? ? 平臺架構(gòu)

2.1? ? 平衡方式平臺

如圖3（a）所示，在集電線路平衡方式中，功率控制回路側(cè)，光伏發(fā)電站高壓側(cè)PT、CT信號接入電壓控制設(shè)備，電壓控制設(shè)備工作為恒電壓模式，通過通信網(wǎng)絡(luò)與集電線路所有逆變器組網(wǎng)，通過dsGOOSE2控制塊通信。測試平臺側(cè)，激勵(lì)控制通過通信網(wǎng)絡(luò)與集電線路所有逆變器組網(wǎng)，通過dsGOOSE1控制塊通信，光伏發(fā)電站高壓側(cè)PT、CT信號接入數(shù)據(jù)記錄儀，用于觀察光伏發(fā)電站電壓波動(dòng)狀態(tài)評估測試結(jié)果。每組測試分為兩個(gè)階段，第一階段測試s3和s4的響應(yīng)性能，第二階段測試s1和s2的響應(yīng)性能。

在第一階段測試中，將#1和#2集電線路作為無功激勵(lì)源，#3和#4集電線路作為電壓控制源，其中#1和#2集電線路下所有逆變器建模文件訂閱dsGOOSE1控制塊，#3和#4集電線路下所有逆變器建模文件訂閱dsGOOSE2控制塊。

在第二階段測試中，將#3和#4集電線路作為無功激勵(lì)源，#1和#2集電線路作為電壓控制源，其中#1和#2集電線路下所有逆變器建模文件訂閱dsGOOSE2控制塊，#3和#4集電線路下所有逆變器建模文件訂閱dsGOOSE1控制塊。

2.2? ? 非平衡方式平臺

如圖3（b）所示，在集電線路非平衡方式中，電壓控制設(shè)備及測試平臺側(cè)架構(gòu)與平衡方式相同，區(qū)別在于逆變器側(cè)建模文件的細(xì)分。這里假設(shè)光伏發(fā)電站有n條集電線路，每條集電線路下接入逆變器數(shù)量各不相同，逆變器總數(shù)為m0=x+y+z。

在第一階段測試中，參與激勵(lì)控制的逆變器數(shù)量為mq=？骔m0/2」，參與電壓控制的逆變器數(shù)量為mu=m0-mq，mq部分建模文件訂閱dsGOOSE1，mu部分建模文件訂閱dsGOOSE2。

在第二階段測試中，mq部分建模文件訂閱dsGOOSE2，mu部分建模文件訂閱dsGOOSE1。

3? ? 測試方法

3.1? ? 測試步驟

基于動(dòng)態(tài)無功電壓激勵(lì)源及被測對象的構(gòu)建方式，在光伏發(fā)電站集控中心部署激勵(lì)控制，該激勵(lì)控制可以是電壓控制設(shè)備，也可以是PC機(jī)運(yùn)行的dsGOOSE1報(bào)文發(fā)送工具，激勵(lì)控制通信接口接入光伏發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。具體測試步驟如下：

（1）將光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)PT、CT接入錄波器。

（2）評估光伏發(fā)電站無功調(diào)節(jié)能力：電壓控制設(shè)備控制模式退出，激勵(lì)控制投入，根據(jù)光伏發(fā)電站實(shí)時(shí)電壓運(yùn)行值UR，按步進(jìn)+0.5 kV發(fā)送電壓目標(biāo)值，同時(shí)觀察UR，當(dāng)UR接近光伏發(fā)電站匯集母線電壓等級所運(yùn)行的上限值UH時(shí)停止評估，記錄當(dāng)前容性無功值作為上限無功值QC;然后從當(dāng)前UR按步進(jìn)-0.5 kV發(fā)送電壓目標(biāo)值，同時(shí)觀察UR，當(dāng)UR接近光伏發(fā)電站匯集母線電壓等級所運(yùn)行的下限值UL時(shí)停止評估，記錄當(dāng)前感性無功值作為下限無功值QL，獲取光伏發(fā)電站無功調(diào)節(jié)區(qū)間[QL，QC]。

（3）電壓控制設(shè)備投入恒電壓模式，電壓設(shè)定值為Uset，一般取值在UR左右，確保光伏逆變器不參與無功功率出力，激勵(lì)控制設(shè)定為QC后發(fā)送dsGOOSE1，此時(shí)電壓控制感知母線電壓抬升后發(fā)送dsGOOSE2進(jìn)行感性方向的無功調(diào)節(jié)，錄波器記錄測試過程電壓曲線。

（4）離線分析電壓曲線，獲取一次暫態(tài)無功電壓支撐指標(biāo)數(shù)據(jù)ret1。

（5）激勵(lì)控制設(shè)定為0后發(fā)送dsGOOSE1，釋放激勵(lì)源，此時(shí)電壓控制感知母線電壓跌落后發(fā)送dsGOOSE2進(jìn)行容性方向的無功調(diào)節(jié)。

（6）重復(fù)步驟（4）獲取第二次暫態(tài)無功電壓支撐指標(biāo)數(shù)據(jù)ret2。

（7）激勵(lì)控制設(shè)定為QL后發(fā)送dsGOOSE1，此時(shí)電壓控制感知母線電壓繼續(xù)跌落后發(fā)送dsGOOSE2進(jìn)行感性方向的無功調(diào)節(jié)，錄波器記錄測試過程電壓曲線。

（8）重復(fù)步驟（4）獲取第三次暫態(tài)無功電壓支撐指標(biāo)數(shù)據(jù)ret3。

（9）激勵(lì)控制設(shè)定為0后發(fā)送dsGOOSE1，釋放激勵(lì)源，此時(shí)電壓控制感知母線電壓抬升后發(fā)送dsGOOSE2進(jìn)行容性方向的無功調(diào)節(jié)。

（10）重復(fù)步驟（4）獲取第四次暫態(tài)無功電壓支撐指標(biāo)數(shù)據(jù)ret4。

（11）離線分析ret1～ret4數(shù)據(jù)，獲取電壓控制設(shè)備區(qū)域光伏無功電壓支撐指標(biāo)retA。

（12）將激勵(lì)控制與電壓控制設(shè)備對調(diào)，重復(fù)步驟（3）～步驟（11）獲取retB。

（13）根據(jù)retA和retB計(jì)算單次光伏發(fā)電站無功電壓支撐評估指標(biāo)retPC1=retA+retB。

（14）重復(fù)步驟（3）～（13）多次評估獲取retPC2，retPC3，…，retPCn，取中位數(shù)作為光伏發(fā)電站無功電壓暫態(tài)評估指標(biāo)retPC=retPCi。

3.2? ? 測試指標(biāo)確認(rèn)邊界條件

光伏發(fā)電站無功配置能力指標(biāo)參照文獻(xiàn)[5-6]。光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功支撐指標(biāo)參照文獻(xiàn)[5]，其中動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償指標(biāo)中動(dòng)作死區(qū)電壓為（0.2%～0.5%）UN，響應(yīng)時(shí)間為無功補(bǔ)償動(dòng)作開始至無功調(diào)節(jié)達(dá)到無功調(diào)節(jié)量的90%的時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間為動(dòng)作開始至母線電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)精度范圍內(nèi)的時(shí)間，其中穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)精度為0.5%UN[5]。

4? ? 結(jié)語

本文提出了基于光伏發(fā)電站發(fā)電單元自身互調(diào)方案測試光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償電壓指標(biāo)的架構(gòu)，給出了互調(diào)方案中的容量規(guī)劃方法和測試步驟，無須額外增加一次設(shè)備的投入即可完成光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功電壓指標(biāo)的評估，降低了光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功電壓評估難度，提升了評估效率和評估安全性，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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收稿日期：2021-12-30

作者簡介：蔡德勝（1985—），男，安徽金寨人，工程師，研究方向：新能源發(fā)電功率控制技術(shù)。