摘要：随着人类工业化的不断推进,人类对于能源的需求将会越来越大,导致生物能源加速消耗。而太阳能发电作为新兴的可再生清洁能源,逐渐进入人类的视线。由于太阳能光伏发电技术的快速发展,其装机容量也不断增加。由于其本身所具有的间歇性和波动性,使得电网的总负荷具有时变性和随机性,从而难以制定合理的发电计划和进行调频、调峰。太阳能发电场站必须配置相应的有功功率控制系统,并具备能够连续平滑调节的能力。同时,该控制系统可以主动接收电网调度指令,并根据电网调度部门的要求,按调度指令动作。因此,光伏发电站应配置功率控制系统,具备有功、无功功率调节能力,根据电网调度指令控制其功率输出,以保证电网安全、稳定运行。
关键词：光伏电站；有功功率；控制技术
1并网光伏电站对电网的影响
1.1对电网电能质量的影响
(1)电压闪变。受光照及季节变换的影响,光伏出力会呈随机波动性,发生电压闪变的概率较大;加上流云的遮挡、光照强度和温度的突然变化等都会导致光伏逆变器频繁启停,增加了电压闪变的概率。在光伏电站的有功输出过程中,若功率突变波动过大就会造成电网电压闪变,加上光伏电站不能实现有功功率的自动控制,电网无法从控制角度来减少电压闪变带来的危害。
(2)谐波污染。光伏电站需通过大量的电子电力设备进行并网、能量转换和功率传递,给电网增加了大量的非线性负荷。若开关管器件存在控制不当或设计不合理,则会产生畸变的电压、电流,进而造成谐波污染。
(3)电网频率波动。太阳辐射固有的间歇性和波动性,会使得光伏电站的输出功率具有波动性。当大规模、大容量的光伏电站并入电网运行时,光伏出力的波动和突变会导致电网频率发生波动,严重威胁电网系统的安全。
1.2对电网稳定运行控制影响
目前,我国大型光伏电站大都远离负荷中心,主要分布在光照资源较丰富的半荒漠、荒漠及高海山区。由于大型光伏电站所在区域的电网架构较弱、用电负荷较小,大多以“集中并网、远距离外送”的模式运行,因此随着光状电站装机规模的不断扩大,短期内大规模光伏电站的并网、脱网和出力波动均可引起电压的超限、频率的波动和线路的过载运行,对电网的安全运行造成威胁。
1.3对电网运行的经济性影响
大规模的光伏电站接入电网,考虑到光伏发电对电网安全构成威胁,在储能技术没有较大突破的情况下,电网必须提供必要的备用机组为其提供区域性旋转、无功补偿容量,大大增加了电网安全运行的成本。
2光伏电站有功功率控制技术研究
2.1光伏电站有功功率控制策略分析
光伏电站上层协调控制对于有功功率的作用分为两点:上层受到电网的控制,如果电网下达调度指令,上层控制依据指令的要求进行相应的功率控制,并且依据电网指令关于电站输出功率的变化率以及幅度要求,计算出电站下个发电周期的设定功率;制定相应的分配策略,按照电网指令将设定功率合理分配给各发电的光伏单元(光伏逆变器)。各光伏的发电单元严格按照上层控制的分配目标进行功率输出,不考虑其他突发影响因素,这时输出的有功功率会非常接近电站的设定功率。在电网没有下达相关调度指令时,光伏电站通常会以最大输出功率进行作业。由此可以总结出光伏电站有关有功功率的基本控制流程:(1)电网有无调度指令,如果没有,以最大输出功率进行作业;如果有,进行下一步操作。(2)按照电网调度指令的相关要求,制定相应有功功率的控制模式。(3)依据上层制定的相应控制模式,合理规划光伏电站下一控制周期的有功功率。(4)将设定功率按照一定的分配策略分配给相应的光伏单元。
通过以上流程可以看出,光伏电站有功功率的控制策略主要分为电网调度与计划和功率分配两部分内容。
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电网调度与计划:电网调度与计划的过程有四种相关的功率控制模式(限值模式、调整模式、斜率控制模式、差值模式)可供选择。这四种控制模式用于光伏电站设定功率算法的研究,不同的控制模式在光伏电站参考功率的设定中表现出不同的作业形式。而光伏电站有功功率的变化率受到电网系统的严格控制,具体而言,电网规定的输出功率变化值要大于光伏电站输出的有功功率变化值。
2.2光伏电站功率设定算法
(1)限值模式。根据规定,光伏电站发电的实时最大功率不能超过电网的调度值,由此可以设计相关算法。光伏电站发电的预设功率值设定要依据电网调度机构所给出的电网调度值,预设功率值原则上是不超过电网调度值;将预设功率值作为最高参考限值与光伏电站的输出功率进行比较,如果输出功率值远小于预设功率值,为了使输出功率值接近预设功率值,光伏电站应该适当提高发电效率;如果输出功率值大于预设功率值,光伏发电站需要降低输出功率;输出功率正好等于预设功率的话,则不需要进行调节。
(2)调整模式。当光伏电站运行调整模式时,电站的总发电功率会一直处在不断调整的过程中,使输出功率不断接近电网的限定值,这个操作由电站的有功功率控制系统执行。调整模式的算法与限制模式算法大致相同,光伏电站的输出功率应不大于光伏电站在控制周期内的输出功率变化限值和电网当前的调度与计划在斜率给定时间内的输出功率变化限值。
(3)斜率控制模式。光伏电站在运行斜率控制模式时,控制系统会事先给出一个固定斜率,电站在每个控制周期内输出功率的变化值都控制在给定斜率的范围之内。输出功率变化值稳定在给定斜率的基础上,从而进行最大功率发电。斜率控制模式保证了光伏电站输出功率的变化值保持稳定。
(4)差值模式。差值模式比较简单,就是在光伏电站最大发电功率的基础上取一个固定差值,所得的固定功率就是设定的实际发电功率,即差值模式下的输出功率是由最大可发电功率与设定的固定差值的差得来的。
2.3光伏电站功率分配策略
(1)平均分配策略。普通的光伏电站基本上都是由很多相同规格容量的光伏阵列构成。在电站建设过程中,光伏阵列大都进行集中建设,所以各光伏阵列所受到的太阳能来源影响大致都相同,这时就可以应用平均分配策略。各光伏阵列平均分配电站的预设输出功率,同时各阵列的光伏逆变器控制相应的输出功率。
(2)基于最大发电能力的比例分配策略。光伏电站的各光伏阵列在额定容量上可能大致相同,但是不同的光伏电池组件会导致各个阵列在同样环境下的电能转化效率有所不同,同时,不同的光伏阵列组装方式也会导致阵列吸收的太阳能不同。尽管众多阵列在同一时间地点,但各光伏阵列的发电效率也是有所差异的。所以,为了使光伏电站的最终输出效率达到最大,在进行分配算法的制定时可以考虑根据不同光伏阵列发电能力的差异来进行分配算法的设计,具体的分配比例按照电站总发电效率与各光伏阵列所能达到的最大发电效率的比值来进行。
(3)轮换休眠分配策略。光伏电站制定相关经济性的分配策略,其目的是为了减少光伏电站在更换以及维护设备方面的成本。其具体作用在于控制各阵列光伏逆变器的有效运行时间,减少各光伏阵列逆变器的平均运行时间,进而尽可能延长光伏逆变器的寿命。采用轮换休眠的分配策略需要尽量平均各光伏逆变器的运行时间,以达到轮换休眠的效果。
结论
光伏电站有功功率控制策略的优化与应用,不仅能够为电网调度提供调度工具,而且提升了电网合理化调度新能源的能力,同时满足集中式光伏电站并网的相关技术要求,进而促进新能源发电健康有序的发展,为电网的安全稳定运行,提供了有力的技术支持。
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论文作者:段耀疆
论文发表刊物:《中国电业》2019年第10期
论文发表时间:2019/9/11
标签：光伏论文; 电站论文; 电网论文; 功率论文; 输出功率论文; 阵列论文; 模式论文; 《中国电业》2019年第10期论文;