光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功電壓測(cè)試方法研究

引言

近年來,我國(guó)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?，F(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,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)的方案進(jìn)行測(cè)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(cè)試設(shè)備,測(cè)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(duì)測(cè)試人員的專業(yè)水平要求較高。文獻(xiàn)對(duì)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)景。文獻(xiàn)搭建了10kV一體化檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng),用于10kV變臺(tái)一、二次設(shè)備一體化檢測(cè)試驗(yàn),雖然該方案主要應(yīng)用于10kV配網(wǎng)側(cè),但其基本原理可以引用至電壓等級(jí)更高的新能源接入的變電站中進(jìn)行新能源場(chǎng)站的動(dòng)態(tài)無功電壓性能測(cè)試,不過其響應(yīng)時(shí)間為百毫秒級(jí),測(cè)試工裝無法滿足目前新能源場(chǎng)站30ms內(nèi)完成動(dòng)態(tài)無功電壓性能測(cè)試的要求。

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(cè)方法完成新能源場(chǎng)站動(dòng)態(tài)無功電壓響應(yīng)性能的測(cè)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(tái)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(píng)估,測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)包括動(dòng)態(tài)無功電壓激勵(lì)源構(gòu)建、被測(cè)試對(duì)象構(gòu)建及測(cè)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(duì)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(duì)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)?圖1(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(jí),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12.3ms,逆變器本地進(jìn)行無功解環(huán)后無功響應(yīng)時(shí)間小于30ms,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30ms。

1.2動(dòng)態(tài)無功電壓激勵(lì)源及被測(cè)對(duì)象構(gòu)建

激勵(lì)源與被測(cè)對(duì)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(cè)對(duì)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?qǐng)D2(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(tái)架構(gòu)

2.1平衡方式平臺(tái)

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(hào)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(cè)試平臺(tái)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(hào)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(píng)估測(cè)試結(jié)果。每組測(cè)試分為兩個(gè)階段,第一階段測(cè)試s3和s4的響應(yīng)性能,第二階段測(cè)試s1和s2的響應(yīng)性能。

在第一階段測(cè)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(cè)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(tái)

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(cè)試平臺(tái)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+:。

在第一階段測(cè)試中,參與激勵(lì)控制的逆變器數(shù)量為mq=Lm0/2」,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(cè)試中,mq部分建模文件訂閱dsGOOSE2,mu部分建模文件訂閱dsGOOSE1。

3測(cè)試方法

3.1測(cè)試步驟

基于動(dòng)態(tài)無功電壓激勵(lì)源及被測(cè)對(duì)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(cè)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(píng)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)+0.5kV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(jí)所運(yùn)行的上限值UH時(shí)停止評(píng)估,記錄當(dāng)前容性無功值作為上限無功值0C:然后從當(dāng)前UR按步進(jìn)-0.5kV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(jí)所運(yùn)行的下限值UL時(shí)停止評(píng)估,記錄當(dāng)前感性無功值作為下限無功值0L,獲取光伏發(fā)電站無功調(diào)節(jié)區(qū)間[0L,0C]。

(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0C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(cè)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)re11。

(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)re12。

(7)激勵(lì)控制設(shè)定為0L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(cè)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)re13。

(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)re14。

(11)離線分析re11~re14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)re1A。

(12)將激勵(lì)控制與電壓控制設(shè)備對(duì)調(diào),重復(fù)步驟(3)~步驟(12)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(píng)估指標(biāo)retРC2=retA＋retB。

(14)重復(fù)步驟(3)~(13)多次評(píng)估獲取retРC2,retРC3,…,retРCn,取中位數(shù)作為光伏發(fā)電站無功電壓暫態(tài)評(píng)估指標(biāo)retРC=ZretРCi。

3.2測(cè)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)。光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功支撐指標(biāo)參照文獻(xiàn),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。

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(cè)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(cè)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(píng)估,降低了光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功電壓評(píng)估難度,提升了評(píng)估效率和評(píng)估安全性,具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。