簡(jiǎn)述光伏電站分層分布式自動(dòng)功率控制技術(shù)

范月圓

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134)

簡(jiǎn)述光伏電站分層分布式自動(dòng)功率控制技術(shù)

范月圓

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134)

光伏發(fā)電作為一種清潔可再生的發(fā)電形式，在可持續(xù)發(fā)展理念持續(xù)深化背景下得到了前所未有的發(fā)展，而伴隨著光伏電站數(shù)量的持續(xù)增加，其在并網(wǎng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)的影響也受到越來(lái)越多的關(guān)注。文章提出了一種光伏電站分層分布式自動(dòng)功率控制策略，通過(guò)光伏方陣AGC與廠站AGC系統(tǒng)的協(xié)作配合來(lái)提升控制效果。經(jīng)仿真分析，分層分布式自動(dòng)功率控制技術(shù)可以有效解決當(dāng)前光伏電站并網(wǎng)中存在的問(wèn)題，保證配網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定和安全。

光伏電站；分層分布式；自動(dòng)功率控制

2011年，國(guó)家電網(wǎng)公司頒布了《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，要求在光伏電站配置有功功率控制系統(tǒng)（AGC系統(tǒng)）。現(xiàn)階段，光伏電站AGC控制主要是通過(guò)廠站AGC直接針對(duì)光伏逆變器實(shí)現(xiàn)，對(duì)于包含組串式逆變器光伏陣列的大型光伏電站并不能起到預(yù)期的控制效果。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以在相應(yīng)光伏的網(wǎng)站構(gòu)建三層分布式AGC系統(tǒng)架構(gòu)，在組串式光伏自方陣中增加AGC中間層，來(lái)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解決。

1 AGC分層分布式結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)光伏電站AGC系統(tǒng)中，存在著控制指令的收發(fā)延時(shí)，如果將之應(yīng)用到組串式光伏陣列中，容易出現(xiàn)控制容量和通信阻塞等問(wèn)題，對(duì)此，在AGC系統(tǒng)中間層增加了一個(gè)方陣AGC，形成了分層分布式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 AGC分層分布式結(jié)構(gòu)

在這樣的結(jié)構(gòu)中，廠站AGC系統(tǒng)只需要對(duì)中間層代表各個(gè)方陣內(nèi)逆變器的AGC進(jìn)行功率控制計(jì)算和控制指令下發(fā)，方陣內(nèi)的組串式逆變器局部AGC控制計(jì)算可以通過(guò)方陣AGC獨(dú)立完成。一般情況下，單個(gè)組串式方陣峰值功率約為1-2MW，假定方陣樹(shù)木為N每一個(gè)方陣中存在M個(gè)組串式逆變器，則在分層分布式AGC架構(gòu)中，功率控制計(jì)算相當(dāng)于將原本一臺(tái)廠站計(jì)算機(jī)增加到了N+1臺(tái)，通過(guò)并行控制計(jì)算來(lái)保證計(jì)算的效率，控制計(jì)算容量以及遙信遙控指令數(shù)的容量直接削減到原本的1/M，因此具備非常顯著的效果。

2 方陣AGC功率分配控制策略

在廠站AGC與方陣AGC之間，存在非常明確的上下級(jí)關(guān)系，通過(guò)彼此配合來(lái)實(shí)現(xiàn)AGC發(fā)電功率目標(biāo)，在實(shí)際運(yùn)行中，想要確保其各自功能的發(fā)揮，必須設(shè)置合理的分工配合策略。一般情況下，會(huì)在升壓站內(nèi)設(shè)置廠站AGC系統(tǒng)，在光伏方陣中設(shè)置方陣AGC。從數(shù)據(jù)邏輯環(huán)境區(qū)分，廠站AGC系統(tǒng)具備高精度電能計(jì)量功率數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)具備氣象、光伏功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)等支持，而方陣AGC則沒(méi)有數(shù)據(jù)支持，使得相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率偏低，無(wú)法作為計(jì)算依據(jù)。對(duì)此，要求技術(shù)人員設(shè)計(jì)科學(xué)的上下級(jí)配合策略，一方面，在廠站AGC中，完成對(duì)功率誤差、功率損耗等復(fù)雜情況的分析處理，減輕其對(duì)于AGC計(jì)算可能造成的負(fù)面影響；另一方面，方陣AGC僅需要針對(duì)本方陣中的逆變器進(jìn)行計(jì)算控制。考慮到逆變器重啟所需時(shí)間較長(zhǎng)，一般情況下為了保證AGC系統(tǒng)功率的快速跟蹤調(diào)節(jié)，不會(huì)對(duì)逆變器進(jìn)行直接關(guān)停，而是依照平均比例，對(duì)逆變器功率進(jìn)行縮減或者提升，以滿足AGC功率目標(biāo)變化要求，這種控制策略被稱為平均分配策略。而對(duì)于一些特殊情況，要求嚴(yán)格限制功率，則可以采用允許逆變器開(kāi)啟或者關(guān)停的算法，即自由控制策略。

2.1 平均分配策略

公式中，Piset表示平均分配策略下，每一臺(tái)參與調(diào)節(jié)的逆變器分配到的有功功率，Pimax表示第i臺(tái)逆變器在當(dāng)前工況下的最大發(fā)電功率。考慮到在沒(méi)有特殊要求的情況下，同一個(gè)方陣中很少出現(xiàn)兩種不同類型的逆變器，因此可以認(rèn)為在光照條件相同的同一時(shí)刻，所有逆變器最大發(fā)電功率相同，從而將上述公式簡(jiǎn)化為：

在平均分配策略下，方陣AGC只需要發(fā)送功率調(diào)控指令即可。

2.2 自由控制策略

分層分布式AGC模式下，方陣AGC可以依照目標(biāo)功率以及逆變器狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自由啟停的遠(yuǎn)程操作。在實(shí)際應(yīng)用中，包括了開(kāi)啟策略和關(guān)停策略兩個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）開(kāi)啟策略：在子方陣AGC接收到發(fā)動(dòng)功率目標(biāo)上升指令后，假定k時(shí)刻廠站AGC下發(fā)功率目標(biāo)Pf（k），k-1時(shí)刻下發(fā)功率目標(biāo)Pf（k-1），則必須同時(shí)滿足

公式中，Topn表示備用逆變器容量開(kāi)啟百分比高限值門(mén)檻內(nèi)部定值，取值范圍在70～80之間，Tmgn表示開(kāi)啟功率裕度比例。在同時(shí)滿足前三個(gè)公式的情況下，需要對(duì)沒(méi)有參與AGC調(diào)節(jié)的逆變器列表進(jìn)行查閱，看是否存在備用逆變器，如果存在，則依照Tmgn取值的140%，開(kāi)啟j臺(tái)逆變器，可以根據(jù)備用停機(jī)時(shí)間，依照由長(zhǎng)到短的原則依次開(kāi)啟。考慮逆變器啟動(dòng)所需時(shí)間較長(zhǎng)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)廠站AGC功率調(diào)度指令的快速供應(yīng)，在計(jì)算出相應(yīng)數(shù)值后，需要立即發(fā)送到處于運(yùn)行發(fā)電狀態(tài)的逆變器，并通過(guò)遠(yuǎn)程控制對(duì)計(jì)算得到的備用逆變器進(jìn)行開(kāi)啟。

（2）關(guān)停策略：為保證功率平穩(wěn)過(guò)度，減少遙控指令重復(fù)下發(fā)，在逆變器關(guān)停策略設(shè)計(jì)中，需要關(guān)注的內(nèi)容較多。這里假定k時(shí)刻廠站AGC向子方陣下發(fā)功率目標(biāo)P（k），k-1時(shí)刻下發(fā)功率目標(biāo) Pf（k-1），則必須同時(shí)滿足

在上述公式中，ΔPmin表示開(kāi)啟AGC調(diào)節(jié)最小功率波動(dòng)死區(qū)值，Pirate表示逆變器額定功率，Tcls表示逆變器關(guān)停策略功率比例下限值，取值范圍10～20，Tspl-cls表示逆變器關(guān)停策略功率相遇于自由發(fā)電比例的下限值，取值范圍30～40。如果限功率嚴(yán)重，則可以通過(guò)同時(shí)關(guān)多臺(tái)逆變器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率變化差的有效調(diào)控。

針對(duì)上述兩種典型分配策略，從電磁干擾以及低通信波特率串口通信等方面分析，方陣AGC下發(fā)的遙控指令想要得到全部逆變器的可靠執(zhí)行似乎存在較大難度，為了更好地實(shí)現(xiàn)功率控制，可以在廠站AGC和方陣AGC中加入多輪次微調(diào)控制，做好對(duì)誤差和干擾的有效抑制和調(diào)節(jié)。

3 應(yīng)用分析

以某60MW光伏電站為例，對(duì)分層分布式自動(dòng)功率控制技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行分析。在該電站中，設(shè)置有若干子方陣，每一個(gè)方陣中安裝有27臺(tái)SG40KTL組串式逆變器，額定發(fā)電功率和最大發(fā)電功率分別為36kW和40kW。結(jié)合一體化裝置所具備的通信管理功能，可以對(duì)所有逆變器的運(yùn)行信息進(jìn)行匯總整理，然后經(jīng)光纖環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)綇S站AGC系統(tǒng)。結(jié)合方陣AGC虛裝置，廠站AGC可以直接實(shí)現(xiàn)AGC控制計(jì)算，不需要與27臺(tái)逆變器一一通信。

在不同目標(biāo)功率下，分析方陣AGC實(shí)測(cè)功率值及誤差情況，結(jié)果表明，在采用平均控制策略時(shí)，方陣實(shí)際發(fā)出功率能夠滿足廠站AGC系統(tǒng)要求，誤差被控制在0.2%以內(nèi)，功率逼近效果良好。考慮非正常工況對(duì)方陣AGC的影響，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)逆變器故障停機(jī)與恢復(fù)仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 逆變器故障與恢復(fù)工況下方陣AGC功率響應(yīng)仿真測(cè)試

結(jié)合測(cè)試結(jié)果分析，模擬兩臺(tái)逆變器故障，退出運(yùn)行，方陣AGC很快檢測(cè)到方陣功率突然下降，對(duì)其他逆變器發(fā)出上調(diào)有功功率的指令，受串口通信延時(shí)和組串式逆變器響應(yīng)時(shí)間影響，在前6～7s并沒(méi)有出現(xiàn)有功功率的變化，7s后有功功率開(kāi)始逐漸提高，經(jīng)過(guò)40s重新逼近目標(biāo)值。之后，模擬兩臺(tái)自然滿發(fā)逆變器通信故障以及故障恢復(fù)，與上述故障類似，45s后仿真有功功率逼近目標(biāo)值。

以電站8號(hào)方陣AGC全天實(shí)測(cè)功率曲線圖為例（如圖3所示），對(duì)方陣總功率計(jì)算上限值進(jìn)行分析。可以看出，中間時(shí)段仿真目標(biāo)功率值小于最大發(fā)電能力，此時(shí)方陣AGC能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)逆變器功率的準(zhǔn)確控制，確保其逼近目標(biāo)值；而在早上與晚上不限功率的情況下，AGC系統(tǒng)可以使仿真達(dá)到最大發(fā)電，實(shí)發(fā)功率接近理論最大值。由此可以得出結(jié)論，文章提出的分層分布式AGC控制技術(shù)能夠達(dá)到預(yù)期效果。

圖3 8號(hào)方陣AGC功率曲線

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在光伏發(fā)電中，由于發(fā)展時(shí)間尚短，存在許多問(wèn)題，影響了其功效的充分發(fā)揮。對(duì)此，技術(shù)人員應(yīng)該重視起來(lái)，加快對(duì)于相關(guān)技術(shù)的研究，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解決。針對(duì)當(dāng)前普遍存在的含組串式逆變器大型光伏電站廠站AGC系統(tǒng)存在的計(jì)算容量瓶頸等問(wèn)題，提出了一種分層分布式自動(dòng)功率控制技術(shù)，經(jīng)仿真測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)具備良好的可靠性和實(shí)踐效果，值得進(jìn)行推廣。

[1]王以笑，崔麗艷，孔波利，等.分布式光伏電站區(qū)域智能調(diào)控系統(tǒng)的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，（4）：118-122.

[2]吳爽,王丙文,黃素娟,等.分布式電源調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（23）：173-176.

[3]王亮.分布式光伏發(fā)電功率調(diào)整策略及控制系統(tǒng)研究[D].蘇州大學(xué)，2015.

范月圓（1981-），女，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，講師，主要研究方向：控制工程及電子技術(shù)研究。