光伏發(fā)電與火力發(fā)電融合的控制策略研究

周海青 王立華

摘要：光伏接入火力發(fā)電機(jī)組主要有兩種方式，一是接入廠用電系統(tǒng)，二是接入啟備變低壓側(cè)。當(dāng)光伏功率較高時(shí)，可將該功率計(jì)入發(fā)電機(jī)AGC系統(tǒng)，視光伏功率為發(fā)電機(jī)功率的一部分，即發(fā)電機(jī)按AGC指令與光伏功率的差值調(diào)控，但反饋調(diào)度的發(fā)電功率應(yīng)是發(fā)電機(jī)實(shí)發(fā)功率與光伏實(shí)發(fā)功率之和。即無(wú)須增設(shè)儲(chǔ)能裝置，在保證光伏多發(fā)電的同時(shí)，利用發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)控消除光伏功率波動(dòng)大、間斷性強(qiáng)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了均衡發(fā)電。利用電廠AVC電壓調(diào)控，也無(wú)須增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置。通過控制策略的適當(dāng)調(diào)整，兩類發(fā)電方式的融合在安全性和經(jīng)濟(jì)性上更具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；火力發(fā)電；控制策略；均衡發(fā)電

中圖分類號(hào)：TM615；TM611? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）17-0020-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.006

0? ? 引言

光伏電站能量密度低，為大力發(fā)展光伏發(fā)電，現(xiàn)正安裝更多的光伏專用并網(wǎng)線路、主變、儲(chǔ)能裝置、接地變壓器、無(wú)功補(bǔ)償裝置及智能控制裝置等，不僅造成投資大、工期長(zhǎng)、電網(wǎng)稠密、運(yùn)維量大，還多占土地、破壞環(huán)境等，不利于可持續(xù)發(fā)展。若光伏接入火電廠，利用現(xiàn)有的電氣一、二次系統(tǒng)，就可直接發(fā)電。

1? ? 某火電廠現(xiàn)狀分析

某火電廠為2×600 MW單元制設(shè)計(jì)，設(shè)220 kV升壓站；發(fā)電機(jī)出口并接一臺(tái)40/28-28 MVA分裂變和一臺(tái)28 MVA雙圈變；兩臺(tái)機(jī)組共用一臺(tái)40/28-28 MVA分裂變和一臺(tái)28 MVA雙圈變作為啟備變，接于升壓站220 kV母線；設(shè)廠用6 kV A、B、C計(jì)3段高壓母線，其中A、B段為工作母線，C段為公用母線；6 kV中性點(diǎn)為中電阻接地方式。具體接線如圖1、圖2所示。

該火力發(fā)電廠廠內(nèi)安裝25.5 MWp光伏組件，為實(shí)現(xiàn)廠用電消納光伏發(fā)電，即自發(fā)自用，選擇光伏接入廠用高壓母線，并通過高廠變、主變與電網(wǎng)連接。因6 kV A、B工作母線負(fù)荷集中，且受配電室剩余空間等限制，不宜再增設(shè)新開關(guān)柜。而且一旦光伏線路故障，尤其是發(fā)生越級(jí)跳閘等，對(duì)主機(jī)組的影響較大。而6 kV公用C母線，上述制約因素相對(duì)不突出，故最終光伏并網(wǎng)點(diǎn)選擇兩條6 kV公用C母線。因光伏功率較高，所有箱變分別并接為兩個(gè)箱變組，每個(gè)箱變組又并接兩臺(tái)6 kV真空斷路器，再分別接于每條6 kV公用C母線。光伏并網(wǎng)可在兩條6 kV公用C母線之間切換。機(jī)組雙機(jī)運(yùn)行，廠用電由高廠變正常供電時(shí)，兩光伏箱變組宜分別并網(wǎng)于兩條6 kV公用C母線。此方式更好地體現(xiàn)了“自發(fā)自用”的原則。而機(jī)組單機(jī)運(yùn)行，廠用電由高廠變供電時(shí)，兩光伏箱變組均需并網(wǎng)于該機(jī)組側(cè)的6 kV公用C母線。為預(yù)防變壓器之間的并列環(huán)流，每箱變組6 kV光伏開關(guān)之間均設(shè)分合閘閉鎖，即不能同時(shí)合閘運(yùn)行[1]。

光伏于兩條6 kV公用C母線并網(wǎng)發(fā)電后，電網(wǎng)管理部門根據(jù)集中式大功率光伏發(fā)電應(yīng)獨(dú)立上網(wǎng)，以滿足均衡發(fā)電的調(diào)度原則，要求該光伏由廠用高壓母線拆除，重新建設(shè)獨(dú)立的輸變電系統(tǒng)，并入距離電廠21 km的電網(wǎng)變電站，并單獨(dú)配置儲(chǔ)能裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置等，需再投資超1 000萬(wàn)元，且工期難控。經(jīng)綜合論證，光伏可不必由廠用高壓母線拆除，僅通過適當(dāng)調(diào)整火力機(jī)組AGC等控制策略，即能消除光伏發(fā)電波動(dòng)大、易中斷等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可控發(fā)電，以便電網(wǎng)調(diào)度管理。當(dāng)然，光伏也可接入啟備變低壓側(cè)（圖1），通過調(diào)整控制策略，無(wú)須配置儲(chǔ)能裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置，也可實(shí)現(xiàn)電廠均衡發(fā)電和電壓調(diào)節(jié)，且操作靈活。

本文主要結(jié)合此實(shí)例，分析光伏與火力發(fā)電融合后控制策略及技術(shù)的再優(yōu)化。

2? ? 光伏接入6 kV母線后火電機(jī)組功率控制策略的調(diào)整

2.1? ? 光伏電量視為火電機(jī)組的一部分而實(shí)現(xiàn)均衡發(fā)電的控制策略

光伏向6 kV母線供電后，因發(fā)電機(jī)上傳電網(wǎng)調(diào)度的有功功率值取自發(fā)電機(jī)20 kV出口（高廠變的發(fā)電機(jī)側(cè)），故該功率不含光伏發(fā)電功率。假設(shè)電網(wǎng)調(diào)度仍按原辦法調(diào)控發(fā)電機(jī)組出力，雖不會(huì)影響光伏MPPT最大功率發(fā)電方式，但同等發(fā)電機(jī)調(diào)度功率下，與未接入光伏相比，將使主變上網(wǎng)的有功功率增加，增加值約等于光伏發(fā)電功率（主變及高廠變的光伏功率損耗很小，可忽略）。還有，光伏發(fā)電具有功率波動(dòng)大、間斷性強(qiáng)等缺點(diǎn)，當(dāng)光伏發(fā)電功率較低時(shí)，該類缺點(diǎn)影響不明顯，但光伏發(fā)電功率較高時(shí)，上述各因素對(duì)電網(wǎng)可控調(diào)度和潮流的合理分布均會(huì)帶來長(zhǎng)期不利影響。

若將光伏功率視為發(fā)電機(jī)組功率的一部分，應(yīng)將光伏實(shí)時(shí)有功功率計(jì)入發(fā)電機(jī)AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）指令，但發(fā)電機(jī)組應(yīng)按調(diào)度AGC指令與光伏功率的差值接帶有功負(fù)荷，而反饋調(diào)度的發(fā)電機(jī)組功率應(yīng)是發(fā)電機(jī)實(shí)發(fā)功率與光伏實(shí)發(fā)功率之和，可由遠(yuǎn)動(dòng)終端RTU通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。如此，無(wú)須增設(shè)光伏專用儲(chǔ)能裝置，在滿足光伏最大發(fā)電方式的同時(shí)，利用發(fā)電機(jī)的靈活功率調(diào)控，一方面能滿足電網(wǎng)調(diào)度對(duì)發(fā)電機(jī)組有功出力的要求，另一方面也消除了光伏發(fā)電功率波動(dòng)大、間斷性強(qiáng)等缺點(diǎn)。這對(duì)電網(wǎng)而言，就像發(fā)電廠未接入光伏一樣。這種方式無(wú)須增設(shè)專用儲(chǔ)能裝置，優(yōu)勢(shì)明顯。

2.2? ? 光伏電量獨(dú)立計(jì)量的發(fā)電控制策略

光伏電量（功率）獨(dú)立計(jì)量時(shí)，火力發(fā)電機(jī)組AGC的調(diào)度原則不變，但未消除光伏發(fā)電功率波動(dòng)大、間斷性強(qiáng)等缺點(diǎn)，按政策，還需增設(shè)專用儲(chǔ)能裝置，增加了投資和運(yùn)維成本，不建議此種方式。

當(dāng)光伏上網(wǎng)電量需獨(dú)立計(jì)量時(shí)，需在光伏6 kV并網(wǎng)開關(guān)柜增設(shè)光伏電能及功率計(jì)量點(diǎn)，但無(wú)法在電網(wǎng)側(cè)（主變高壓側(cè)）直接測(cè)量光伏上網(wǎng)電量及功率。實(shí)際上網(wǎng)光伏電量（或功率值）應(yīng)是6 kV側(cè)光伏電量值（或功率值）減去光伏在高廠變及主變的損耗值。此損耗值的上限一般不超過光伏6 kV側(cè)值的1%。為避免爭(zhēng)端，可取損耗的上限值，即光伏最終上網(wǎng)電量（功率值）可按6 kV側(cè)相應(yīng)光伏測(cè)量值×99%計(jì)算。如此，該光伏計(jì)算損耗值與兩臺(tái)變壓器實(shí)際光伏損耗值會(huì)存在正誤差，可視其為火力發(fā)電的一部分，因數(shù)值小，對(duì)電廠和電網(wǎng)的影響可忽略不計(jì)[2]。

3? ? 光伏接入啟備變后火電機(jī)組功率控制策略的調(diào)整

3.1? ? 光伏電量視為火電機(jī)組的一部分而實(shí)現(xiàn)均衡發(fā)電的控制策略

同樣，可將光伏有功功率計(jì)入發(fā)電機(jī)AGC指令，視光伏功率為發(fā)電機(jī)功率的一部分，但發(fā)電機(jī)組應(yīng)按調(diào)度AGC指令與光伏功率的差值接帶有功負(fù)荷，而反饋調(diào)度的發(fā)電機(jī)組功率應(yīng)是發(fā)電機(jī)實(shí)發(fā)功率與光伏實(shí)發(fā)功率之和，可由遠(yuǎn)動(dòng)終端RTU通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這可以使電廠總上網(wǎng)功率不因光伏功率的變化而變化，即實(shí)現(xiàn)均衡發(fā)電，故也不必配置儲(chǔ)能裝置。此光伏有功功率取自啟備變低壓側(cè)的光伏并網(wǎng)點(diǎn)。

另外，啟備變?nèi)粘閹щ娍蛰d運(yùn)行狀態(tài)，只有火電機(jī)組啟停時(shí)方短時(shí)接帶不大于30 MW的廠用負(fù)荷。光伏并入后，將直接消納廠用負(fù)荷，有利于啟備變多接帶負(fù)荷，即相當(dāng)于對(duì)啟備變實(shí)現(xiàn)了增容。啟備變高壓側(cè)原來就設(shè)計(jì)量點(diǎn)，可直接用于光伏上網(wǎng)計(jì)量。

3.2? ? 光伏電量獨(dú)立計(jì)量的發(fā)電控制策略

與2.2的論述同理，還需增設(shè)專用儲(chǔ)能裝置，不建議此種方式。

4? ? 光伏接入火力發(fā)電廠而實(shí)現(xiàn)電壓平穩(wěn)調(diào)整的控制策略

無(wú)論光伏接入6 kV母線還是啟備變低壓側(cè)，都可將光伏逆變器的功率因數(shù)設(shè)為“1”，以實(shí)現(xiàn)光伏多發(fā)電。升壓站、廠用母線電壓均由AVC、AVR統(tǒng)一調(diào)控，還可調(diào)整高廠變或啟備變分接頭，達(dá)到電壓粗調(diào)的目的。該廠光伏接入6 kV母線后，實(shí)踐證實(shí)，即使是在光伏發(fā)電功率達(dá)到最大值（約20 MW），并且都運(yùn)行于同一條6 kV母線時(shí)，無(wú)須調(diào)整高廠變分接頭，電壓也在合格范圍。即無(wú)須安裝無(wú)功補(bǔ)償和調(diào)節(jié)裝置，就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)，節(jié)省了投資和運(yùn)維成本，優(yōu)勢(shì)明顯。

5? ? 結(jié)論

隨著火力發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率逐漸降低，發(fā)、輸、變等設(shè)備利用率也逐漸降低，并且煤價(jià)高企，經(jīng)濟(jì)效益也日益變差。這正適合光伏接入火力電廠，利用現(xiàn)有輸變電設(shè)備，借助發(fā)電機(jī)組靈活快速的AGC、AVC自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，適當(dāng)調(diào)整控制策略后，無(wú)須增設(shè)儲(chǔ)能裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置等，即可滿足光伏MPPT發(fā)電方式，有力提升電廠經(jīng)濟(jì)效益。

總之，光伏與火電兩種發(fā)電方式的深度融合，對(duì)節(jié)省光伏投資、縮短安裝工期、簡(jiǎn)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化調(diào)度管理、靈活并網(wǎng)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)維、環(huán)境保護(hù)、節(jié)省土地等都具有現(xiàn)實(shí)意義。這需要政府和電網(wǎng)公司建立多能互補(bǔ)的靈活機(jī)制和政策，為兩種發(fā)電方式的深度融合提供大力支持。

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[1] 石磊，周宏濤，趙元莘，等.光伏多功能并網(wǎng)逆變器迭代SMC+LADRC電流內(nèi)環(huán)控制策略研究[J].智慧電力，2023，51（4）：107-114.

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收稿日期：2023-05-09

作者簡(jiǎn)介：周海青（1971—），男，山東金鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，火力電廠生產(chǎn)副總經(jīng)理，主要從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程的管理和研究工作。

通信作者：王立華（1970—），男，山東泰安人，高級(jí)技師，長(zhǎng)期從事電氣運(yùn)行技術(shù)管理工作。