光伏电站安全稳定控制与柔性功率控制技术「柔性光伏组件」

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光伏电站安全稳定控制与柔性功率控制

光伏电站发电功率具有较强的随机性和波动性，且受天气及地域的影响较大，大规模光伏集中接入电网后必然会对系统热稳定、暂态稳定、电压稳定、频率稳定及电能质量产生影响。为了保障电力系统的安全稳定运行，提出了光伏发电安全稳定控制方案。光伏发电柔性功率控制系统则是在电网不同运行状态下具备多种功能的功率控制系统。

一、大规模光伏发电接入后对电力系统稳定性的影响

（一）对热稳定性影响

由于光伏电站建设周期很短，电网规划和建设容易步伐滞后，会出现光伏电站因网架薄弱而窝电的现象。一是光伏电站送出线路存在"N-1"过负荷问题;二是光伏电站和常规电源送出通道上存在"N-1"过负荷问题。

（二）对暂态稳定性的影响

如图5-12所示，对典型光伏、常规同步机组（水/火）打捆外送系统进行仿真分析，保持地区电网 A的负荷以及外送通道的功率不变，其外送通道一回线路发生三相永久故障时，将一定比例的常规电源用光伏电源替代有利于系统的功角稳定性;当光伏比例超出一定范围时。系统的稳定性随着光伏比例的增加反而下降，功角稳定裕度随光伏H例增加的变化情况见表5-17。

（三）对电压稳定性的影响

随着光伏并网发电系统的发电容量占电网内总发电量比例逐步增大，光伏电站不仅对低压配电网内的电压控制产生影响，还会影响到高电压等级电网的电压特性，甚至引起电压稳定性问题。例如，某区域电网的重负荷区内接入了大量的光伏电站，可认为该地区的日照特性基本相同，当该地区的日照出现突变时，光伏电站发电功率的大量减少可能导致该地区出现大量功率缺额，将对该地区的电压质量甚至电压稳定性产生不利影响。

由于光伏电站自身的无功调节能力相对有限，而光伏电站的逆变环节会损耗一部分无功功率，且无功功率大小与送出有功功率基本成正比例关系。一旦故障导致光伏电站母线电压大幅跌落，光伏电站接入系统的升压变会进一步从系统吸收无功，导致高压输电网母线电压难以恢复。

仍以图5-15所示的光伏、常规同步机组（水/火）打捆外送系统系统为例，增加母线A处的负荷为原负荷的3倍。此时，光伏发电功率占比不同情况下，外送通道一回线路发生三永故障时可能导致地区电网 A电压失稳，故障后地区电网 A的暂态电压曲线和常规水/火电机组无功功率曲线分别如图5-13和图5-14所示。

（四）对频率稳定性的影响

1.光伏接入比例对频率安全性的影响

随着大规模光伏电站并网发电，光伏发电渗透率提高，光伏电站接入电网势必要取代部分常规能源发电机组，在系统有功功率一定的条件下，光伏电站并网相当于减小了系统惯量，一定程度上会加快系统频率的变化速率。另外，分析光伏发电系统的频率响应特性可知，光伏电站发电功率调整与电网频率完全解耦控制，导致在电网频率发生改变时光伏电站无法参与电网一次调频，相当于增大了常规能源发电机调速器的时间常数，减弱了发电机对电网频率变化的响应灵敏度，恶化了系统频率特性。

2.光伏自身保护动作对频率安全性的影响

光伏电站都配有频率/电压保护，当系统频率偏离光伏逆变器可运行的范围时，并网光伏电站保护装置动作使部分或者全部光伏退出运行，则会给系统颜率安全性带来影响，改变系统的不平衡功率，对于高频和低频问题的影响不同。

（1）高频问题。

若此时系统有功功率过剩，光伏电站退出运行有利于减少过剩的有功功率。但若光伏电站保护定值整定不当，大量光伏电站同时退出运行导致的有功功率损失可能大于系统有功功率过剩量，引起低频问题。

（2）低频问题。

若此时系统存在有功缺额，光伏电站退出运行进一一步增大了孤网功率缺额，导致系统频率进一步下降，恶化了频率问题。

（五）对电能质量的影响

1.影响电压质量及其控制

光伏并网发电系统对配电网和高压输电网的电压质量及其控制均有一定的影响。光伏并网发电系统受日光照射的影响较大，发电量时常变化无常，而配电网中除了通过投切电容电抗器调节电压外，一般很少具有其他的动态无功调节设备，如果该类发电量所占比例较大，其具有的易变性将使配电线路上的负荷潮流也极易波动且变化较大，从而加大了电网正常运行时的电压调整难度，调节不好会使电压超标。

2.谐波污染

光伏并网发电系统的直流电经逆变后转换为交流电并入电网时，会产生谐波，对交流电网造成谐波污染。

当电网内的光伏并网发电系统规模有限时，如果滤波器的设计良好，由直流电逆变为交流电时所产生的高次谐波对交流电网造成的谐波污染一般能控制在可控范围内。但是，随着今后光伏并网发电系统的逐步推广和发电容量占电网内总发电量比例的上升，有关的谐波管理须得到应有的重视。如果管理不当，来自多个谐波源的能量叠加，有可能达到电能质量不可接受的请波含量; 另外， 当系统内含有多个谐波源时，还可能在系统内激发出高次谐波的功率谐振。

3.孤岛效应影响用户用电质量

当输变电设备因故障或事故跳闸时，各用户端的光伏并网发电系统有可能和周围的负载从主网脱离后孤立运行，即所谓的孤岛效应。当光伏并网系统越来越多时，产生孤岛效应的概率也将增加。一般来说，孤岛效应对整个配电系统及用户端造成的影响主要包括;

（1）重新恢复供电时，因相位不同步而对电网用户造成冲击。

（2）电力孤岛区域供电电压和频率不稳定。

（3）当光伏并网发电系统切换成孤岛方式运行时，如果该供电系统内无储能元件或其容量太小，会使用户负荷发生电压闪变。

（4）太阳能供电系统脱离原有的配电网后，其原来的单相供电模式可能造成其他配电网内出现两相负载不对称的情形，因而可能影响到其他用户的电压质量。

二、光伏发电安全稳定控制系统

由于光伏电站发电功率特性、运行特性与常规电源不同，对传统的安全稳定控制策略和稳定控制技术适应性带来了影响。

（一）系统组成

从体系架构上看，光伏发电安全稳定控制系统主要由调控中心主站（控制主站）、控制子站和光伏执行站（场站）组成，具体如图5-15所示。

下面分别介绍各级控制站的功能。

1.调控中心主站

调控中心主站部署前置机与各控制子站、光伏执行站通信。 主要实现对整个系统进行实时监控，实现正常情况下的光伏有功功率控制协调策略、各光伏电站控制计划指令的实时计算和下发、光伏加出力申请的自动批复、运行方式和控制模式的切换等主要功能，调度员能通过调度控制中心站的控制终端实时监控各光伏电站控制计划值数据、光伏电站发电功率、关键断面潮流、裕度，光伏上网主变压器潮流等数据以及各控制子站、光伏执行站装置的运行情况、控制模式、动作报告等内容。调控中心主站可同时实现多个地区的光伏发电送出控制。

2.控制子站

控制子站部署在光伏汇集站，双套配置。控制子站负责与光伏执行站通信。接收各光伏电站装置上送的实时发电功率信息，结合送出断面信息、故障信息等，在电网紧急情况下，进行光伏电站之间优化组合控制，实现切机最小化，从而保证电网的安全稳定运行，提高控制的经济性。控制光伏发电时，通过优化切除场内 35kV或 10kV集电线路提高控制的精细化程度。对此设备进一步扩充实现故障情况下的无功电压紧急控制。

3.光伏执行站（场站）

在集中并网送出的各光伏电站部署稳控装置，作为光伏控制执行站，单套配置。实时采集、监测各光伏电站的主变压器上网功率和各35kV或10kV馈线（集电线路）的功率，上送相关信息至控制子站、调控中心主站。接收控制子站的紧急控制命令，实现紧急控制，控制时，通过优化切除35kV或10kV馈线提高控制的精细化程度，并根据调控机构主站按各种运行方式自动分配给各光伏电站发电计划控制电站发电功率。

（二）控制功能

光伏发电安全稳定控制系统包含四个控制功能∶有功控制、无功控制、安全稳定控制、光伏发电功率控制，分别介绍如下。

1.有功控制

正常情况下有功控制的核心是其控制策略，控制策略实际上就是调控中心调度控制工作人员平时对光伏电站调度运行控制经验和控制方法的体现，通过控制系统对控制策略的自动实施，代替调度员对光伏发电、光伏的实时控制，减少调度员和光伏电站之间频繁的业务联系和复杂的计算，让其专注于对全网的监控。同时也能最大程度的利用电网的资源，提高对光伏的接纳能力，最大程度的利用可再生资源。

根据电网送出约束条件，实时计算电网最大输送光伏能力，根据输送能力的变化以及各光伏电站当前发电功率和光伏电站提出的加出力申请、光伏电站功率预测，每固定周期计算一次各光伏电站的计划，并下发至各光伏电站，各光伏电站安全稳定控制装置根据此计划值进行控制，有功控制策略流程如图5-16 所示。

2.无功控制

调控中心站根据上送的光伏电站发电功率、关键断面潮流、裕度，光伏上网主变压器潮流等数据，将各光伏电站和汇集站作为整体进行控制，兼顾各光伏电站母线由压。这样可以避免各光伏电站根据自身无功电压进行调节后，可能达不到要求或调节过程中出现振荡。根据电网的安全性和经济性需求，通过决策软件对无功电压分布进行优化计算，配置无功电压指令，下发给各控制子站，进行无功电压协调控制。各电站执行站根据控制指令协调光伏电站的无功调节设备动作。

由于不能保证光伏机组能完全履行类似于常见电源的电压控制任务，有必要在输电网层面安装电压控制装置。同时，由于大量无功补偿装置（电容器、SVC、SVG）用于光伏集中并网地区的电压控制，电压控制变得越来越复杂，建立从光伏电站到汇集站近区，再至区域电网的分层分级、联合无功调控策略显得尤为重要。

3.安全稳定控制

大规模光伏接入会对电网的安全稳定性产生重要影响，需要对电网安全稳定控制系统加以升级改造，主要是在光伏电站增加安全稳定控制装置，实现光伏电站有功功率的监测、上传及接受主站下达的切除光代控制命今。

安全稳定控制系统检到故障发生时。想据离线分机计道到的相应助函下的校制苦略。 计算得出需要的切机总量。 然后根接各业伏电立答馈需线测流及优先级。按过切原则匀施切机控制。光伏切机方式如下∶把切机量根据设计的配比方式（如根据各光伏电站功率比例）分配给各光伏电站，再由光伏电站按馈线优先级依次切除本光伏电站馈线。

4.光伏发电功率控制

在信息公开、控制公平的前提下，允许光伏发电执行站提出加出力申请。光伏电站的值班人员可通过装置提供的控制终端，向调度控制中心站提出加出力申请，调度控制中心站将自动受理光伏电站发来的加出力申请，如经过计算存在裕度则自动批复，把新的计划值下发到提出加出力申请的光伏电站。光伏电站可按新的计划执行。当本光伏电站的出力超计划值时，装置首先告警，如在设定时间内没有回到计划值以下，自动选择跳开光伏电站馈线开关，切除馈线上的所有光伏电站。三、柔性功率控制系统

柔性功率控制系统与传统的"基于日前发电计划的功率控制系统"相比，在提高光伏发电的消纳能力和电网的安全稳定运行水平方面具有明显的优势。

（一）主要特点

柔性功率控制系统最大的特点是在电站侧功率控制装置采集上送信息、SCADA信息、状态估计数据、光伏预测数据等多源数据整合的基础上，实现在电网各种运行方式下，满足各光伏送出断面和设备安全前提下，制定光伏实时发电计划，使得光伏电站发电最大。能够实现光伏在线接纳能力评估、光伏电站发电计划执行情况、在线监视与涉网性能指标、在线考核评估等功能。系统有很强的实时性，能够解决由于各种原因引起的受限断面未充分利用问题。

（二）系统功能

柔性控制系统考虑电网的几种运行状态如图 5-17所示。

柔性控制系统应对运行状态具备的控制功能如图 5-18 所示。

据此，本系统具备的功能主要有;考虑正常运行方式及预想故障条件下光伏电站、风电场新能源基地的热稳、电压、频率、暂稳问题，进行在线预警，识别电网运行状态。

正常状态下的并网功率超前控制;由柔性控制系统闭环实时调节新能源电站的并网功率;向火电机组发送控制目标值;向变电站发送电压或无功目标值。

非紧急状态与潜在不安全状态下的辅助决策∶调控机构主站计算出的新能源电站调整策略可通过系统闭环执行，也可由调度员人工执行，水、火由电站调整策略由调度员人工技行紧急控制;直流功率紧急调制、投切电容电抗器及动态无功补偿设备、切除光伏电站、风电场的集电线路或直接切除整场、切除水火电机组。

光伏发电柔性功率控制系统主要包括以下几种功能：

1.光伏有功控制策略

新面裕思目动控制程式， 基-光伏外送新面裕度。各光休电记当前发电功率。 光什电站上送的下时刻最大发电能力等信息。根据指定的功率计划分配方式，自动计算个光伏电站实时发电计划。若电网发生特殊情况，需要人工干预，可转入调度员控制模式，此模式可人工控制各光伏由站的发电计划。发电计划采用事先录入的 96 点出力计划。

电网事故情况下，若电网接纳光伏能力下降，需要消减光伏发电功率，此时可转入紧急隆出力模式，此模式下，调度人员只需输入整个需要消减的有功功率总和，系统自动根据输入的消减量，按照指定原则分配给各光伏电站发电功率，光伏自动调节功率。调峰模式主要是电网运行中，因为调峰困难而限制光伏发电的情况，系统获得电网当前的调峰能力，然后通过综合光伏发电能力及预测情况，优化各光伏电站发电功率。

对于发电计划分配方式，可以支持按比例方式或按顺序分配方式。对于比例方式包括按装机容量、按预测容量等。对干顺序分配方式，顶序可以为指定的顺序或根据在线计算的涉网性能指标排序等。计划分摊过程中考虑各级断面裕度和设备的过载限值。

该系统提供方便灵活的数据维护面画面。可以设置的内容句括系统控制模式、光伏电站的多级分区、电网运行方式、不同方式的考核断面、断面限额、断面关联光伏电站等。可以对系统整体或分区设置不同的控制模式。

2.光伏涉网性能指标在线评估与光伏在线监视

根据光伏电站预测、发电计划、实际功率等信息，在线计算光伏电站的调节性能、预测精度等指标。对光伏电站超计划量。增发量等统计信息进行计算。计算光伏外送断面设各的过载裕度、关键母线电压裕度。

在以上信息基础上，实现光伏外送通道电网安全状态与光伏电站的一体化监视。支持表格和曲线的展示。对于表格展示支持自动排序和按关键项手动排序。各种信息按分区进行统计和展示。

3.多源数据整合

在省网状态估计数据基础上，综合利用控制装置采集上送信息、SCADA量测信息和离线方式数据，形成含光伏电站详细建模的省网状态估计数据，在此基础上，与外网数据（网调在线下发或离线方式数据）拼接，形成用于在线接纳能力评估的全网数据。

4.光伏在线接纳能力评估

在多源数据整合的全网数据基础上，老虚光伏预测信息形成光伏由站可调空间。计及控制性能代价比和涉网性能指标形成调整队列，采用极限计算的方式计算光伏送出断面极限和光伏电站最大功率。在本系统中，该结果仅进行展示，不纳入闭环控制。

5.基态辅助决策与校正控制

针对电网当前状态下，已出现设备过负荷、断面越限、母线电压越限、频率越限、低频振荡等安全稳定问题，按照不安全的严重程度和允许人工施加控制的时限，结合安全控制装置按照离线策略的动作情况，调整光伏电站、风电场有功功率，紧急状态能够给出场站集电线路的开断控制策略，以抑制或消除电网的警戒状态或紧急状态。

6.预防控制与稳控策略在线计算

目前预防控制可以针对多种的安全稳定问题，协调多种可控手段（水火电、直流）进讲行控制。紧急控制（离线策略搜索、定值计算、实际过载紧急控制、预想故障暂态热稳紧急控制等）针对暂态稳定（暂态功角稳定。暂态由压跌落）和热稳定间题。采用切机切负益的方式进行控制。从光伏发电调度优先增出力、最后降出力的要求出发，需要在预防控制和紧急控制中区分新能源与常规能源的优先级。在光伏集中并网的地区，由于并网功率波动、远距离输申的缘故，电压的安全稳定问题突出，还需要学现电压越限的紧急控制功能。

预防控制和紧急控制都应考虑光伏电站的控制性能代价，并挖掘历史运行信息中响应调控的调节能力，提高计算控制的公平性、精细化和可靠性。

此外作为第道防线的预防控制与第一道防线的紧急控制，两者的控制簧略计算相互独立，严重故障的预防控制未考虑紧急控制装置动作的影响，需要进行协调控制考虑。

7.第三道防线措施校核

根据电网实时工况，在线自动搜索并生成第三道防线考核故障，仿真多重严重故障下失步解列、低频低压减载、高/低周切机、低频振荡解列等装置的动作特性，进行安全稳定评估，在线校核第三道防线的适应性。

（三）应用实例

下面以青海电网为例，介绍柔性功率控制系统的实际应用。青海柔性功率控制系统的实时监控界面如图 5-19所示。

光伏柔性功率控制系统通过对光伏发电外送通道各断面潮流进行实时监控，可以实时计算各潮流断面的传送裕度，然后根据各光伏电站上送的最大发电能力，优化控制各光伏电站发电功率，在保障电网安全稳定的前提下，提高光伏的利用率，保证光伏出力送出的最大化、最优化。

针对光伏、风电、水电和火电共用外送通道的情况，通过优化控制光伏电站、风电场、水电厂和火电厂的发电功率，合理利用光、风资源，达到光风水火联合调节的目的，以提高新能源的整体利用率。

为了更好地适应电网运行方式、调度模式的变化，系统支持按断面裕度自动控制模式、调度员模式、紧急调峰模式、紧急控制模式等控制模式，以便在各种运行方式及故障情况下合理分配各新能源电站的发电计划，保证电网的稳定可靠运行，同时最大限度提高电网的输送能力，使光伏电站的发电最大化、最优化，实现对光伏资源的充分利用。

图5-20 所示是对柔性功率控制断面实时情况的直观展示。从图中容易看出当前的格尔木外送断面实时值为 87MW，限额为300MW，新面裕度为213MW。在这种情况下，可以增加本断面范围内的光伏电站发电功率，光伏的消纳能力得到大幅度提升。

断面裕度自动控制模式是基于光伏外送断面裕度、各光伏电站当前发电功率、光伏电站上送的下一时刻最大发电能力等信息，根据指定的发电计划分配方式，自动计算各光伏电站实时发电计划的控制模式。若电网发生特殊情况，需要人工干预，可转入调度员控制模式，此模式可人工控制各光伏申站的发电计划。电网事故情况下，若电网接纳光伏能力下降。需要消减光伏发电功率，此时可转入紧急降出力模式，此模式下，调度人员输入需要消减的光伏有功功率总和，根据输入的消减量和分配原则，系统自动计算出各光伏电站发电功率并下发执行。调峰模式主要是针对电网运行中，由于调峰困难而限制光伏发电的情况，系统获得电网当前的调峰能力，通过综合光伏发电能力及预测情况，优化各光伏电站发电功率。

对干发电计划分配方式，可以支持按比例方式或按顺序分配方式。比例方式包括按装机容量、按预测容量等。顺序分配方式可以指定顺序或根据在线计算的涉网性能指标排序等，计划分摊过程中考虑各级断面裕度和设备的过载限值。

由于柔性功率控制技术在提高光伏发电消纳能力和电网安全稳定运行水平方面具有明显的优势，且经济性良好，因此，光伏电站将逐步接入和应用具有AGC、AVC及切馈线功能的柔性功率控制系统，从而取代独立的光伏电站功率控制系统和安全稳定控制装置。而大型光伏汇集站仍应配置独立的双套安全稳定控制装置。