CN103812133B - 并网光伏发电站的功率控制系统及其遥控方法 - Google Patents

并网光伏发电站的功率控制系统及其遥控方法 Download PDF

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Abstract

并网光伏发电站的无功遥调运行系统及其遥控方法，涉及太阳能发电输送控制技术领域，其特征在于：包括逆变器、通讯管理机、终端盒、枢纽终端盒、管理机和后台；通过逆变器与光伏发电单元连接，将直流电转化成交流电并通过变压器输送到母线；并通过终端盒和枢纽终端盒传送给管理机后在后台显示；检测母线并网点的实时无功值Qs；判断是否对逆变器所发的无功值进行调节，以补充母线的无功值。实现并网光伏发电站基于逆变器调相控制的无功遥调运行技术，确保电网安全、稳定、经济运行，降低了造价昂贵的光伏发电站的一次性投资，减少了电站的运行损耗。

Description

并网光伏发电站的功率控制系统及其遥控方法
技术领域：
本发明涉及太阳能发电输送控制技术领域，具体涉及并网光伏发电站的功率控制系统及其遥控方法。
背景技术：
太阳能光伏发电对优化能源结构、推动节能减排、实现经济可持续发展具有重要意义。国家电网公司认真贯彻落实国家能源发展战略，积极支持光伏发电加快发展，截止2012年底国内光伏装机容量已达5GW。但目前技术水平，光伏发电站的有功功率和无功功率均不具有良好的调整能力，10MWp以上的大中型光伏电站并网发电给电力系统的安全稳定及经济运行调度带来了很大的困扰和全新的挑战,光伏发电随季节和时间的变化给电网电能质量的控制提出了新的课题。实时、精确的光伏发电站功率因数控制、无功调相运行也是现代光伏发电技术发展的瓶颈之一。
目前国内大功率并网光伏电站运行时间未有超过5年，运行管理积累经验不多。光伏和风电普遍被视为劣质电源——不可靠：受天气影响大；不可调，具有反负荷特性。此类电源在电网中占的比例过大，电网将不得不保留较大的旋转备用容量，影响电网的安全经济运行，此类问题国外亦未见有成功解决的报道。将劣质电源通过技术进步逐步改造为电网友好型的优质电源是我们电业人的追求理想和努力方向。
在国内外，随着电力电子技术和工业控制技术的的发展，逆变器的调制方式和控制策略也有了很大的提升。通过远方遥调的控制器将可以快速响应的调节逆变器功率因数或无功出力，实现大功率电力电子装置的四象限运行，进而实现良好的电网电能质量的控制。目前国内主要电力自动化装置厂家对光伏发电站的无功功率控制主要针对的对象是无功补偿装置（SVC或SVG）。无功补偿装置的价格较昂贵，动辄上百万元，大大增加了光伏发电站的投资成本，占有更多的社会资源，且运行损耗较大，导致经济效益和社会效益较低。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种无需配置无功补偿装置就能补偿光伏发电站在运行过程中产生的无功损耗，并维持电网平衡的并网光伏发电站的功率控制系统及其控制方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
并网光伏发电站的功率控制系统，其特征在于：包括逆变器、通讯管理机、终端盒、枢纽终端盒、管理机和后台；所述的逆变器的输出端与通讯管理机连接，所述的通讯管理机与终端盒连接，所述的终端盒与枢纽终端盒连接，枢纽终端盒的输出端与管理机连接，管理机与后台连接。
所述的枢纽终端盒与1个以上的终端盒进行连接，每一个终端盒分别与一个通讯管理机进行连接。
所述的枢纽终端盒与管理机之间还连接有B光纤收发器，B光纤收发器再通过第二枢纽终端盒与管理机进行连接。
所述的终端盒与通讯管理机之间，以及枢纽终端盒与B收发器之间通过A光纤收发器进行连接。
所述的A光纤收发器连接时连接一个光口，一个网口，光口皆有两个尾纤。
所述的B光纤收发器连接时连接一个光口，一个以上的网口，每个光口接两根尾纤。
所述的并网光伏发电站的功率控制系统的遥控方法，其特征在于：包括下列步骤：
（1）、通过逆变器与光伏发电单元连接，将直流电转化成交流电并通过变压器输送到母线；
（2）、所述的通讯管理机通过规约转换，将逆变器所发的信号通过通讯管理机将逆变器规约转换成后台可以识别的规约，并通过终端盒和枢纽终端盒传送给管理机后在后台显示；
（3）、后台检测母线并网点的光伏电站的实时无功Qs、实时功率因数COSφ和实时电压Us；
（4）、后台通过母线并网点的光伏电站的实时无功Qs、实时功率因数COSφs或者实时电压Us来判断是否对逆变器所发的无功值进行调节，以补充母线的无功。
所述的步骤（4）中设置母线并网点光伏电站的目标恒无功为Qh、目标恒功率因数为COSφh或者目标恒电压为Uh，当Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh不相同时，则后台给逆变器且仅给逆变器自动下达指令让逆变器发出感性或者容性的无功，使得当Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh相同，如果Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh相同则返回步骤（3）。
所述的当设置母线并网点光伏电站的目标恒无功为Qh或目标恒电压为Uh时，后台控制逆变器在夜间发出纯无功。实现了光伏发电站灵活自如地调整无功功率以及夜间的纯无功（感性或容性）调整。通过逆变器向电力系统发出容性或感性无功，改善电能质量，提高电力系统稳定性，当夜间大多数用电设施停用的情况下，可能导致输电系统的末端电压过高，因此夜间通过逆变器发出感性的无功可以有效降低电压，保证输电系统的安全性。
所述的步骤（3）中后台检测母线并网点的光伏电站的实时有功Ps，并设置母线并网点的光伏电站的目标恒有功为Ph，当Ps与Ph不相同时，则后台给逆变器且仅给逆变器自动下达指令让逆变器发出ΔP=Ph-Ps大小的有功。实现自动发电控制的作用。
本发明可以实现恒无功运行，恒功率因数运行和恒电压运行，能够大大提高系统电压稳定性，确保电网安全、稳定，从而提高了输电的质量。
恒定功率因数控制：逆变器中直流电压给定和反馈差经过调节器得到电流给定，并根据控制主站远方或就地设定的功率因数分别计算出有功电流给定与无功电流给定，且与实际检测到的有功电流和无功电流做闭环控制，求得有功电流和无功电流，相加得到电流给定，再经过电流调解器闭环控制逆变器发波。
恒定无功功率控制：逆变器中直流电压给定和反馈差经过调节器得到有功电流给定，远方设定的无功功率与实际反馈的无功功率做闭环控制，得到无功电流，并与有功电流经过调节器的值相加，得到电流给定，再经过电流调解器闭环控制逆变器发波。
恒电压控制：逆变器电网电压控制按远方设定的电网电压，与实际反馈的电网电压差值做闭环控制，得到无功功率给定，并与实际反馈的无功功率做闭环控制，得到无功电流给定，与直流电压给定和反馈差经过调节器得到有功电流输出相加，得到电流给定，再经过电流调解器闭环控制逆变器发波。
光伏发电站的无功容量应按照分（电压）层和分（电）区基本平衡的原则进行配置，并满足检修备用要求。通过10kV～35kV电压等级并网的光伏发电站功率因数应能在超前0.98～滞后0.98范围内连续可调，有特殊要求时，可做适当调整以稳定电压水平。
对于通过110（66）kV及以上电压等级并网的光伏发电站，无功容量应满足下列要求：容性无功容量能够补偿光伏发电站满发时站内汇集线路、主变压器的感性无功及光伏发电站送出线路的一半感性无功功率之和。感性无功容量能够补偿光伏发电站自身的容性充电无功功率及光伏发电站送出线路的一半充电无功功率之和。
对于通过220kV（或330kV）光伏发电汇集系统升压至500kV（或750kV）电压等级接入电网的光伏发电站群中的光伏发电站，无功容量宜满足下列要求：容性无功容量能够补偿光伏发电站满发时汇集线路、主变压器的感性无功及光伏发电站送出线路的全部感性无功之和，感性无功容量能够补偿光伏发电站自身的容性充电无功功率及光伏发电站送出线路的全部充电无功功率之和。
仔细分析光伏发电站内逆变后的交流高压电路（10KV—35KV电缆、升压变压器、主变压器）。
光伏发电站容性无功容量需要补偿的最大感性无功ΔQ是变压器的感性无功ΔQt，按标幺值的概念亦即表征变压器电抗Xt大小的短路阻抗Uk%的大小。而常规变压器的Uk%约为10%左右，2级升压（110/35，35/0.4KV）也不过20%左右。
这里需要说明的是光伏发电站采用用于限制短路电流的高阻抗变压器的可能性极小，这是由于光伏发电站的电流源特性决定的，我们知道光伏发电站提供的最大短路电流不超过其额定电流的1.2—1.5倍。
目前，国内市场满足国标GB/T—19964-2012的逆变器，其功率因数可在土0.95间可调，即发出的无功功率在土0.31P.U间，而有些逆变器的功率因数甚至可在土0.9间可调，即发出的无功功率在土0.44P.U间可调。显然均远远大于需要补偿的最大感性无功ΔQ（变压器的感性无功ΔQt，约0.2P.U）。
以上分析可见：充分利用逆变器的无功调节能力，光伏发电站无须额外配置无功补偿装置SVC或SVG。
并网光伏电站的主要环节是直流转换成交流的逆变器部分，其关键主电路是PWM（脉宽调制）电路。其控制策略需保证有功功率的DC/AC转换、保证光伏电站具有低电压穿越能力的同时，实现无功功率（容性或感性）的大幅度调整，亦即输出电流和电压间相位超前或滞后的从容调整（四象限运行）。
项目研究的关键：
满足上述要求的PWM电路中大功率电力电子器件的经济容量的选取；
满足上述要求的PWM电路控制软件的编制；
与光伏发电站的自动化装置的协调控制；
实现无功功率大幅调整的光伏电站对优化所在电网的电压稳定性或小干扰稳定性的影响计算机仿真分析；
与SCADA或EMS系统的远方母线电压或功率因数定值改变的联调（或AVC、AGC的联调）—实际效果的验证。
本发明依托通讯管理机进行规约转换，采集逆变器等数据，通过光纤自愈光环网，连接到主站监控，完成对厂站内各开关设备的分、合闸远方控制或装置的参数整定，实现遥控和遥调功能。
为确保试验不影响电网的正常运行，保证并网点的电压合格率，试验前我们进行了光伏发电站无功大幅变动对周边电网潮流、电压的影响计算分析。光伏发电站（30MWp容量）将逆变器（阳光电源和南京冠亚各30台）的功率因数由1调至0.98，效果见下：调节前光伏发电站最大有功出力26MW，而此时站内的无功损耗最大，需从电网吸入3100KVar的无功；调解后光伏发电站无功由系统流入3100KVar的无功，转为向系统送出1279.7KVar。由此可见充分利用逆变器的无功调节能力，光伏发电站无须额外配置无功补偿装置SVC或SVG。
本发明的有益效果是：实现并网光伏发电站基于逆变器调相控制的无功遥调运行技术，确保并网点母线电压或功率因数在理想范围内，保证电能质量，降低网损。充足的无功储备容量和强有力的电压支撑以及快速同步响应速度，可大幅度提高系统电压稳定性，确保电网安全、稳定、经济运行，降低了造价昂贵的光伏发电站的一次性投资，减少了电站的运行损耗。
附图说明：
图1为实施例一系统图。
图2为实施例二系统图。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
具体实施例一：
如图1所示，并网光伏发电站的功率控制系统，其包括逆变器、通讯管理机、终端盒、枢纽终端盒、管理机和后台；逆变器的输出端与通讯管理机连接，通讯管理机与终端盒连接，终端盒与枢纽终端盒连接，枢纽终端盒的输出端与管理机连接，管理机与后台连接。
一种并网光伏发电站的功率控制系统的遥控方法，包括下列步骤：
（1）、通过逆变器与光伏发电单元连接，将直流电转化成交流电并通过变压器输送到母线；
（2）、所述的通讯管理机通过规约转换，将逆变器所发的信号通过通讯管理机将逆变器规约转换成后台可以识别的规约，并通过终端盒和枢纽终端盒传送给管理机后在后台显示；
（3）、后台检测母线并网点的光伏电站的实时无功Qs、实时功率因数COSφ和实时电压Us；
（4）、后台通过母线并网点的光伏电站的实时无功Qs、实时功率因数COSφs或者实时电压Us来判断是否对逆变器所发的无功值进行调节，以补充母线的无功值。
步骤（4）中设置母线并网点光伏电站的目标恒无功为Qh、目标恒功率因数为COSφh或者目标恒电压为Uh，当Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh不相同时，则后台给逆变器且仅给逆变器自动下达指令让逆变器发出感性或者容性的无功，使得当Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh相同，如果Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh相同则返回步骤（3）。
当设置母线并网点光伏电站的目标恒无功为Qh或目标恒电压为Uh时，后台控制逆变器在夜间发出纯无功。
步骤（3）中后台检测母线并网点的光伏电站的实时有功Ps，并设置母线并网点的光伏电站的目标恒有功为Ph，当Ps与Ph不相同时，则后台给逆变器且仅给逆变器自动下达指令让逆变器发出ΔP=Ph-Ps大小的有功。
具体实施例二：
如图2所示，并网光伏发电站的功率控制系统，包括逆变器、通讯管理机、终端盒、枢纽终端盒、管理机和后台；逆变器的输出端与通讯管理机连接，通讯管理机与终端盒连接，终端盒与枢纽终端盒连接，枢纽终端盒的输出端与管理机连接，管理机与后台连接。通讯管理机与2个逆变器进行连接，枢纽终端盒与5个终端盒进行连接，每一个终端盒分别与一个通讯管理机进行连接。枢纽终端盒与管理机之间还连接有B光纤收发器，B光纤收发器再通过第二枢纽终端盒与管理机进行连接。终端盒与通许管理机之间，以及枢纽终端盒与B收发器之间通过A光纤收发器进行连接。A光纤收发器连接时连接一个光口，一个网口，光口皆有两个尾纤。B光纤收发器连接时连接一个光口，一个以上的网口，每个光口接两根尾纤。通讯管理机的串口上连接有一个箱变。我们将包括逆变器、通讯管理机以及A光纤收发器连接在一块的一条支路设为模块1，将模块1、终端盒、枢纽终端盒、A光纤收发器、B光纤收发器和第二枢纽终端盒连接在一起的更大的支路设为模块2，管理机上还接有其它四个模块2。
一种并网光伏发电站的功率控制系统的遥控方法，包括下列步骤：
（1）、通过逆变器与光伏发电单元连接，将直流电转化成交流电并通过变压器输送到母线；
（2）、所述的通讯管理机通过规约转换，将逆变器所发的信号通过通讯管理机将逆变器规约转换成后台可以识别的规约，并通过终端盒和枢纽终端盒传送给管理机后在后台显示；
（3）、后台检测母线并网点的光伏电站的实时无功Qs、实时功率因数COSφ和实时电压Us；
（4）、后台通过母线并网点的光伏电站的实时无功Qs、实时功率因数COSφs或者实时电压Us来判断是否对逆变器所发的无功值进行调节，以补充母线的无功。
步骤（4）中设置母线并网点光伏电站的目标恒无功为Qh、目标恒功率因数为COSφh或者目标恒电压为Uh，当Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh不相同时，则后台给逆变器且仅给逆变器自动下达指令让逆变器发出感性或者容性的无功，使得当Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh相同，如果Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh相同则返回步骤（3）。
当设置母线并网点光伏电站的目标恒无功为Qh或目标恒电压为Uh时，后台控制逆变器在夜间发出纯无功。
步骤（3）中后台检测母线并网点的光伏电站的实时有功Ps，并设置母线并网点的光伏电站的目标恒有功为Ph，当Ps与Ph不相同时，则后台给逆变器且仅给逆变器自动下达指令让逆变器发出ΔP=Ph-Ps大小的有功
对本实施例进行试验性验证：
第一步将逆变器的功率因素从1调节只0.9，步进0.01，溶性无功会逐渐增大。
第二步将逆变器的功率因素从1调节只-0.9，步进0.01，感性无功会逐渐增大。
当光伏发电站的逆变器功率因素调节至+0.98时，整个发电系统则不用再吸收系统无功。
主站监控软件实现对站内所有逆变器同时遥调控制，并能快速响应。该界面上设有功率因数调节、无功功率调节、功率开关、功率设定等按钮。能够通过按钮修改参数实现远程调节。每一台通讯正常的逆变器都可以接受主站指令，做出功率因数的调整。
在夜间纯无功运行测试中，光伏逆变器可实现夜间感性和容性纯无功运行，单台500Kw无功输出功率最大可达正负100Kvar，无功在100KVar～-100KVar的范围可调。
功率因数调节从1-0.90，发容性无功会逐渐增大，功率因数调节从1--0.90，发感性无功会逐渐增大，满足国标GB/T—19964-2012。足够补充无功，不需额外配置无功补偿装置。
下表为试验当天调整功率因数和试验前一天功率因数未作调整的对比表：
实
施例充分验证了：
采用满足国家标准要求逆变器的并网光伏发电站无须额外配置无功补偿装置。并网光伏发电站基于逆变器调相控制的无功遥调运行技术的运用，实现了光伏发电站灵活自如地调整无功功率以及夜间的纯无功（感性或容性）调整。并网光伏发电站基于逆变器调相控制的无功遥调运行技术成功运用于正在运行的光伏发电站，有利于电网的安全、稳定、经济运行。降低了造价昂贵的光伏发电站的一次性投资，减少了电站的运行损耗。该项技术的推广具有极大的社会效益和可观的经济效益。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.并网光伏发电站的功率控制系统的遥控方法，其特征在于：
系统包括一个以上的逆变器、一个以上的通讯管理机、一个以上的终端盒、枢纽终端盒、管理机和后台；所述的逆变器的输出端与通讯管理机连接，所述的通讯管理机与终端盒连接，所述的终端盒与枢纽终端盒连接，枢纽终端盒的输出端与管理机连接，管理机与后台连接；
包括下列步骤：
(1)、通过逆变器与光伏发电单元连接，将直流电转化成交流电并通过变压器输送到母线；
(2)、所述的通讯管理机通过规约转换，将逆变器所发的信号通过通讯管理机将逆变器规约转换成后台可以识别的规约，并通过终端盒和枢纽终端盒传送给管理机后在后台显示；
(3)、后台检测母线并网点的光伏电站的实时无功Qs、实时功率因数COSφs和实时电压Us；
(4)、后台通过母线并网点的光伏电站的实时无功Qs、实时功率因数COSφs或者实时电压Us来判断是否对逆变器所发的无功值进行调节，对站内所有逆变器同时遥调控制,以补充母线的无功；
所述的步骤(4)中设置母线并网点光伏电站的目标恒无功为Qh、目标恒功率因数为COSφh或者目标恒电压为Uh，当Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh不相同时，则后台给逆变器且仅给逆变器自动下达指令让逆变器发出感性或者容性的无功，使得Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh相同，如果Qs与Qh、COSφs与COSφh或者Us与Uh相同则返回步骤(3)；
设置母线并网点光伏电站的目标恒无功为Qh或目标恒电压为Uh时，后台控制逆变器在夜间发出纯无功；
所述的步骤(3)中后台检测母线并网点的光伏电站的实时有功Ps，并设置母线并网点的光伏电站的目标恒有功为Ph，当Ps与Ph不相同时，则后台给逆变器且仅给逆变器自动下达指令让逆变器发出ΔP＝Ph-Ps大小的有功。
2.根据权利要求1所述的并网光伏发电站的功率控制系统的遥控方法，其特征在于：所述的枢纽终端盒与1个以上的终端盒进行连接，每一个终端盒分别与一个通讯管理机进行连接。
3.根据权利要求1或2所述的并网光伏发电站的功率控制系统的遥控方法，其特征在于：所述的枢纽终端盒与管理机之间还连接有B光纤收发器，B光纤收发器再通过第二枢纽终端盒与管理机进行连接。
4.根据权利要求3所述的并网光伏发电站的功率控制系统的遥控方法，其特征在于：所述的终端盒与通讯管理机之间，以及枢纽终端盒与B光纤收发器之间通过A光纤收发器进行连接。
5.根据权利要求4所述的并网光伏发电站的功率控制系统的遥控方法，其特征在于：所述的A光纤收发器连接时连接一个光口，一个网口，光口皆有两个尾纤。
6.根据权利要求3所述的并网光伏发电站的功率控制系统的遥控方法，其特征在于：所述的B光纤收发器连接时连接一个光口，一个以上的网口，每个光口接两根尾纤。
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