CN109066773A - 一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法，该方法中将全站逆变器配置为参与功率调控的普通逆变器和不参与功率调控的自然最大发电的样本逆变器，普通逆变器基于通讯获取相邻区域样本逆变器的直流母线电压参考值，同时接收厂站端快速功率控制装置发送过来的功率目标值，经电压外环及电流内环调节，进行快速功率下降或跨越式功率爬坡执行响应,达到逆变器单机50毫秒，全站100毫秒以内的快速功率控制目标，满足电网扰动或异常时，系统对光伏电站提出的百毫秒级调节响应的需求，从而提高电网稳定性，以及光伏并网的友好性、经济性。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电控制领域，尤其涉及光伏电站中光伏逆变器的功率控制。
背景技术
伴随着新能源在电网中的占比越来越高，“三北”地区新能源装机容量接近甚至有的超过30％，高比例的新能源严重挤压了常规能源的一次调频快速备用容量空间，使得电网的运行面临一系列的挑战，迫切需要新能源如光伏电站加快功率调节响应速度，以满足电网故障或扰动过程中功率调节快速响应需求，参与电网一次调频，成为电网“友好型”电源。此外，对于我国西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙古等新能源占比容量较大的省份，当前弃光弃风比较严重，以西藏光伏为例，光伏电站限制为50％的容量发电，在大部分良好天气下，这为每个光伏电站留出了上下各50％的可调节功率容量，如果光伏电站能实现快速的功率控制响应，在电网紧急控制的时间尺度内(5～10秒)，外部输入功率(光或风)相对是比较稳定的，此时光伏电站如果通过功率快速回降或者提升，接受上级系统的调节指令，并参与电网的频率和电压调节，将对电网的安全稳定运行发挥巨大的作用，当前被白白浪费的弃光容量，在电网紧急需要时，可以当成电网中宝贵的快速备用容量发挥出来，支撑电网稳定，当发生直流闭锁或者大电源损失等严重故障下，可以少切甚至不切负荷，从而降低所在区域电网运行控制的压力。同时，可以有效提升所在电网的频率、电压控制能力，增强电网的稳定水平。
当前电网的稳定控制系统是基于大扰动事件的快速控制，该系统控制响应速度快，当电网系统故障或异常时，要求全网实现200～300毫秒内的控制响应速度，目前主要是通过跳切发电线路和跳切负荷线路实现的。当前，当电网系统出现故障或大扰动时，稳控系统针对新能源电站的快速控制是通过将其作为首选对象被整体切除(送出线)实现的，这种直接整站或多站切除，除了很可能引发局部无功电压控制难题外，还存在新能源恢复并网环节多，时间长等不利于新能源经济运行的问题。考虑到新能源尤其是光伏逆变器是基于IGBT等电力电子形式的设备，不存在转动惯量，具备几十毫秒级快速调节的潜力，因此迫切需要也有可能实现新能源尤其是光伏电站的以调代切(风电由于存在转动惯量部件，快速调节性相对有所欠缺，本专利主要针对光伏发电，一方面缓解新能源高占比电网下稳控系统调控压力，同时发挥出被限光伏容量的快速备用能力，提高电网系统运行的经济性，另一方面通过减少新能源直接切除增加在网时间，也能提高新能源电站的运行经济效益。
然而当前新能源风电、光伏电站通常是通过自动发电功率控制系统(简称AGC系统)来进行功率调节响应控制的，该系统的站内控制启动响应时间长达20秒，其中逆变器端的执行响应时间长达1-3秒，即使是其它环节的时间压缩至0，也无法满足稳控系统对新能源光伏电站百毫秒的调节控制响应需求。分析逆变器本身的原因，当目标功率下降时，目标功率是肯定能够达到的，不需要爬坡跟踪，算法较容易实现；而在目标功率提升时，由于处于限功率状态的逆变器是不知道本省当前的最大发电能力的，通常只能通过MPPT功率爬坡算法爬坡寻找最大功率值或是目标功率值；而常规MPPT跟踪过程缓慢，需要一小步一小步(每步约20ms)慢慢跟踪，保证逆变器系统安全稳定进行跟踪，整个爬坡过程一般长达1～3秒；另一方面，如果盲目地使逆变器进行快速功率提升跟踪，一旦造成提升的目标功率超过逆变器的当前自然最大功率(也就是光伏面板电池的输入功率)，控制稍有偏差，就很可能造成逆变器直流母线电压崩溃继而导致跳机的风险。逆变器这样功率追踪算法和大的跳机风险显然不能满足电网故障或扰动时对光伏电站提出的百毫秒内的系统级功率响应的需求。考虑到光伏电站一般有几十甚至成百上千台的光伏逆变器，在相邻区域的光伏方阵中，由于范围变化小，光伏面板清洁度，光照度，周边的大气环境温湿度等是非常接近的，加上光伏面板和光伏逆变器的同型号，他们有着非常接近的发电条件，如果能让其中一台或少数几台逆变器一直处于自然最大发电状态，并且将其最大发电状态下的关键参数值传送至相邻逆变器，将为相邻逆变器进行快速功率提升提供重要的参考信息。
发明内容
本发明的目的提出一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法，通过能够参考相邻样本逆变器状态来解决单台光伏逆变器仅依靠自身信息功率提升或下降执行缓慢以及快速执行存在很大跳机风险的问题。
本发明采用的技术方案是：
1.将正常运行发电的逆变器配置为两类：普通逆变器，和样本逆变器；正常情况下，普通逆变器运行在受上级厂站系统控制的可调节功率发电状态，样本逆变器工作在自然最大功率发电状态；当电网出现故障或异常，电网调控光伏电站快速降低功率时，普通逆变器接收厂站端快速功率控制装置下发的降功率目标值Pt1进行功率快速下降响应；当电网出现故障或异常，出现功率缺额需要光伏电站快速提升功率时，普通逆变器获取相邻区域样本逆变器的直流母线电压参考值Udcm，同时接收厂站端快速功率控制装置发送过来的提升功率目标值Pt2，在Udcm和Pt2两个值共同作用下，进行快速跨越式功率爬坡执行响应。
2.普通逆变器在进行功率提升命令执行时按如下步骤实施：(1)获取相邻区域样本逆变器的直流母线电压参考值Udcm；(2)将本普通逆变器直流母线电压参考值设置在Udcm+△U，并提供给MPPT功率爬坡算法的电压外环执行，其中△U取值范围为该普通逆变器直流母线电压Udc额定值的0.5％～5％；(3)本普通逆变器功率提升至次最大功率值Pm’；(4)本普通逆变器从Pm’点开始，基于MPPT功率爬坡跟踪算法进行小步跟踪。
3.普通逆变器在进行功率提升命令执行时，分为两种情况：(1)当提升功率目标值Pt2小于等于相邻样本逆变器实时功率值Pm时，执行过程中，普通逆变器在电压外环、电流内环和功率限值给予限制功能联合共同作用下，将输出功率调整至目标功率值Pt2上；(2)当提升功率目标值Pt2大于相邻样本逆变器实时功率值Pm时，执行过程中，普通逆变器在电压外环、电流内环和功率限值给予限制功能联合共同作用下，将输出功率调整至本普通逆变器自然最大功率值上。
4.在进行功率降低响应时，即降功率目标值Pt1小于普通逆变器当前发电功率时，通过将降功率目标值Pt1输入到MPPT的算法的电压外环、电流内环和功率限值给予限制功能联合共同作用，普通逆变器输出功率调整至目标功率值Pt1。
5.所述的快速功率响应是指逆变器单机功率提升或下降调节执行响应时间均小于50毫秒，全光伏电站功率提升或下降调节执行响应时间均小于100毫秒。
6.样本逆变器的数量配置为全站逆变器数量的5％～20％，配置时在全站光伏区物理空间内均匀分布。
7.普通逆变器通过有线或者无线通讯的手段获取相邻区域样本逆变器当前直流母线电压参考值Udcm；通讯方式为普通逆变器与相邻区域样本逆变器直接通讯，或者间接经过中间设备通讯；通讯协议采用GOOSE/UDP，或者采用TCP；从样本逆变器发出Udcm值，到普通逆变器接到该Udcm值，通讯延迟不超过10秒。
8.对各逆变器进行快速功率控制的命令由光伏电站快速功率控制装置发送，该装置安装于光伏电站并网点处，与电网上级控制系统包括电网安全稳定控制系统、电网调度系统进行高速通讯，接收上级厂站总调节命令，进行相应的功率分解与处理后，对下与各逆变器进行快速通讯。
本发明所要解决的技术问题是：
1)解决光伏电站光伏逆变器限功率状态时功率提升当前常规MPPT功率爬坡算法执行响应缓慢的问题。
2)解决光伏逆变器MPPT功率爬坡过程中盲目快速功率设定，很可能导致的逆变器跳机问题。
3)解决光伏逆变器MPPT功率爬坡过程中给定目标功率设定，如何进行有序参数输入从而提高响应速度的问题。
4)解决光伏逆变器MPPT功率爬坡过程中当得到样本逆变器母线电压参考值后，考虑到普通逆变器与样本逆变器可能存在偏差，如何排除偏差影响，自然快速找到本逆变器真实最大功率值的问题。
5)解决光伏电站光伏逆变器限功率状态时功率降低当前常规MPPT功率爬坡算法执行响应缓慢的问题。
采用上述方法和系统方案后，本发明的有益效果是：
1、采用本方法后，普通逆变器借助相邻区域样本逆变器的当前运行信息，可以50ms以内快速爬坡追踪到目标功率或是最大功率值，大大提升光伏逆变器的执行相应速度，使得全站百毫秒的功率执行响应，满足稳控系统对新能源光伏电站的百毫秒内快速调节响应需求成为可能。
2、采用本方法，可以解决光伏逆变器MPPT功率爬坡算法爬坡执行过程中漫无目的探索式爬坡过程执行缓慢的问题，提供相对准确的爬坡依据，并且保证爬坡跟踪过程的设备安全性。
3、采用本方法后，已有大量已建新能源光伏电站能进行兼容性升级，这能大大提高众多新能源站参与系统调频调压响应的可控性和快速性，使得大量风电、光伏等新能源电站能进一步接近火电、水电等常规发电厂的运行控制特性，这有利于提高新能源在电网中的接入消纳能力。
附图说明
图1光伏电站实施通讯架构图
图2新能源快速功率控制系统通讯传输示意图
图3基于样本逆变器Udcm值的跨越式MPPT功率爬坡算法示意图
图4光伏逆变器快速功率控制拓扑图
图5现场样本逆变器某天主要时段发电功率曲线图
图6普通逆变器单机功率快速调节响应曲线图
图7光伏电站全站功率快速调节响应曲线图
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法，考虑到电网对光伏逆变器的快速功率执行相应需求，以及当前光伏逆变器常规MPPT功率爬坡算法的不足，我们在光伏电站中设置普通可调逆变器和样本逆变器，普通可调逆变器通过参考相邻区域样本逆变器的参数对逆变器MPPT跟踪算法进行优化改造，进行精准快速功率提升，大大提升新能源光伏电站内的光伏逆变器功率执行速度至百毫秒内，同时保证逆变器的安全可靠运行。
1)如图1所示，以一个20MWp的集中式光伏电站为例进行说明，假设全站采用同型号光伏面板和同型号光伏逆变器，通常按1MW一个方阵，每个方阵中含有两台500kW的典型光伏逆变器，全光伏电站总共含有40台光伏逆变器。在这些光伏逆变器中，每相邻5MW选择1台逆变器，共选出4台逆变器作为样本逆变器自然满发；其中普通逆变器承担功率调节任务，而样本逆变器保持自然最大发电状态，一般不参与功率调节。所有逆变器，开发支持网络GOOSE协议，普通逆变器以接收GOOSE通讯为主，而样本逆变器，则还需支持对外GOOSE发送。
2)在光伏电站厂站端，如图2所示，开发并架设新能源快速功率控制装置，该装置能与全站40台的逆变器进行高速GOOSE通讯，主要是实现上级功率调节命令的接收，全站功率命令分解，并网点功率采集计算，和接收4台样本逆变器的直流母线电压参考值Udcm上送，以及向40台逆变器高速派发单机功率调节命令和相应样本逆变器的直流母线电压参考值Udcm。
3)上述40台光伏逆变器，除了支持GOOSE快速通讯外，还支持常规TCP方式与包括新能源快速功率控制装置在内的上级装置或系统进行信息状态上传通讯。具体协议可以选配进行，主要有MMS、MODBUS、IEC103、IEC104和OPC等基于以太网的一些通讯协议。
4)正常情况下，普通逆变器运行在受上级厂站系统控制的可调节功率发电状态，样本逆变器工作在自然最大功率发电状态；当电网出现故障或异常，需要光伏电站快速降低功率时，优先通过降低全站普通逆变器的发电功率实现，普通逆变器基于厂站端快速功率控制装置下发的降功率目标值Pt1进行功率快速下降响应；当电网出现故障或异常，出现功率缺额需要光伏电站快速提升功率时，普通逆变器快速通讯接收厂站端快速功率控制装置发送过来的快速功率提升功率目标值Pt2的同时，还基于通讯同步获取到相邻区域样本逆变器的直流母线电压参考值Udcm，普通逆变器基于Pt2和Udcm两个值共同作用，进行跨越式跟踪执行快速响应，以解决光伏快速功率响应控制中，快速功率提升这个关键难题；同时为了叙述方便，当降功率目标值Pt1和提升功率目标值不做区分时，统称为功率目标值Pt，即Pt代表Pt1或者Pt2；
5)普通逆变器获取到样本逆变器的直流母线电压参考值Udcm，以及功率提升功率目标值Pt之后，如图3所示，逆变器MPPT功率爬坡跟踪算法的第一步，是将本普通逆变器直流母线电压设置在Udcm+△U值提供给MPPT功率爬坡算法的电压外环执行，△U取值范围为该型号逆变器直流母线电压Udc额定值的0.5％～3％，实践中△U取典型值10V，执行使得普通逆变器功率提升至相应次最大功率值Pm’，然后目标普通逆变器从Pm’点开始，再基于MPPT常规爬坡跟踪算法小步跟踪，最终使得功率停止在目标功率值。
6)光伏逆变器本身的功率控制拓扑结构如图4所示，对于光伏逆变器的功率执行速度，从理论上讲，基于IGBT的电力电子功率执行CPU单元从接收到新的功率目标指令后，经过采样环节、PQ运算、锁相环锁相(5ms)、正负序分解(5.1ms)、dq变换(5ms)、内环PI调节、电压外环PI调节等环节执行完后，再控制IGBT的开通与关断，最终是可以将耗时控制在30ms内的。
7)将目标普通逆变器的功率快速提升到次最大功率值Pm’后，再将提升目标功率值转成电流环的限值给入。
8)目标普通光伏逆变器通过电压外环、电流内环和功率限值给予限制功能同时作用，提高目标功率追踪的速度。
9)普通逆变器获取相邻区域样本逆变器当前直流母线电压参考值Udcm的方法，其要求是能够使得从样本逆变器发出Udcm值，到目标普通逆变器接收到该Udcm值，延迟不超过10秒的任何通讯方法，其中包括普通逆变器与相邻样本逆变器进行直接通讯，也可以间接经第三台中间设备进行间接通讯；通讯协议可以采用GOOSE/UDP等快速通讯协议，也可以采用TCP常规通讯协议；可以采用有线通讯，也可以采用无线通讯。
10)对各逆变器进行快速功率控制的命令由光伏电站快速功率控制装置发送，该装置安装于光伏电站并网点附近，能够与电网上级控制系统如稳控系统，调度系统等进行高速通讯接收上级厂站总调节命令，进行相应的功率分解处理后，对下能够与各逆变器进行快速通讯。
11)厂站端的新能源快速功率控制装置，不断接收到样本逆变器的Udcm值后，刷新保存在本装置中，当对逆变器有快速调控需求时，将对普通逆变器的目标功率指令以及其对应相邻样本逆变器的Udcm值同时通过经过光伏电站的光纤环网GOOSE下发至普通逆变器中。
12)考虑到快速功率控制与站内的常规AGC功率系统会存在协调配合问题，因此，当进行全站快速功率控制响应时，厂站端的新能源快速功率控制系统还需要立即发送一个遥信信号给AGC系统，AGC系统收到该信号后立即闭锁常规AGC控制，直到该信号清零。
13)综合上述步骤措施，相关技术在西藏某光伏电站投运，项目中选取的样本逆变器一直处于自然最大发电状态，该样本逆变器某天主要时段的发电功率曲线如图5所示，由于样本逆变器处于其他相邻逆变器的中心位置，总体环境非常相似，样本逆变器的发电水平代表了当天的光照气候整体情况水平，相邻逆变器的最大发电能力应该是与之相似的。
14)基于上述相关系统与技术，站内1#逆变器的快速功率响应曲如图6所示，图中横轴是逆变器功率执行相对时间，其中0时刻是逆变器接收到调节指令并开始功率执行的时刻；纵轴是逆变器的交流发电功率值。
A)单机降功率响应
图6中曲线1是逆变器收到控制装置的调节指令并从450kW降到20kW的执行过程功率曲线波形。从波形上看，从450kW降到63kW(90％调节量)的时延大概是15ms。此后，功率略有超调至0kw，随后爬坡回升至20kW。
B)单机目标值低于最大功率值的升功率响应
图6中曲线2是逆变器当前最大发电功率(即光伏面板电池当前最大功率)高于目标功率情形下的升功率响应，对应逆变器从50kw提升到目标值400kW(当时相邻逆变器最大功率值在450kW以上)的执行过程功率曲线。调节过程前期，该逆变器瞬间小幅超调接近450kW。此后，功率逐步下降至400kW，响应时间在15～25ms。
C)单机目标值高于最大功率值的升功率响应
图6中曲线3是逆变器在另一种情形，即逆变器当前最大发电功率(约400kW)不能满足目标功率(500kW)情形下的功率执行曲线。从实际响应曲线看出，逆变器从0kW开始强制提升至500kW的过程中，瞬时6～8ms内有一个冲高超过自然最大功率(400kW)，甚至超过目标功率(500kW)的冲顶过程，分析表明这是由于逆变器直流母线电路中电容储能短暂能量释放造成的瞬间超功率现象。之后，逆变器的交流输出功率值小幅振荡下行，最终稳定在最大功率值附近。
15)图7记录了西藏某光伏电站新能源快速控制系统涉网投运试验过程中，三种典型情况的全站功率响应曲线。图中横轴是功率执行相对时间，0时刻是控制装置接收到上级稳控系统指令的时刻，纵轴是并网点的实时功率采集计算值。
A)全站降功率响应
图7曲线1是运高站收到稳控主站下调4.4MW命令后，通过控制各逆变器使得总功率从17MW下调至12.6MW的功率执行过程曲线，调节响应时间约28ms(到调节量90％，下同)；
B)目标值低于最大功率值的全站升功率响应
图7曲线2是当运高站当前自然最大发电功率满足目标功率条件下，全站上调3.2MW的功率执行过程曲线，响应时间约33ms；
C)目标值高于最大功率值的全站升功率响应
图7曲线3是调节目标值超过运高站当前自然最大功率值的功率执行过程曲线。当时全站的自然最大功率约为14.5MW，而命令目标是提升5MW至15.3MW。从曲线3可以看出，全站发电功率值出现了短时5～8ms的冲高过程，然后逐步斜坡回落稳定至最大功率值附近。以全站最终达到的自然最大功率值计算，此情形全站响应时间约为22ms。此外，从曲线对比中发现，全站响应比单机功率响应曲线平滑得多。
基于上述步骤和相关技术现场验证，实现了普通逆变器单机功率提升或下降调节执行响应时间均小于50毫秒，全光伏电站功率提升或下降调节执行响应时间均小于100毫秒的目标。满足电网稳控、调度中心或其它上级系统对新能源光伏电站系统级的快速支撑响应需求。
Claims (8)
1.一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法，其特征在于：将正常运行发电的逆变器配置为两类：普通逆变器，和样本逆变器；正常情况下，普通逆变器运行在受上级厂站系统控制的可调节功率发电状态，样本逆变器工作在自然最大功率发电状态；当电网出现故障或异常，电网调控光伏电站快速降低功率时，普通逆变器接收厂站端快速功率控制装置下发的降功率目标值Pt1进行功率快速下降响应；当电网出现故障或异常，出现功率缺额需要光伏电站快速提升功率时，普通逆变器获取相邻区域样本逆变器的直流母线电压参考值Udcm，同时接收厂站端快速功率控制装置发送过来的提升功率目标值Pt2，在Udcm和Pt2两个值共同作用下，进行快速跨越式功率爬坡执行响应。
2.根据权利要求1所述的一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法，其特征在于：普通逆变器执行功率提升命令时按如下步骤实施：(1)获取相邻区域样本逆变器的直流母线电压参考值Udcm；(2)将本普通逆变器直流母线电压参考值设置在Udcm+△U，并提供给MPPT功率爬坡算法的电压外环执行，其中△U取值范围为该普通逆变器直流母线电压Udc额定值的0.5％～5％；(3)本普通逆变器功率提升至次最大功率值Pm’；(4)本普通逆变器从Pm’点开始，基于MPPT功率爬坡跟踪算法进行小步跟踪。
3.根据权利要求1所述的一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法，其特征在于：普通逆变器执行功率提升命令时，分为两种情况：(1)当提升功率目标值Pt2小于等于相邻样本逆变器实时功率值Pm时，执行过程中，普通逆变器在电压外环、电流内环和功率限值给予限制功能联合共同作用下，将输出功率调整至提升功率目标值Pt2上；(2)当提升功率目标值Pt2大于相邻样本逆变器实时功率值Pm时，执行过程中，普通逆变器在电压外环、电流内环和功率限值给予限制功能联合共同作用下，将输出功率调整至本普通逆变器自然最大功率值上。
4.根据权利要求1所述的一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法，其特征在于：普通逆变器执行功率降低命令时，即降功率目标值Pt1小于普通逆变器当前发电功率时，是将降功率目标值Pt1输入到MPPT功率爬坡算法的电压外环、电流内环和功率限值给予限制功能联合共同作用，普通逆变器输出功率调整至降功率目标值Pt1。
5.根据权利要求1所述的一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法，其特征在于：所述的快速功率响应是指逆变器单机执行功率提升或下降命令的响应时间均小于50毫秒，全光伏电站执行功率提升或下降命令的响应时间均小于100毫秒。
6.根据权利要求1所述的一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法，其特征在于：样本逆变器的数量配置为全站逆变器数量的5％～20％，配置时在全站光伏区物理空间内均匀分布。
7.根据权利要求1所述的一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法，其特征在于：普通逆变器通过有线或者无线通讯的手段获取相邻区域样本逆变器当前直流母线电压参考值Udcm；通讯方式为普通逆变器与相邻区域样本逆变器直接通讯，或者间接经过中间设备通讯；通讯协议采用GOOSE/UDP，或者采用TCP；从样本逆变器发出Udcm值，到普通逆变器接到该Udcm值，通讯延迟不超过10秒。
8.根据权利要求1所述的一种光伏电站逆变器进行快速功率响应的方法,其特征在于：对各逆变器进行快速功率控制的命令由光伏电站快速功率控制装置发送，该装置安装于光伏电站并网点处，与电网上级控制系统包括电网安全稳定控制系统、电网调度系统进行高速通讯，接收上级厂站总调节命令，进行相应的功率分解与处理后，对下与各逆变器进行快速通讯。
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