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暂态不稳定:光伏电站为电网提供持续、稳定、安全供能的紧要问题

日期:2021-05-05    来源:电气新科技

国际太阳能光伏网

2021
05/05
09:36
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关键词: 光伏电站 电网 电力传输

光伏电站作为一种解决能源危机的重要可再生能源应用受到全世界广泛关注。光伏电站由于难以在并入电网后提供平衡电网频率的惯性,在并网后存在暂态不稳定的风险。电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学)、国网江苏省电力有限公司南京供电分公司的研究人员余墨多、黄文焘、邰能灵、马洲俊、贺杨烊,在2020年《电工技术学报》增刊2上撰文,基于逆变电源暂态稳定性机理的研究,提出一种针对光伏电站的自适应暂态稳定控制方法。实验结果证明自适应暂态稳定控制方法能够有效提高光伏电站暂态稳定能力。

自从1993年第一座光伏电站被建成,光伏电站在全世界范围迅速发展。由于其环境友好特性与能量转换效率,光伏电站成为了行之有效的太阳能应用形式。作为光伏发电的大规模应用之一,集中式光伏电站通常能够自动调节,使其一直处于太阳能利用率最高的发电状态。因此光伏电站的推广能够有效地优化能源结构,降低温室效应与碳排放,实现对环境的保护。目前,光伏电站已成为太阳能转换为电能的最主要实现形式。

PQ控制是集中式光伏电站并网采用最多的控制方法,然而采用PQ控制的光伏电站自动调节能力差,难以与火电机组动态互补以提高电网稳定性。因此,下垂控制代替PQ控制以提高光伏电站自动调节能力逐渐成为主流。采用下垂控制的光伏电站能够实现在与电网管理人员无通信的情况下自动调节输出功率,保障并网稳定性。

图1 光伏电站典型并网结构

然而,传统的下垂控制在面对暂态事件时,如电网故障、大规模负荷切停、电压暂降,调节能力较差。由于下垂控制的暂态特性,当暂态事件发生时,采用下垂控制的光伏电站可能会进入功率振荡的不稳定运行状态。

该种不稳定运行状态被称为暂态不稳定,它会导致光伏电站输出功率周期性振荡,与主电网异步运行,严重时甚至出现光伏电站脱网运行。光伏电站若要提高其暂态稳定性能,需要降低控制参数中的有功因子,提高无功因子,然而此种参数调整会降低光伏电站的静态稳定性,因此光伏电站的暂态稳定难以得到有效保证。

暂态不稳定除了导致光伏电站无法正常输送电能外,还会对电网设备造成损伤。因此解决暂态不稳定问题成为保证光伏电站为电网持续、稳定、安全供能的当务之急。

目前,针对逆变器型电源并网的暂态稳定问题已有大量研究。基于以上分析,研究人员开始着手于增强光伏电站的暂态稳定能力。采用辅助设备是增强光伏电站暂态稳定能力最直接的手段。

比如有学者基于减少右半平面极点数的思想,计算了能够提高光伏电站稳定性的直流电容最小容值。有学者增加了直流电容容值,使得光伏电站具备一定惯性,并能减少暂态事件对光伏电站的电气冲击。以上方法能够有效提高光伏电站暂态稳定能力,但是由于额外增加了设备或提高了设备要求,降低了光伏电站的经济性。

有学者则通过设计新的控制方法以实现光伏电站稳定性的提高,然而这些控制方法在面对暂态事件时适用性有限。有学者采用能量函数的方法计算了逆变器控制器的各项参数以提高暂态稳定运行能力,然而该方法只适用于单相逆变器,距离应用到光伏电站仍存在一定差距。有学者通过与电网管理人员通信,依据实时反馈调整下垂控制参数以实现暂态稳定能力的提高,该方法无法使光伏电站自适应地提高暂态稳定能力,且通信需要额外的模块。

上海交通大学、南京供电分公司的研究人员针对集中式光伏电站的暂态稳定性问题,分析光伏电站的暂态稳定机理,根据对暂态稳定机理的分析,得到有功下垂参数、无功下垂参数分别与暂态稳定能力呈负相关、正相关的结论。

图2 光伏电站自适应暂态稳定控制系统

基于该结论建立了下垂参数自适应调整方法;根据功角曲线的最大值与额定有功功率的比较,提出暂态事件检测方法,为自适应暂态稳定控制增加了启动模块。通过建立仿真模型,验证了与原始下垂控制相比,自适应暂态稳定控制能够有效地调节下垂因子,并提高暂态稳定能力,使光伏电站暂态稳定。此外,在面对不同的暂态事件时,自适应暂态稳定控制均能有效保证光伏电站的暂态稳定性。

暂态稳定性作为光伏电站运行的重要问题,需要得到有效、安全的解决,本文提出的自适应暂态稳定控制方法能够有效解决暂态失稳问题。之后将关注利用光伏电站与电网进行良好互动,为电网暂态稳定性提供有效支撑。

以上研究成果发表在2020年《电工技术学报》增刊2上,论文标题为“基于光伏电站暂态特性的自适应暂稳控制方法”,作者为余墨多、黄文焘 等。


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