(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

大型并網(wǎng)光伏電站以“集中開發(fā)、高壓接入、外送消納”為主要特點(diǎn)。建設(shè)大型并網(wǎng)光伏電站是大規(guī)模集中利用太陽(yáng)能的有效方式，隨著光伏系統(tǒng)成本的持續(xù)降低和發(fā)電效益的不斷提高，大型并網(wǎng)光伏電站具有廣闊的應(yīng)用前景。然而以光伏為代表的新能源電站的出力特性、網(wǎng)源協(xié)調(diào)性能與傳統(tǒng)電源差異很大，大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一系列不良影響：光伏的間隙性出力引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)，低故障穿越能力降低電網(wǎng)安全穩(wěn)定裕度[1-3]。電網(wǎng)從自身安全運(yùn)行角度出發(fā)，要求并網(wǎng)光伏電站具備一定的常規(guī)電源特性。電池儲(chǔ)能具有響應(yīng)速度快，充放電調(diào)節(jié)靈活的特點(diǎn)，儲(chǔ)能輔助光伏電站響應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行指令，參與電站電壓與頻率調(diào)節(jié)，可提升光伏電站的可調(diào)度與可調(diào)節(jié)能力，光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)是一種新型光伏電站設(shè)計(jì)方案。

當(dāng)前，中小型光伏電站的站級(jí)功率控制主要由綜自系統(tǒng) (supervisory control and data acquisition, SCADA)、自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)(automatic generation control, AGC)、自動(dòng)電壓控制系統(tǒng) (automatic voltage control，AVC)與光伏逆變器集群聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，其中，SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光伏組件、逆變器、變壓器和配電系統(tǒng)等主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、電站內(nèi)各計(jì)量點(diǎn)信息采集，完成信息上報(bào)；AGC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有功功率分配與控制；AVC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無功功率分配與控制；光伏逆變器控制光伏組件實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制(maximum power point tracking，MPPT)與定功率控制。光伏逆變器在容量富余條件下也可向電網(wǎng)提供一定的無功功率。由于光伏出力受光照變化、云層遮擋等自然條件影響，間歇性的光伏出力顯著降低了光伏電站響應(yīng)電網(wǎng)指令、參與電網(wǎng)頻率/電壓調(diào)節(jié)的能力。近些年來，隨著電網(wǎng)對(duì)光伏電站自身有功/無功控制能力、故障穿越能力的不斷提升，越來越多的國(guó)外大型光伏發(fā)電項(xiàng)目配置了站級(jí)功率控制器(power plant controller, PPC)[4-5]。

1 大型光儲(chǔ)聯(lián)合電站典型結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)對(duì)光伏電站有功/無功控制能力、并網(wǎng)功率因數(shù)、參與電網(wǎng)頻率電壓調(diào)節(jié)，故障穿越能力等方面均做出了一定限值要求。大型光伏電站為了更好的滿足上述要求，一般配置有儲(chǔ)能系統(tǒng)與無功補(bǔ)償裝置，大型并網(wǎng)光儲(chǔ)電站的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由光伏系統(tǒng)(包括光伏組件、光伏逆變器以及就地升壓變等主要設(shè)備)、儲(chǔ)能系統(tǒng)(包括儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能逆變器以及就地升壓變等主要設(shè)備)、無功補(bǔ)償裝置(包括并聯(lián)電容器組FC、靜止無功發(fā)生器SVG等)、中低壓配電系統(tǒng)等組成。其中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以集中形式接入交流中壓母線，也可以分散形式接入光伏逆變器直流側(cè)與光伏系統(tǒng)合用光伏逆變器，為了增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性、方便現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維與巡視檢修，儲(chǔ)能系統(tǒng)多采用交流中壓集中接入形式；無功補(bǔ)償裝置一般并接于交流中壓母線；光儲(chǔ)電站聯(lián)合出力通過主變升壓后實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

圖1 大型光儲(chǔ)聯(lián)合電站典型接線示意圖

配置站級(jí)功率控制器PPC的光儲(chǔ)聯(lián)合電站與傳統(tǒng)光伏電站性能對(duì)比見表1所示，通過PPC可以實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)聯(lián)合電站的整體控制，有效提高電站有功無功出力控制與調(diào)節(jié)能力、故障穿越能力，提升電站運(yùn)行靈活性，并降低電站棄光率。

表1 傳統(tǒng)光伏電站與配置PPC的光儲(chǔ)聯(lián)合電站性能對(duì)比

2 站級(jí)功率控制器PPC功能與結(jié)構(gòu)

2.1 站級(jí)功率控制器PPC功能

根據(jù)電網(wǎng)對(duì)光伏電站的運(yùn)行要求，站級(jí)功率控制器PPC的主要功能可以分為以下四類：定功率控制(或跟蹤計(jì)劃出力)、爬坡率控制(或平滑出力波動(dòng))、有功/頻率調(diào)節(jié)、無功/電壓調(diào)節(jié)，如圖2所示。需要說明的是，最大功率跟蹤控制主要涉及光伏系統(tǒng)自身，目前多由光伏逆變器及其就地控制器實(shí)現(xiàn)。

圖2 站級(jí)功率控制器PPC主要功能示意圖

2.1.1 定功率控制(跟蹤計(jì)劃出力)

定功率控制(或跟蹤計(jì)劃出力)是光伏電站一種典型運(yùn)行方式，光伏電站根據(jù)功率預(yù)測(cè)向電網(wǎng)調(diào)度上報(bào)發(fā)電預(yù)測(cè)曲線。電網(wǎng)調(diào)度結(jié)合光伏預(yù)測(cè)曲線與負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行修正后，向光伏電站下達(dá)出力指令并對(duì)光伏電站實(shí)時(shí)出力進(jìn)行考核。傳統(tǒng)光伏電站的定功率控制由下級(jí)光伏逆變器設(shè)定光伏組件運(yùn)行點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)，但由于光伏出力受光照、溫度等自然因素影響，光伏電站有功出力不受控，定功率控制效果不佳。光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)站級(jí)功率控制器PPC可通過靈活控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電，協(xié)調(diào)光伏與儲(chǔ)能出力，完成電站的定功率控制，實(shí)現(xiàn)跟蹤計(jì)劃出力目標(biāo)。

2.1.2 爬坡率控制(平滑出力波動(dòng))

爬坡率控制(或平滑出力波動(dòng))是提升光伏電站并網(wǎng)電能質(zhì)量的有效手段，針對(duì)傳統(tǒng)光伏電站間歇性、波動(dòng)性的出力特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)對(duì)光伏并網(wǎng)波動(dòng)性提出了要求[6-9]，如表2所示。儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可快速平抑光伏出力波動(dòng)，光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)站級(jí)功率控制器PPC通過相關(guān)控制算法(如濾波控制算法、滑動(dòng)平均算法或模型預(yù)測(cè)算法等)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能出力的快速計(jì)算與指令下達(dá)，完成電站的爬坡率控制，實(shí)現(xiàn)平滑出力波動(dòng)目標(biāo)。

表2 各國(guó)電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)光伏電站的爬坡率限值

2.1.3 有功/頻率調(diào)節(jié)

有功/頻率調(diào)節(jié)是指光伏電站響應(yīng)電網(wǎng)需求，快速控制自身有功出力以參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)對(duì)光伏電站參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)均提出了相應(yīng)要求[3-6]，如表3所示。以我國(guó)為例，電網(wǎng)要求光伏電站在49.5 Hz至50.2 Hz頻率區(qū)間內(nèi)保持并網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)頻率高于50.2 Hz時(shí)保持并網(wǎng)2 min，當(dāng)系統(tǒng)頻率在48 Hz至49.5 Hz區(qū)間時(shí)保持并網(wǎng)10 min。傳統(tǒng)光伏電站通過提升光伏逆變器的頻率耐受性以滿足電網(wǎng)頻率限值要求，但當(dāng)參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)時(shí)，工作于MPPT模式的光伏電站的有功備用容量低，且無法參與頻率上調(diào)任務(wù)。光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)站級(jí)功率控制器PPC通過控制儲(chǔ)能提升電站整體有功調(diào)頻備用容量，可以根據(jù)有功/頻率下垂特性主動(dòng)參與電網(wǎng)頻率的雙向調(diào)節(jié)，維持電站并網(wǎng)點(diǎn)的頻率穩(wěn)定。

表3 各國(guó)電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)光伏電站的頻率要求

2.1.4 無功/電壓調(diào)節(jié)

無功/電壓調(diào)節(jié)具有兩部分含義：正常狀態(tài)下無功/功率因數(shù)調(diào)節(jié)與故障狀態(tài)下的無功/電壓調(diào)節(jié)。大多數(shù)國(guó)家的電網(wǎng)要求光伏電站功率因數(shù)在±0.95區(qū)間可調(diào)，即要求光伏電站在并網(wǎng)點(diǎn)具備約30%裝機(jī)視在功率的獨(dú)立無功調(diào)節(jié)能力。工作于MPPT模式的傳統(tǒng)光伏電站的無功能力受限，導(dǎo)致參與并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)調(diào)節(jié)能力較低。此外，在電網(wǎng)故障狀態(tài)下，國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)對(duì)光伏電站運(yùn)行要求如圖3、表4所示[6-9]，各國(guó)均要求光伏電站具備一定的低壓電穿越能力，并在故障狀態(tài)下能夠向電網(wǎng)注入無功功率以支撐電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。

圖3 光伏電站典型低電壓穿越要求曲線

表4 各國(guó)電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)光伏電站的電壓支撐要求（故障狀態(tài)）

光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可通過配置電容器組等固定投切式無功設(shè)備以補(bǔ)償電站內(nèi)部變壓器、中低壓電纜線路產(chǎn)生的無功損耗，配置SVG等無功連續(xù)可調(diào)設(shè)備進(jìn)一步增加電站的無功調(diào)節(jié)能力。站級(jí)功率控制器PPC可以根據(jù)無功/電壓下垂特性主動(dòng)參與電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)，同時(shí)協(xié)調(diào)電站內(nèi)部電容器組FC、靜止無功發(fā)生器SVG、儲(chǔ)能系統(tǒng)無功出力，靈活調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)，維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定。

2.2 站級(jí)功率控制器PPC結(jié)構(gòu)

大型光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由SCADA系統(tǒng)、光伏逆變器就地控制器RTU、儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)EMS、電容器組就地控制器、SVG就地控制器及站級(jí)功率控制器PPC組成。

站級(jí)功率控制器PPC是整個(gè)電站的核心控制單元，負(fù)責(zé)整個(gè)電站內(nèi)光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)與無功補(bǔ)償裝置之間的協(xié)調(diào)控制，PPC具有與電網(wǎng)調(diào)度的通信接口，接收電網(wǎng)調(diào)度下達(dá)的有功/無功指令(或頻率/電壓指令)，通過系統(tǒng)內(nèi)置的相應(yīng)算法，將電網(wǎng)指令分解后分別下達(dá)給光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)與無功補(bǔ)償裝置；SCADA系統(tǒng)采集整個(gè)電站各功能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)視各功能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并向PPC提供所需信息，PPC給出運(yùn)行決策，控制電站異常設(shè)備及時(shí)退出運(yùn)行。各系統(tǒng)就地控制器負(fù)責(zé)接收PPC運(yùn)行指令并向SCADA上報(bào)各系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)。

圖4 站級(jí)功率控制器PPC結(jié)構(gòu)

3 站級(jí)功率控制器PPC仿真研究

3.1 站級(jí)功率控制器PPC控制策略

利用PSCAD/EMTDC電磁仿真軟件，對(duì)大型光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的站級(jí)功率控制器PPC的定功率控制及爬坡率控制功能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，PPC的仿真控制策略如圖5所示。

圖5 光儲(chǔ)聯(lián)合電站定功率控制及爬坡率控制控制框圖

交流并網(wǎng)型光儲(chǔ)聯(lián)合電站的運(yùn)行目標(biāo)可分為平滑功率波動(dòng)與跟蹤計(jì)劃出力2類。光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的有功出力控制如圖5所示。假定光伏組件追蹤最大功率點(diǎn)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電量，在輻照度G下光伏場(chǎng)有功出力為Psolar，將Psolar經(jīng)一階慣性環(huán)節(jié)后的變化量作為儲(chǔ)能的平滑功率波動(dòng)目標(biāo)值Psmooth。將調(diào)度計(jì)劃指令值Psch與Psolar的差值作為儲(chǔ)能的跟蹤計(jì)劃出力目標(biāo)值Ptrack，通過模式選擇開關(guān)切換儲(chǔ)能運(yùn)行目標(biāo)?？紤]到降低儲(chǔ)能動(dòng)作次數(shù)以延長(zhǎng)壽命，設(shè)置儲(chǔ)能啟動(dòng)死區(qū)。將目標(biāo)功率值Pdif與儲(chǔ)能出力值Pb的差值進(jìn)行PI控制?？紤]儲(chǔ)能的實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)SOC，當(dāng)計(jì)算的儲(chǔ)能擬出力值將導(dǎo)致儲(chǔ)能荷電狀態(tài)SOC越限時(shí)，控制儲(chǔ)能停止出力以保護(hù)電池，否則將儲(chǔ)能有功出力參考信號(hào)Pb_ref送入儲(chǔ)能控制單元。

3.2 站級(jí)功率控制器PPC運(yùn)行仿真

某大型光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電站總裝機(jī)容量為240 MW，其接線示意如圖6所示。其中，光伏電站裝機(jī)容量為200 MW，由200個(gè)1 MWp光伏子陣組成，每4個(gè)光伏子陣設(shè)置1臺(tái)4 MVA 0.65/35 kV升壓變將光伏子陣出口電壓升至35 kV，隨后通過集電線路匯流，在匯集站經(jīng)35 kV/220 kV主變壓器升壓后并入電網(wǎng)；根據(jù)大規(guī)模新能源電站儲(chǔ)能容量規(guī)劃與仿真建模方法[10-11]，配置儲(chǔ)能功率為風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)功率的20%，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為0.5 h，即電池儲(chǔ)能容量為40 MW/20 MWh。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由20個(gè)容量為2 MW/1 MWh的儲(chǔ)能單元組成，儲(chǔ)能在匯集站主變壓器35 kV側(cè)接入系統(tǒng)；此外，在35/220 kV升壓站內(nèi)配置SVG無功補(bǔ)償裝置。

圖6 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)接線示意圖

3.2.1 爬坡率控制仿真結(jié)果

在爬坡率控制模式下，光儲(chǔ)聯(lián)合電站仿真時(shí)長(zhǎng)定為20 s，仿真步長(zhǎng)Δt為10μ s?？刂铺?yáng)輻照度在900 W/m2附近以±200 W/m2隨機(jī)變化，以模擬自然工況。站級(jí)功率控制器PPC控制光伏系統(tǒng)工作于最大功率跟蹤MPPT模式以最大限度利用太陽(yáng)能，同時(shí)實(shí)時(shí)控制儲(chǔ)能出力，以最大限度減少光儲(chǔ)聯(lián)合出力爬坡率，平抑光伏間歇性波動(dòng)。

光儲(chǔ)聯(lián)合出力在爬坡率控制模式下的仿真結(jié)果如圖7所示，當(dāng)t=0.5 s時(shí)啟動(dòng)光伏系統(tǒng)，光伏出力隨光照波動(dòng)而波動(dòng)，光伏出力與光照變化對(duì)應(yīng)良好，光伏出力在[150 MW, 200 MW]之間波動(dòng)。儲(chǔ)能在光伏波峰時(shí)充電，在光伏波谷時(shí)放電，使得光儲(chǔ)聯(lián)合出力波動(dòng)率降低，在仿真20 s內(nèi)，儲(chǔ)能荷電狀態(tài)SOC在初始值80%附近小幅變化。結(jié)果表明：通過站級(jí)功率控制器PPC的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)了光儲(chǔ)聯(lián)合出力的爬坡率控制。

圖7 爬坡率控制模式下光儲(chǔ)聯(lián)合電站出力仿真

3.2.2 定功率控制仿真結(jié)果

在定功率控制模式下，光儲(chǔ)聯(lián)合電站仿真時(shí)長(zhǎng)仍為20 s，仿真步長(zhǎng)Δt為10μs。控制太陽(yáng)輻照度在900 W/m2附近以±200 W/m2隨機(jī)變化。設(shè)定電網(wǎng)調(diào)度指令為170 MW，站級(jí)功率控制器PPC控制光伏系統(tǒng)工作于最大功率跟蹤MPPT模式以最大限度利用太陽(yáng)能，同時(shí)實(shí)時(shí)控制儲(chǔ)能出力，使得光儲(chǔ)聯(lián)合出力最大限度跟蹤電網(wǎng)調(diào)度指令值。

光儲(chǔ)聯(lián)合出力在定功率控制模式下的仿真結(jié)果如圖8所示，當(dāng)t=0.5 s時(shí)啟動(dòng)光伏系統(tǒng)，在t=2～4 s時(shí)段光伏出力隨光照下降而下降，站級(jí)功率控制器PPC控制儲(chǔ)能快速放電以彌補(bǔ)功率缺額，在t=4～20 s時(shí)段光伏出力高于電網(wǎng)調(diào)度指令，站級(jí)功率控制器PPC控制儲(chǔ)能持續(xù)充電，并根據(jù)光伏出力實(shí)時(shí)調(diào)整儲(chǔ)能充電功率。在仿真20 s內(nèi)，儲(chǔ)能荷電狀態(tài)SOC在初始值80%附近小幅變化。結(jié)果表明：通過站級(jí)功率控制器PPC的協(xié)調(diào)控制功能，實(shí)現(xiàn)了光儲(chǔ)聯(lián)合出力的定功率控制。

圖8 定功率控制模式下光儲(chǔ)聯(lián)合電站出力仿真

4 結(jié)語(yǔ)

光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電站是一種新型并網(wǎng)光伏電站設(shè)計(jì)方案，通過在光伏場(chǎng)站配置儲(chǔ)能系統(tǒng)與無功補(bǔ)償裝置，可以有效提升電站可調(diào)度性。光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)通過站級(jí)功率控制器PPC實(shí)現(xiàn)電站內(nèi)部光伏、儲(chǔ)能與無功補(bǔ)償裝置的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)定功率控制、爬坡率控制、有功/頻率調(diào)節(jié)、無功/電壓調(diào)節(jié)等功能，同時(shí)提升電站在故障狀態(tài)下的穿越能力。仿真結(jié)果表明：通過預(yù)先設(shè)置PPC控制邏輯算法，光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)出力可控與調(diào)度靈活。