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光伏電站可靠并网运行的“保护神”

添加時間:2020-04-03 09:26:03   浏览次数: 次   出处: 科技日报    【 】   打印   關閉窗口

        这是一片光的海洋。

  在青海省海南州共和縣龍羊峽水電站八公里處,蒼茫的戈壁灘上,你會看到荒漠中一望無垠的太陽能發電板面朝南方,微微昂頭,接受太陽的光輝,釋放着綠色能源。

  这是全球最大的水光互补光伏電站——百兆瓦國家級太陽能發電實證基地,項目佔地近10平方公里,總裝機容量170萬千瓦的一座座光伏電站在大地傲然挺立。

  這只是我國近年來大力發展光伏發電的一個縮影。如今,從柴達木盆地到共和塔拉灘,從格爾木到敦煌,在西部遼闊的戈壁灘上架起的一塊塊深藍色光伏電板,如根植在大地上的“绿色庄稼”,每天不停地“追光逐日”,把豐富的太陽能轉換爲綠色發展的經濟新動能。

  国家能源局的统计数据显示,2017年1—11月,我國光伏發電量達1069億千瓦時,同比增長72%,光伏發電量佔全部發電量的比重同比增加0.7%,光伏年發電量首超1000億千瓦時。

  “今年光伏裝機容量將超過風電,預計2020年,光伏加風電將超過水電,成爲我國的第二大能源。”中國電力科學研究院新能源研究中心副主任劉純告訴記者。

  然而,就在七八年前,光伏发电还被称为“垃圾电”。这是因为太阳能发电有着巨大的波动性和“白天忙晚上歇”的先天不足。光伏電站的這種波動性和間歇性運轉方式對電網調峯帶來很多不利影響,所以光伏發電被稱爲“垃圾电”。

  爲了加速我國光伏電站的發展,解決我國電網安全與光伏規模化併網的矛盾,突破規模化光伏併網運行控制關鍵技術,劉純帶領項目團隊在國家863計劃課題和國家電網公司科技項目的支持下,通過自主創新,突破了併網控制、電能質量治理、整體低電壓穿越三大關鍵技術,形成了一批具有自主知識產權的技術成果,提高了光伏發電產業的核心競爭力,促進了國內光伏發電的產業化和規模化發展。在2017年北京市科學技術獎評選中,該項目榮獲二等獎。

  光伏不能重走風電的老路

  我國一直是光伏大國,但在2011年以前只能算是製造大國。

  “2011年,我國的風電產業已快速發展,而此時我國的光伏發電產業剛起步。”刘纯告诉记者,“當時全球都是分佈式光伏,而我國的特點是大規模集中式開發、遠距離傳輸,面臨着國外沒有的挑戰。”

  與煤電相比,光伏發電主要受到太陽的影響,因此它的“出力”不像常規發電那樣可控,呈現出一定的波動性和間歇性,如此不穩定的電源接入到電網,勢必對電網的安全穩定產生一定的影響。

  “光伏發電有很強的隨機性,靠天吃飯,如果碰上陰天、霧霾、灰塵等情況,就會影響發電效率。”刘纯说。

  光伏發電中有一個重要的設備——逆變器,它包含很多電力電子元件,在大量逆變器通過串並聯接入電網後,會產生一定的諧波,影響電網的電能質量,使電網電力不那麼“纯净”。

  “光伏發出的是直流電,逆變器的任務是把直流電變成交流電輸送到電網,其功率器件採用和CPU一樣的硅半導體材料製造,抗過載能力很低,一有風吹草動就不行。”劉純認爲,光伏發電的抗干擾能力較弱,在電網發生故障等異常情況下,很容易發生脫網行爲,對電網的供電安全性和可靠性造成不良的影響。

  2011年,風電出現了大規模脫網事故,引起了行業內外對光伏併網技術的擔憂。於是在國家“十二五”規劃863重大專項中提出了一個課題:大型光伏電站併網關鍵技術研究。

  “光伏不能重走风电的老路。”劉純告訴記者,光伏要想成爲主力電源,必須要和電網建設、負荷需求統籌考慮,如果光伏發展到一定規模,電壓和電能質量都有可能出現問題。

  “光伏電站閉網技術就是通過與光伏與電網的協同控制技術,保證光伏和電網的安全穩定運行。”刘纯介绍说,“大型光伏电站并网关键技术研究”这个项目就是为解决大型光伏电站并网面临的“运行控制、电能质量和低电压穿越”等技術問題,依託示範工程,開展技術攻關,掌握大型光伏電站與電網相互影響機理,研發“逆变器—辅助装置—光伏电站”各個環節有機結合的綜合協調控制系統,並實現工程示範應用,指導我國大型光伏電站的開發建設。

  穩定分析仿真平臺保障併網穩定

  在電網出現擾動故障時,光伏電站需保持併網運行,併爲電網提供支撐,保證系統的穩定運行,以防止事故進一步擴大,造成大面積的停電。

  對此,項目團隊根據各類光伏組件和逆變器的運行特性,在充分考慮輻照度和溫度的隨機性分佈對光伏電站出力影響的基礎上,建立大型光伏電站的穩態和暫態數學模型,然後在仿真軟件中實現,爲大型光伏電站併網關鍵技術奠定研究基礎。

  據瞭解,這個光伏發電模型可進行潮流、機電暫態、電磁暫態、電能質量、長過程動態仿真計算等,具有應用範圍廣、仿真精度高、速度快、仿真模塊齊全、操作簡捷等特點。

  “光伏發電穩定分析仿真平臺,完成了青海、西藏、寧夏等省(區)的光伏發電接納能力研究,並對光伏電站併網提出了技術要求,保障了我國大規模光伏併網後的安全穩定運行。”刘纯说。

  基於項目的研究成果,結合我國電網實際情況,制訂了2項國家/行業標準,規範和指導了我國光伏發電併網技術要求及測試評價規範,對我國光伏發電併網技術標準進行了有效提升,對保障光伏發電安全運行、促進光伏發電消納具有極其重要的作用。

  有六大功能的“全能大脑”

  光伏逆变器作为电站的“大脑”,不但肩負着直流變交流的重任,還是電站響應電網需求以及業主瞭解電站運行狀況的載體。

  光伏逆變器的核心任務是跟蹤光伏陣列的最大輸出功率,並將其能量以最小的變換損耗、最佳的電能質量饋入電網。

  “由於逆變器是串聯在光伏方陣和電網之間,逆變器的選擇將成爲光伏電站能否長期可靠運行的關鍵。”刘纯说。

  隨着裝機量的不斷增大,滲透率的不斷提高,對光伏系統併網性能的要求越來越高。大量分佈式光伏接入配電網,對配電網安全運行也將產生一定的影響。因此,作爲光伏系統與電網的接口,逆變器具有十分重要的作用,將直接影響光伏系統的併網性能。

  爲解決大型光伏電站對電網安全穩定和電能質量帶來的不利影響,項目團隊研製了一套具有多控制模式的逆變器。該多控制模式逆變器具有有功功率控制、無功功率調節、低頻振盪抑制、功—頻響應、低電壓穿越和緊急無功支撐能力6種功能。

  “這種集6種控制策略於一體的逆變器複合控制技術,使電站具備了電能質量調節、有功/無功調節、低電壓穿越、參與電網調峯調頻等六大功能,大大提高了光伏發電併網性能。”刘纯说。

  光伏電站接入電網環境千差萬別,部分末端電網相對較弱,電壓波動明顯,電能質量差。光伏系統併網甚至出現諧振脫網的現象。

  “以前電能質量只控制電壓,沒考慮到諧波。我們希望通過關鍵技術研究,解決光伏併網後的諧波和閃變等問題。”刘纯说。

  最後項目組在青海建成了一個百兆瓦的示範工程。“一次調試成功,測試結果與仿真結論完全吻合。電壓變化迅速跟蹤,控制精度極高。”刘纯说。

  項目團隊還提出了基於逆變器下垂控制的光伏電站分層無功電壓自適應控制技術,建立了基於控制在環實時仿真的光伏電站AVC系統研發試驗平臺,開發了基於逆變器的大型光伏電站AVC系統,具備了替代光伏電站SVC/SVG的能力,有效降低了光伏電站建設和運行成本。

  “以前光伏電站要配SVG,用來自動調節,現在把SVG取消,一百兆瓦電站就減少投資500萬元,運營費用每年減少100萬元,成本降低很多,並且提升了電站效率。”刘纯说。

  为我国光伏发展提供了有效支撑

  劉純告訴記者,該項目所形成的關鍵技術、裝置、系統在國內多個電網公司、光伏電站進行了推廣應用。“應用情況表明,在光伏電站的規劃、運行、控制等方面都起到了一定的促進作用,且具有良好的經濟效益。”

  項目建立的光伏發電穩定分析仿真平臺,從2012年開始應用,完成了青海、西藏等省(區)光伏發電年度及遠景年開發規模的滾動規劃調整,爲光伏發展規劃提供了技術支撐和決策依據,有效促進了光伏與電網的協調發展。

  項目提出的光伏電站整體低電壓穿越驗證技術,對多個百兆瓦光伏發電項目進行了低電壓穿越能力評價,驗證了光伏發電站具備國標要求的不脫網連續運行、無功支撐和快速有功功率恢復能力。

  而在關鍵設備的應用推廣上,項目研發的總容量4Mvar的電能質量綜合調節裝置在青海錫鐵山光伏電站開展了示範應用,該系統同時具備無功補償和諧波治理功能,通過相關測試,其無功電壓動態調節響應時間20毫秒,投運後有效提高電網電壓運行水平,並減少光伏電站的諧波輸出。

  項目研發的基於逆變器下垂控制的光伏發電AVC系統自2015年至2016年12月分別在錫鐵山光伏電站、安徽肥東百兆瓦光伏電站、國網北京市電力公司延慶電網地區進行了工程示範應用。光伏發電AVC系統可以充分利用光伏逆變器無功調節能力,在不需要額外無功補償設備的情況下,即可滿足光伏電站無功需求,在無功控制精度、無功響應時間、電網電壓控制精度及響應時間等各項指標均滿足國標的要求。

  “項目成果規範了我國光伏電站的規劃設計、併網運行和性能評價,保障了我國光伏飛速發展情況下未出現大面積脫網等嚴重事故。同時提高了我國光伏產業核心競爭力,推動了我國光伏產業的快速健康發展。”刘纯说,“簡單地說,我國光伏發電裝機5年增長了100倍,至今沒有出現脫網等大事故,就充分說明了項目的意義。”


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