光伏发电智能监控系统的设计与实现

刘建勇+韩予+姜自强+侯伟+雒春林

摘要：本文提出了基于光伏电站并网点有功功率△P差额计算为核心的智能优化调节策略，利用光伏电站监控系统设定调节目标值，调控发电单元及光伏逆变器出力完成调控。对方案进行工程试验验证，该调节方案能够实现对光伏电站发电出力智能优化调控的调节目标，保证了区域配电网调度管理及安全运行。

关键词：光伏电站；并网点；差额计算；调节策略；调节目标值；光伏逆变器；配电网

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）07-0170-04

新能源、可再生能源接入电网是智能电网建设的重要组成，也是能源互联网发展的基础。近年来，太阳能光伏发电技术快速发展，光伏发电并网对配电网的影响也不断加深。现阶段开展的光伏电站建设方案中，光伏发电调节通过电网公司调度中心下发指令，经由远动通信通道，送达光伏电站中控系统对各发电单元、逆变器进行综合控制。该方案存在一些问题：电网调度人员需要人工参与光伏发电站的发电量控制，人工制定动态的发电计划，这样存在调控的滞后性问题；光伏电站并网发电单元增加到一定额度时，功率的扰动将会影响电网稳定；由于靠人工调节发电出力的方式经常会导致光伏电站并网变电站的降压变压器出现“逆功率”问题，对于降压变压器的寿命、继电保护配置等都带来了严重问题。上述问题严重制约太阳能光伏发电技术的发展。因此，迫切需要提出一种综合考虑经济性、实时性、电网物理约束等因素的调控方案来有效解决光伏电站接入配电网后的各种问题。

本文在综合考虑光伏电站有功功率调节实时性、经济性等因素的基础上，分析了现有光伏电站已有调节方案的利弊，提出光伏电站有功功率智能优化调节策略。同时针对调节策略的差额计算和逻辑流程进行数据分析，最终完成了光伏电站有功功率的有效调节，并通工程验证，证明了智能优化调节策略的合理性与可行性。

1 有功功率的调节策略

本文针对已有光伏电站与地区配电网之间负荷与发电的动态平衡方案，以及光伏发电经并网点上网有功功率控制调节方案进行探讨分析，得出适合光伏发电有功功率最优化的调节方案。

目前，光伏电站有功功率有3类典型的调节方案：

1.1 顺序调节的调控方案

该方案根据调度下发的功率调节限额或曲线，按顺序调节逆变器的有功功率输出，将并网点有功功率顺序分配给各逆变器承担，具有简单、可靠、易于实现的特点。但该方案调节响应速度慢，在配电网负荷快速变化时，系统的电能质量无法保证。

1.2 基于等功率调节的调控方案

该方案设置逆变器最佳工作区间（20%～80%），考虑电能质量、逆变器效率等因素，并且计算出最优工作逆变器个数及功率限额，另外，要求逆变器按相同的功率调节到目标值，能够保证电能质量和調节效率，从而大大增加了控制的灵活性并提高了调控速度。但这种方案没有综合统筹光伏发电和就地负荷的消纳平衡，降低了运行的经济性。

1.3 智能优化调节调控方案

该方案按照合适的调节容量，合理分配各逆变器的调节容量，智能选择少量逆变器接受调节，考虑到逆变器的调节速度的影响，制定出优化的调节策略。保证了光伏电站的经济优化运行及电能质量，调节响应速度快。在运行状态下动态实时调节，对于因短时气候变化及设备运行状态影响后能够及时响应。对于启停机控制，包括故障后重启，能够及时自动响应等特点。该调控方案的自治性、反应能力、自发行为等特点，完全满足光伏电站控制的需要。

本文以光伏电站监控系统作为平台，实现区域配电网负荷消纳和并网点有功功率调控。监控系统总共分三层，即电网调度层、管理层、就地层，通过电力通讯电缆及通讯网络组建完整控制和管理体系。三层控制结构如图1所示。

就地层由光伏电池阵列、汇流箱、逆变器、交流配电柜及35kV配电网组成，完成光伏电站有功功率就地消纳调节和电压层级升压的调节。

管理层由光伏电站监控系统组成，光伏电站监控系统具备有功功率连续平滑调节的能力，并能够参与系统的有功功率控制，设定调节功率目标值，根据目标值进行光伏逆变器出力调控、负荷的综合控制和调节。

调度层由远动设备及通道设备组成，完成地区调度数据和金阳光鉴衡数据上送，能够接收并自动执行调度机构下发的有功功率和有功功率变化的控制指令。

本系统具备参与电力系统调频和调峰的能力：电力系统事故或特殊运行方式下，按照电力系统调度机构指令降低光伏发电站的有功功率，以防止输电设备过载，确保电力系统稳定运行；当电力系统频率高于50.2Hz时，按照电力系统调度机构指令降低光伏电站的有功功率，严重情况下切除整个光伏电站；在电力系统事故或紧急情况下，若光伏发电站的运行危及电力系统安全稳定，电力系统调度机构应按规定暂时将光伏电站切除。

2 基于有功功率差额计算设计数学模型

2.1 差额计算模型

本监控系统采用核心计算公式如下：

式（1）中Δ为有功功率差额，为设定功率， 为并网点当前功率； 式（2）中是当前光伏电站各个发电单元出力之和，是配电网用电负荷有功功率；式（3）中limit设定限额的有功功率即调节精度。Δ是需要调节的有功功率差额，根据计算得出。是调度下发的计划设定功率值。并网点逆功率测控装置采集完成。limit根据参数设定计算每次调节的功率精度及调节的单位时间。

2.2 调节流程及功率调节分配原则

2.2.1 调节流程

监控系统的逻辑流程图如2所示。

首先，Δ对数值初始化分析，经逻辑判断得出是否调节结论；然后，对判断结论正逻辑执行调节指令，负逻辑返回初始化；最后，经控制指令完成发电单元逆变器出力的调节，并将调节后的数值返回初始化进行新一轮分析判断。

2.2.2 功率调节分配原则endprint

监控系统对各个发电单元及逆变器调节有相应的分配原则：（A）有功功率差额Δ>0上调，Δ<0下调；（B）发电单元按上调能力降序排列，分配功率差额（分配给相应的发电单元）；（C）发电单元下的逆变器按上调倍数降序排列（分配给相应的逆变器）；（D）发电单元的上调能力相等时，调节次数较少的先调；（E）逆变器的上调倍数相等时，调节次数较少的先调节。

2.3 智能优化功率调节目标

智能优化用功功率调节能够满足功率变化率的要求：满足1分钟和10分钟的有功功率变化的要求；多次调节达到设定有功功率输出；随光照强度变化动态调节有功功率输出。

智能优化用功功率调节能够满足快速降低有功功率的要求：根据目标有功功率输出一次调节到位；调节时可以考虑关停逆变器；调节时可以考虑增加发电单元投切操作。

3 案例分析

本文以安阳某工厂厂房屋顶光伏发电项目为例，进行实地实验验证。

3.1 工程方案

该项目总共10所厂房屋顶进行光伏电池板的安装，总发电容量20MWp。每个车间安装4台逆变器，单位逆变器500kW，监控系统安装于4号车间电气控制室。基本参数如表1所示。

该工程项目由厂房屋顶光伏发电设备、自备电站和工厂负荷设备三部分组成如图3所示。光伏发电经逆变器接入400V配电网，再经配变接入10kV配电网，经10kV网络接入35kV铸锻变低压侧，在35kV铁重线实现并網。并网点安装逆功率采集装置，实时监视并网点有功功率，完成当前功率的数据采集上送。

该工程逆变器设备通讯采用RS-485通信接口。逆变器与监控系统通讯采用通信转接方案，使用通讯管理机SGU-802装置将逆变器ModBus通讯协议转换成IEC-61850通讯协议，再经光电交换机接入监控系统的骨干网交换机，并网点有功功率测量装置经光交换机接入骨干网交换机。调度数据经由SIU-801装置处理完成，上送和接收地区调度数据，并且完成金阳光鉴衡数据的上送，如图4所示。

3.2 调节步骤

（1）功率差额Δ=2000kW>调节精度；（2）每30s执行一次，每次调节最大值不超过Plimit=1000/（60/30）=500kW（限额）；（3）Δ>0且Δ>limit，则功率限额Δ1=limit=500kW，功率上调；（4）计算各发电单元的上调能力：2#发电单元为3500kW，3#发电单元为2000kW，如图5所示；（5）发电单元上调倍数=int[分配给该发电单元的功率限额/调节步长]；（6）逆变器上调倍数=int[逆变器可上调最大幅度/调节步长]；（7）2#发电单元的上调能力3500>Δ1，2#发电单元的上调倍数=int[Δ1/5（调节步长）]=100；（8）2#发电单元的功率限额=倍数100*步长5=500；（9）则第一轮：2#发电单元将500kW的功率限额分配给下属的逆变器，如图5所示；（10）逆变器按上调倍数降序排列进行调节，10-1的上调倍数=（400-200）/5=40<100。

3.3 结论分析

差额功率Δ>0满足调节条件，进行第一轮调节，第一轮调节由2#发电单元完成，分别有2-1，2-2，和10-2三组逆变器完成500kW功率调节，总有功由10500kW调节到11000kW，第二轮和第三轮也是2#发电单元完成，第四轮调节由3#发电单元三组逆变器完成500kW有功功率调节，四轮调节完成2000kW出力功率的上调。工程结论数据充分验证了智能优化调控调节方案的合理性和可行性，能够有效快速调节光伏电站发电有功功率。

4 结语

本文提出了一整套光伏电站并网有功功率智能优化调节策略，利用差额有功功率Δ计算结果，对发电单元及逆变器出力进行实时有效控制，在保证电网安全运行前提下，最大限度地利用光伏能源，同时兼顾光伏发电与负荷消纳的优化配置。通过安阳某工厂厂房屋顶光伏发电工程为案例，对并网点功率数据进行整合分析计算，优化调节方案，验证了智能优化调节策略的合理性与可行性。

参考文献

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