光伏发电站功率控制测试系统设计与开发

吴蓓蓓， 林小进， 包斯嘉， 刘美茵

(中国电力科学研究院新能源与储能运行控制国家重点实验室，北京 100192)

0 引 言

随着光伏发电站在电力系统中装机容量所占比例越来越大，其对电网的影响日益显著[1]。为保证电网的安全运行，国家标准GB/T 19964—2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》[2]和GB/T 29321—2012 《光伏发电站无功补偿技术规定》[3]中规定了光伏发电站应能够接收并自动执行电网调度机构下达的有功/无功控制指令。电力系统调度部门对光伏发电站的调峰调频以及电压支撑能力也有详细的性能要求，明确要求光伏发电站具有参与电网调度的能力，同时随着调度系统自动化的发展，调度部门将要求光伏发电站自动发电控制(AGC，Automatic Generation Control)系统和自动电压控制(AVC，Automatic Voltage Control)系统逐步接入电网调度系统，实现调度的一体化运行，提高电网安全。光伏发电站功率控制性能的好坏直接影响调度的可靠性和安全性。因而如何科学客观地评价光伏发电站功率控制性能成为大家研究的课题。

本文设计并开发了一种应用于光伏发电站功率控制的测试系统，通过实际测试应用，验证其性能良好。

1 功率控制测试现状

当前功率控制测试主要是通过人工直接给光伏发电站下达有功/无功控制指令，然后通过独立的测量装置采集和记录输出值，后期对数据再进行人工处理，从而得到光伏发电站的相关性能指标[4-8]。该方法具有以下几点不足：(1)主要是采用人工下达指令，没有将电网调度系统考虑到整个系统中来，因此无法准确测试光伏发电站的响应时间，后期接入到调度系统中，仍需对系统进行校核;(2)采用功率分析仪等零散仪器独立测量检测数据并记录存储，由于数据量较大，后期数据处理的工作量巨大，严重影响了测试的进度和效率;(3)人工数据处理过程中由于人为因素也增加了数据失真的风险;(4)整个测试过程较为繁琐, 测试周期延长、效率较低, 给发电系统的发电量带来一定的损失。

2 系统结构设计

2.1 工作原理

光伏发电站功率控制测试系统通过模拟调度单元对被测光伏发电站下达有功和无功功率值，并记录该指令值和下发时间；通过数据采集单元采集光伏发电站并网点电压和电流值；通过数据处理单元对数据进行计算分析，如图1所示。

图1 功率控制系统结构框图

2.2 功能设计

本系统是实现光伏发电站功率控制现场测试一体化运行的系统。系统功能结构如图2所示，包括：测试项目选择、模拟调度、数据采集、数据处理、异常报警、报告出具功能以及存储备份。

图2 测试系统功能结构图

2.3 硬件构成

测试系统硬件结构如图3所示, 主要由控制器、数据采集系统、通信接口、人机界面接口和输出I/O口[9]。

图3 硬件结构示意图

控制器是测试系统的核心部件, 主要负责生成光伏发电站有功/无功控制曲线，将控制指令输送到I/O口，以及对采集的数据进行处理分析 , 同时负责协调处理外界指令[10]。

数据采集系统主要采集光伏发电站并网点的输出电压电流信号。

人机界面接口负责对测试系统和人机界面的信息交换，用于人机互动，具有显示、输入指令的功能[11]。

通信接口负责对与光伏发电站的AVC和AGC系统进行通信, 进行控制和信息交换。该系统具有和调度系统一致的通信接口和通信协议，用于模拟调度系统的控制功能[12]。

输出I/O口将有功/无功指令信号输出。

3 系统软件设计

3.1 模拟调度功能设计

模拟调度单元能够模拟电力调度系统对光伏发电站的调度功能，具有与电站AGC和AVC系统通信能力，能够对电站进行控制。无功功率控制方面：具有多种无功控制模式，包括恒电压控制、恒功率因数控制和恒无功功率控制等。有功功率控制方面：能够对电站下达出力曲线。

3.2 自动测试过程设计

测试过程示意图如图4所示。针对被测对象制订测试方案，设定控制参数，下发到被测对象，然后采集被测对象响应数据，并进行计算分析和判断，生成报告。

测试方案中含多个测试项目时按照设计的先后顺序自动一次完成，每个测试案例的测试结果是通过，不影响下一个测试项目的进行。整个测试过程自动完成，无需人为干预。

图4 自动测试过程示意图

3.3 数据分析

图5 有功控制数据分析示意图

有功控制分析如图5所示。

有功功率响应时间tp,res的计算公式如下：

tp,res=tp,1-tp,0

(1)

式中:tp,0为设定值控制开始时刻或前一设定值控制结束时刻；tp,1为有功功率变化第一次达到设定阶跃值90%的时刻。

有功功率控制精度ΔP%的计算公式如下：

(2)

式中：Pset为设定的有功功率值；Pmes为实际测量每次阶跃后第二个1 min有功功率平均值。

无功功率响应时间和控制精度的计算方法与有功功率响应时间和控制精度的计算方法相同。

4 测试数据分析

选择某光伏发电站开展测试，该光伏发电站容量为30 MWp，无功配置6 Mvar，接入电压等级为35 kV。采用本测试系统测试和常规测试2种方式开展。光伏发电站当前出力P0为21 MWp。表1、表2分别为有功功率控制能力和无功功率控制能力测试数据。

表1 有功功率控制能力测试数据结果

表2 无功功率控制能力测试数据结果

通过对同一座光伏发电站采用2种测试方法来开展测试发现：

(1)在控制精度方面，2种方法在功率控制方面测试误差最大不大于1%，在响应时间方面测试误差最大不大于1 s，都在误差允许范围内，同时在功率控制响应时间方面完善了常规测试没有考虑调度环节的时间问题，响应时间测试更准确。结果表明，本系统能够有效地开展测试。

(2)相对于常规测试方法，采用本系统测试时，节省了人力，缩短了测试周期，提高了效率。

5 结束语

本文所设计的光伏发电站功率控制测试系统代替了直接在发电站AVC和AGC系统下发指令或者直接在逆变器和无功补偿装置上下发指令来进行测试。通过本测试系统实现光伏发电站功率控制测试的自动化，提高了测试效率和测试准确性，具有巨大的潜在经济效益，应用前景广阔。