广东电网集中式光伏发电厂涉网性能与运行特性分析

2022-01-12刘宇

光源与照明 2021年6期

刘宇

广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东广州 510600

0 引言

随着双碳目标的推进，广东地区光伏发电快速发展。截至2021年6月底，广东电网集中式光伏装机达4 480 MW，主要分布于粤西、粤北等地区。随着光伏等新能源接入规模的快速增加，部分影响电网安全稳定运行的问题凸显。首先，集中式光伏电站涉网标准和涉网管理体系亟待完善。其次，集中式光伏大规模接入后系统的无功调节、暂态稳定、动态稳定特性发生变化。最后，由于新能源出力的不确定性，大规模并网后系统调峰难度将进一步增加。为此，文章分析了集中式光伏电站相关标准适用情况，并梳理了广东地区电站对标准的依从性。同时，对于集中式光伏电站的运行特性，重点从有功、无功特性和系统稳定情况进行了分析，最后从调度与系统安全运行的角度提出相关建议。

1 光伏电站的涉网性能

国家标准《光伏发电厂接入电力系统技术规定》（GB/T 19964—2012）[1]（以下简称《系统技术规定》）、《光伏发电厂无功补偿技术规范》（GB/T 29321—2012）及《光伏发电站性能评估技术规范》（GB/T 39854—2021）等对于光伏发电厂的调频调峰能力、发电功率预测、无功容量配置、电压控制、低电压穿越能力、运行适应性、电能质量等涉网性能作出了规定。广东电网在此基础上编制了《集中式光伏电站并网服务手册》等文件，实现了设备型式试验、出厂验收、并网测试和运行维护的全流程技术标准管控，下文主要对光伏电站主要涉网性能进行分析。

1.1 无功配置与电压控制

光伏发电厂的主要无功源为光伏并网逆变器及厂站内的无功补偿装置。光伏发电厂应充分发挥并网逆变器的无功容量及调节能力，当逆变器无法满足电压调节要求时，应在厂站中配置无功补偿装置，并综合考虑光伏发电站各种出力水平以及接入系统后的各种运行工况下的暂态、动态过程，配置足够的动态无功补偿容量。

按照无功分层分区就地平衡的原则，光伏发电厂的容性无功容量应能补偿光伏发电厂满发时站内汇集线路、主变的感性无功以及并网点送出线路的一半感性无功之和，光伏发电厂的感性无功容量应能补偿厂站自身的充电无功及并网点送出线路的一半充电无功之和。选取广东电网2020年内某光伏大发时刻实际运行数据进行分析，统计全网集中式光伏电站无功平衡情况发现，有约13%的光伏电站容性无功配置不满足标准要求，主要是部分110 kV及以下电压等级接入的光伏电站，如表1所示。

表1 广东电网110 kV及以上集中式光伏电站无功补偿配置的情况

1.2 低电压穿越能力

光伏电站的低电压穿越能力是指并网点系统电压在一定的电压跌落范围和时间间隔内，光伏电站能够维持运行而不脱离电网，并为系统提供一定的有功无功支撑[2]。较强的穿越能力可增强故障下系统的稳定性，并且可避免过渡过程中光伏电站频繁并网造成的冲击。《系统技术规定》规定光伏电站并网点电压跌落至零时，光伏电站应能不脱网连续运行0.15 s，如图1所示，其中曲线1以上部分能够连续运行。

图1 相关标准对光伏电站低电压穿越能力的要求

2 光伏电站运行特性

由于光伏电站出力大幅随机波动，会对电网的有功、无功平衡造成冲击，对电网的一、二次调频和备用管理策略将构成新的挑战。同时，由于光伏电源是静止元件，本身无功角稳定问题，但其无法为系统提供转动惯量，减小了系统等效转动惯量，则光伏接入后系统功角稳定性会发生改变，从而将降低系统应对功率缺额的能力。因此，在光伏电站运行中应重点关注其有功出力特性、无功电压运行特性、系统暂态稳定性、系统动态稳定性等问题。

2.1 有功出力特性

光伏电源的有功出力受太阳光照强度、气压、温度等多种因素影响，可用式（1）描述[3]：

式中：η为太阳能电池转化效率；S为光伏阵列面积，m2；I为太阳辐射强度，kW/m2；t0为环境温度，℃。

光伏电源的出力预测按时间尺度可分为超短期预测、短期预测和中长期预测。超短期预测主要指未来0～4 h内的出力预测，预测值的时间分辨率在1～15 min内，主要用于指导电网实时调度。短期预测指未来几日内的出力预测，主要用于指导电网日前发电计划安排。中长期预测指未来一个月至数年内的整体出力预测，主要用于安排年度检修计划和光伏电站规划选址。相关标准规定光伏发电站应每15 min向调度机构自动报送未来15 min～4 h出力预测曲线，预测时间分辨率为15 min。日前需向调度机构报送次日0～24 h出力预测曲线，预测时间分辨率同样为15 min。目前，国内光伏电站超短期出力预测主要使用统计方法或物理方法开展，统计方法主要依据实时天气数据、历史天气数据、历史出力曲线等，通过神经网络等算法开展预测。物理方法通过对光伏板、逆变器进行建模，并依据超短期天气预测数据得出预测数据。

2.2 无功电压运行特性

使用PSD-BPA仿真计算软件对风光大发方式下广东电网无功电压特性进行分析。在目前有限的新能源接入规模下，新能源机组对于主网总体电压水平影响较小，但局部地区电压问题已经开始显现。在新能源理论大发方式下，清远地区贤令山片整体电压水平下降，阳山站和安峰站电压分别较夏大方式下降2.0 kV和2.2 kV。这是由于该片区的安峰、阳山、保城、星子光伏等站点接入较大规模的风电场及光伏电站，总容量为540 MW。在新能源理论大发方式下，贤令山由下送162 MW变为上送436 MW。湛江、阳江、茂名、韶关地区新能源接入量分别为1 183 MW、1 558 MW、305 MW、565 MW，在新能源理论大发方式下，港城、茂名、蝶岭、回隆、曲江下送功率大幅下降甚至反送，港城和茂名电压分别上升2.4 kV和2.3 kV，整体上电压在可控范围内。下一步需重点关注包括光伏在内的新能源大规模接入后电网无功平衡与潮流的控制。

2.3 系统暂态稳定特性

针对新能源集中的湛江、茂名、阳江、清远等地区使用PSD-BPA软件开展暂态稳定计算，其中对于220 kV送出的光伏电站（现有网架均为单线送出）厂站侧设置单瞬故障，对于110 kV新能源集中上网地区的220 kV线路（如伏闻甲乙线、醒伏甲乙线等）设置三相短路N-2故障，故障均设置在两侧厂站出口处。稳定计算发现，上述故障后系统均能保持稳定，故障期间无新能源脱网情况。但由于PSD-BPA为机电暂态仿真软件，无法对电力电子器件的电磁暂态过程进行仿真，下一步应进一步完善光伏电源电磁暂态模型，关注高比例新能源渗透下的电力系统电磁暂态问题。