光伏发电站动态无功电压测试方法研究

蔡德胜　王峰　於涛　居正山　刘家严

摘要：新能源高比例接入电网难免引起电网局部电压波动，鉴于此，提出了光伏发电站动态无功电压测试方法，将光伏发电站内多集电线路发电单元分为两组，第一组作为光伏发电站母线电压暂态激励源，第二组作为电站恒电压控制源，通过控制第一组无功出力产生瞬时电压跌落或抬升，第二组所在的控制系统感知到母线电压波动后产生相反的无功出力，进而测试光伏发电站第二组集电线路发电单元的动态无功电压响应性能，再通过颠倒两组的运行角色来测试第一组集电线路发电单元的动态无功电压响应性能。该方法可以降低光伏发电站动态无功电压测试难度，提高新能源并网测试的效率。

关键词：光伏发电站;集电线路;逆变器;动态无功电压补偿;试验方案

中图分类号：TM761+.12    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）06-0020-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.06.006

0    引言

近年来，我国新能源产业发展迅速，并网设计方案中要求新能源并网前需进行相关试验验证，确定并网条件。现阶段设计标准中要求光伏发电站具备动态无功电压支撑能力[1]，其中动态无功电压支撑无功源包括动态无功装置和新能源发电单元。新能源发电站中采用动态无功装置作为无功源参与电网动态无功支撑时，多采用文献[2]的方案进行测试，即在并网点部署电压波动模拟装置作为无功激励源来验证动态无功补偿装置的动态无功电压支撑电网的性能，该方法中的电压波动模拟装置属于测试设备，测试中需要与并网断路器连接，涉及高压接线，危险程度高，对测试人员的专业水平要求较高。文献[3]对采用变压器抽头注入式无功补偿系统的机理进行了研究，以提高电源侧功率因数和母线电压水平，可以将其工作原理引入新能源升压变侧来测试新能源发电站动态无功电压性能，该方案虽然无须额外增加一次设备，但不具备普适性，其在新能源发电并网具备升压站的场景可以应用，但不适用于新能源容量较小的电站采用低压并网的场景。文献[4]搭建了10 kV一体化检测试验系统，用于10 kV变台一、二次设备一体化检测试验，虽然该方案主要应用于10 kV配网侧，但其基本原理可以引用至电压等级更高的新能源接入的变电站中进行新能源场站的动态无功电压性能测试，不过其响应时间为百毫秒级，测试工装无法满足目前新能源场站30 ms内完成动态无功电压性能测试的要求[5]。

基于上述方案及其存在的问题，本文从新能源发电自身的特点出发，利用新能源发电站发电单元分散部署的特点，将多集电线路分组，采用组间互测方法完成新能源场站动态无功电压响应性能的测试，本方案无须增加其他一次设备或系统，具有更好的可操作性。

1    平台设计

本文的研究目的在于在不增加光伏发电站一次设备投入的情况下，借用新能源现有发电设备完成光伏发电站动态无功电压性能评估，测试平台的建设包括动态无功电压激励源构建、被测试对象构建及测试方法。

1.1    通信机制

在构建动态无功电压激励源前，需对光伏发电站现有通信机制进行修改，将现阶段采用TCP/IP协议交互的通信方式修改为组播GOOSE协议交互，這种通信机制的修改本身对新能源参与电网调频调压具有促进作用，可以大大提升新能源参与电网调频调压的响应性能。图1（a）为现阶段光伏发电站功率控制路径通信拓扑，图1（b）为现阶段采用TCP/IP通信机制的交互原理示意图，图1（c）为采用组播GOOSE协议后的交互机制，通信交互机制修改后功率控制设备与逆变器通信时间缩短为原来的，其中nm为光伏发电站逆变器数量;同时功率控制设备功率控制指令在嵌入式操作系统下优化后的处理时间为微秒级，光伏发电站功率控制时间近似为控制指令在光纤链路上的传输时间，组播GOOSE报文按照最大MTU计算，百兆通信带宽下通信时间约为12.3 ms，逆变器本地进行无功解环后无功响应时间小于30 ms，即从功率控制设备下发指令至逆变器无功响应到目标值90%的时间不大于30 ms。

1.2    动态无功电压激励源及被测对象构建

激励源与被测对象的构建，为了能够较大裕度地反映光伏发电站无功电压控制能力，本方案采用1/2容量配比原则，即激励源与被测对象的容量比为1：1，在光伏发电站为多集电线路时，根据集电线路近似1：1原则进行逻辑划分，在光伏发电站多集电线路不能按照近似1：1原则划分或单集电线路时按照容量的1/2进行逻辑划分，如图2所示。

如图2（a）所示，在集电线路平衡方式中，直接根据图2（c）按集电线路规划;如图2（b）所示，在非平衡多集电线路方式中，按照图2（d）所示的容量规划，其中dsGOOSE1为激励控制块，dsGOOSE2为电压控制块。

2    平台架构

2.1    平衡方式平台

如图3（a）所示，在集电线路平衡方式中，功率控制回路侧，光伏发电站高压侧PT、CT信号接入电压控制设备，电压控制设备工作为恒电压模式，通过通信网络与集电线路所有逆变器组网，通过dsGOOSE2控制块通信。测试平台侧，激励控制通过通信网络与集电线路所有逆变器组网，通过dsGOOSE1控制块通信，光伏发电站高压侧PT、CT信号接入数据记录仪，用于观察光伏发电站电压波动状态评估测试结果。每组测试分为两个阶段，第一阶段测试s3和s4的响应性能，第二阶段测试s1和s2的响应性能。

在第一阶段测试中，将#1和#2集电线路作为无功激励源，#3和#4集电线路作为电压控制源，其中#1和#2集电线路下所有逆变器建模文件订阅dsGOOSE1控制块，#3和#4集电线路下所有逆变器建模文件订阅dsGOOSE2控制块。

在第二阶段测试中，将#3和#4集电线路作为无功激励源，#1和#2集电线路作为电压控制源，其中#1和#2集电线路下所有逆变器建模文件订阅dsGOOSE2控制块，#3和#4集电线路下所有逆变器建模文件订阅dsGOOSE1控制块。

2.2    非平衡方式平台

如图3（b）所示，在集电线路非平衡方式中，电压控制设备及测试平台侧架构与平衡方式相同，区别在于逆变器侧建模文件的细分。这里假设光伏发电站有n条集电线路，每条集电线路下接入逆变器数量各不相同，逆变器总数为m0=x+y+z。

在第一阶段测试中，参与激励控制的逆变器数量为mq=？骔m0/2」，参与电压控制的逆变器数量为mu=m0-mq，mq部分建模文件订阅dsGOOSE1，mu部分建模文件订阅dsGOOSE2。

在第二阶段测试中，mq部分建模文件订阅dsGOOSE2，mu部分建模文件订阅dsGOOSE1。

3    测试方法

3.1    测试步骤

基于动态无功电压激励源及被测对象的构建方式，在光伏发电站集控中心部署激励控制，该激励控制可以是电压控制设备，也可以是PC机运行的dsGOOSE1报文发送工具，激励控制通信接口接入光伏发电站监控系统网络。具体测试步骤如下：

（1）将光伏发电站并网点PT、CT接入录波器。

（2）评估光伏发电站无功调节能力：电压控制设备控制模式退出，激励控制投入，根据光伏发电站实时电压运行值UR，按步进+0.5 kV发送电压目标值，同时观察UR，当UR接近光伏发电站汇集母线电压等级所运行的上限值UH时停止评估，记录当前容性无功值作为上限无功值QC;然后从当前UR按步进-0.5 kV发送电压目标值，同时观察UR，当UR接近光伏发电站汇集母线电压等级所运行的下限值UL时停止评估，记录当前感性无功值作为下限无功值QL，获取光伏发电站无功调节区间[QL，QC]。

（3）电压控制设备投入恒电压模式，电压设定值为Uset，一般取值在UR左右，确保光伏逆变器不参与无功功率出力，激励控制设定为QC后发送dsGOOSE1，此时电压控制感知母线电压抬升后发送dsGOOSE2进行感性方向的无功调节，录波器记录测试过程电压曲线。

（4）离线分析电压曲线，获取一次暂态无功电压支撑指标数据ret1。

（5）激励控制设定为0后发送dsGOOSE1，释放激励源，此时电压控制感知母线电压跌落后发送dsGOOSE2进行容性方向的无功调节。

（6）重复步骤（4）获取第二次暂态无功电压支撑指标数据ret2。

（7）激励控制设定为QL后发送dsGOOSE1，此时电压控制感知母线电压继续跌落后发送dsGOOSE2进行感性方向的无功调节，录波器记录测试过程电压曲线。

（8）重复步骤（4）获取第三次暂态无功电压支撑指标数据ret3。

（9）激励控制设定为0后发送dsGOOSE1，释放激励源，此时电压控制感知母线电压抬升后发送dsGOOSE2进行容性方向的无功调节。

（10）重复步骤（4）获取第四次暂态无功电压支撑指标数据ret4。

（11）离线分析ret1～ret4数据，获取电压控制设备区域光伏无功电压支撑指标retA。

（12）将激励控制与电压控制设备对调，重复步骤（3）～步骤（11）获取retB。

（13）根据retA和retB计算单次光伏发电站无功电压支撑评估指标retPC1=retA+retB。

（14）重复步骤（3）～（13）多次评估获取retPC2，retPC3，…，retPCn，取中位数作为光伏发电站无功电压暂态评估指标retPC=retPCi。

3.2    测试指标确认边界条件

光伏发电站无功配置能力指标参照文献[5-6]。光伏发电站动态无功支撑指标参照文献[5]，其中动态无功补偿指标中动作死区电压为（0.2%～0.5%）UN，响应时间为无功补偿动作开始至无功调节达到无功调节量的90%的时间，调节时间为动作开始至母线电压达到稳态精度范围内的时间，其中稳态调節精度为0.5%UN[5]。

4    结语

本文提出了基于光伏发电站发电单元自身互调方案测试光伏发电站动态无功补偿电压指标的架构，给出了互调方案中的容量规划方法和测试步骤，无须额外增加一次设备的投入即可完成光伏发电站动态无功电压指标的评估，降低了光伏发电站动态无功电压评估难度，提升了评估效率和评估安全性，具有很好的应用推广价值。

[参考文献]

[1] 光伏发电站接入电力系统技术规定：GB/T 19964—2012[S].

[2] 吴蓓蓓，林小进，包斯嘉，等.一种光伏发电站动态无功性能测试方法和系统：CN201510828109.9[P].2021-04-30.

[3] 雷二涛，尹项根，陈玉，等.新型变压器抽头注入式无功补偿系统机理研究[J].中国电机工程学报，2017，37（13）：3920-3927.

[4] 吴晗序，马天琛，赵义松，等.基于一体化检测系统的10 kV变台无功补偿电容器组动态投切性能检测[J].供用电，2019，36（7）：52-56.

[5] 光伏发电站无功补偿技术规范：GB/T 29321—2012[S].

[6] 电力系统无功补偿配置技术原则：Q/GDW 212—2008[S].

收稿日期：2021-12-30

作者简介：蔡德胜（1985—），男，安徽金寨人，工程师，研究方向：新能源发电功率控制技术。