新能源场站网源协调技术问题研究

刘辉，谢伟，李诚帅，郭绯阳

(河南九域恩湃电力技术有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

为解决全球突出的资源环境问题，国家提出了构建以新能源为主体的新型电力系统战略方向。宏观表现上，新型电力系统的特征是以新能源为主体、常规同步机组为辅，新型电力系统具有“高比例新能源、高比例电力电子设备”特性，在经济消纳和安全稳定运行等方面给传统电力系统的转型升级带来巨大挑战[1－3]。维持电力系统较高的稳定水平是保障电力能源安全的基础，由于新能源电力电子接口所固有的弱支撑性和低抗扰性，随着装机容量的快速增长，电力系统的频率、电压稳定性呈现下降趋势[4－6]。近年来，新能源高占比区域已发生多起电网大停电事故，众多学者认为应从控制策略层面加强新能源的涉网性能，要求新能源的控制和运行发生根本性转变，从对电网安全的“被动跟随” 转变为 “主动支撑”[7－10]。文献[11]中，将接入35 kV及以上电压等级的新能源和常规机组统称为电源，提出了原则上一致的耐受性要求。文献[12]对新能源场站的涉网技术管理及涉网试验也做了明确的要求。

目前国内外研究主要集中于如何提升新能源电力电子设备的控制技术[13－15]，但是对于相关技术推广应用过程中存在的实际问题研究较少。对新能源场站的网源协调技术落地实施过程中存在的问题进行研究和分析，不仅有助于降低电网安全风险，还对电网友好型控制技术的发展方向提供一定程度的指导。

本文根据多年来对新能源场站进行涉网试验及技术监督的经验，从网源协调的角度，对新能源场站涉网设备管理现状进行研究，并以试验数据为依据，对电网安全隐患最突出的涉网试验项目进行分析，探讨问题的原因及解决方案。

1 新能源场站网源协调技术管理问题

1.1 新能源场站涉网测试标准现状

新能源发展早期存在的电能质量不合格、电网适应性较弱、功率控制能力不足、低电压穿越能力缺失等多项技术问题如今已通过相关标准的修订逐步解决。但是由于新能源装机容量和技术更迭迅速，新能源场站的并网管理体系仍存在一些亟待完善之处。

1)相关性技术标准的数量多，部分标准内容存在交叉重叠，部分标准覆盖内容范围较窄。

2)标准修订周期较长，部分标准技术内容难以适应电网需求，例如GB/T 19964«光伏发电站接入电力系统技术规定»于2012年实施发布，缺少高电压穿越相关要求，且频率适应性的规定与当前电网需求不符。

3)部分标准规定的内容现场实施困难，难以保证在并网后半年内完成验证，不利于用户采纳。

1.2 涉网试验问题统计分析

1.2.1 电能质量问题

电能质量问题曾经在新能源快速发展初期频繁出现，造成并网点谐波干扰、电压波动和闪变，这与早期风机变流器和光伏逆变器技术不成熟以及技术要求不完善有关，随着GB/T 37408«光伏并网逆变器技术要求»等型式试验标准的实施，现场试验过程中发现的电能质量问题逐渐减少。

1.2.2 有功无功电压控制能力

有功功率控制能力测试包括各种运行方式下有功功率的变化速率以及通过AGC系统发出阶跃指令测试有功功率的响应特性。无功电压控制能力测试是通过AVC系统下发无功功率或电压指令，测试场站的响应特性是否符合标准要求。

上述测试结果不仅取决于新能源控制系统的性能，还受AGC/AVC系统以及通讯条件的约束，因此现场试验时经常出现不符合标准的情况。

1.2.3 无功补偿装置性能

传统电容器组无功补偿装置响应时间较长，近年来改造后普遍配备有SVG，在现场主要对SVG的最大调节能力、调节精度、控制模式切换以及响应特性进行测试。在2020年以前，SVG厂家众多，产品质量及服务良莠不齐，现场试验中发现大部分场站存在SVG参数设置不合理或性能不达标的情况，随着技术的不断成熟，该问题正逐步得到解决。

1.2.4 故障穿越能力及电网适应性

由于高低穿测试设备体积大，造价昂贵，且现场试验难度大耗时长，另外并网设备在型式试验时已进行该类测试，所以故障穿越能力及电网适应性测试在不少区域并未按照标准进行。根据现场试验数据分析，并网后进行现场测试的场站均有不同程度的与标准要求不符的情况，而新能源的故障穿越能力及电网适应性会直接影响故障的连锁发展过程，对于电网安全稳定的影响不容忽视，因此这两项试验项目是当前新能源并网管理的薄弱点，需要重点关注。

2 故障穿越及适应性问题分析

故障穿越能力及电网适应性项目是当前新能源场站涉网管理过程中安全隐患最为突出的环节，因此对将现场试验中发现的问题分类讨论。

2.1 故障期间或恢复期间脱网

某组串式光伏逆变器，额定容量208 kW，在轻载工况下对其中两台逆变器并联进行高电压穿越现场测试，试验接线及过程严格按照相关标准进行，1.3倍电压穿越试验结果如图1所示。

图1 1.3倍电压穿越试验录波图

从试验结果可以看出，1.3 p.u.的电压持续500 ms期间，有功功率先降低后升高，从电网大幅吸收无功功率，逆变器未脱网保持继续运行，但是故障恢复约400 ms以后，输出有功功率从200 kW降至0 kW，逆变器保护动作停机。

在轻载工况下对其中两台逆变器并联进行低电压穿越现场测试，试验接线及过程严格按照相关标准进行，零电压穿越试验结果如图2所示。

图2 零电压穿越试验录波图

从试验结果可以看出，逆变器出口电压从1.0 p.u.降至0 p.u.的电压持续150 ms期间，有功功率也下降，无功功率基本不变，逆变器未脱网保持继续运行。故障恢复期间，有功功率恢复至78 kW，无功功率为－33 kvar，逆变器保护动作，1 s后相继脱网。

2.2 有功功率恢复速率不足

某集中式光伏逆变器，额定容量3.2 MW，在重载工况下进行低电压穿越现场测试，试验接线及过程严格按照相关标准进行，0.2倍电压穿越试验结果如图3所示。

图3 0.2倍电压穿越试验录波图

从试验结果可以看出，0.2 p.u.的电压持续625 ms期间，有功功率先降低后恢复，从电网大幅输出无功功率，逆变器未脱网保持继续运行。故障恢复后，无功功率降至故障前，有功功率从0.14 MW恢复至2.24 MW所用时间为3.37 s，恢复速度为0.62 MW/s，而根据标准要求，故障后有功功率恢复速度应大于0.96 MW/s。

2.3 动态无功支撑能力不足

某集中式光伏逆变器，额定容量3.2 MW，在重载工况下进行低电压穿越现场测试，试验接线及过程严格按照相关标准进行，0.2倍电压穿越试验结果如图4所示。

从试验结果可以看出，0.2 p.u.的电压持续625 ms期间，有功功率先降低后恢复，逆变器未脱网保持继续运行。按相关标准要求，逆变器输出的无功电流应满足公式(1)。

其中，IN为逆变器交流测额定电流；UT为逆变器交流侧实际电压标幺值。即低电压穿越期间逆变器应提供足够的无功功率支撑，从图4可以看出，故障期间反而从网侧吸收300 kvar的无功功率，且故障恢复瞬间，无功功率波动存在－1 300 kvar的反调峰值。

2.4 频率适应性不足

某组串式光伏逆变器，额定容量215 kW，在轻载工况下对其中两台逆变器并联进行频率适应性现场测试，试验接线及过程严格按照相关标准进行，试验结果如图5所示。

图5 频率适应性录波图

在试验过程中，电压幅值稳定在额定电压不变，频率从50 Hz阶跃降为48.05 Hz，频率阶跃下降84 s后，箱变高压侧有功功率从99 kW下降至48 kW，其中一台逆变器停机，又经过80 s，箱变高压侧有功功率从48 kW下降至0 kW，另外一台逆变器也停机。依据网源协调相关标准的规定，逆变器应能够在48.05 Hz的频率下维持10 min，其频率耐受能力原则上应与常规机组一致。

3 原因分析及优化措施

根据新能源并网设备的涉网管理流程，在设备获得并网许可之前应进行包括故障穿越测试在内的各项型式试验。对型式试验合格但是现场抽检过程中却经常出现的上述问题进行原因分析，并对当前新能源并网管理流程提出优化建议。

3.1 参数整定不当

由于现在新能源相关标准较多，不同国家地区所采用标准不一致，因此不少厂家的控制器中，许多内部保护相关的参数被设置为用户可更改，例如低电压穿越曲线幅值及时间、高电压穿越曲线幅值及时间、频率保护上限和频率保护下限等。

新能源场站涉网性能问题不仅存在管理盲区，还存在一定的技术盲区，风电场和光伏电站设备安装调试完成后，厂家售后人员和新能源场站人员均缺乏根据当地电网情况整定参数的责任或技术能力，相关参数经常为不具备抗扰动能力的默认初始值。

图1所示高电压穿越问题、图2所示低电压穿越问题以及图5所示的频率适应性问题就是一种典型的参数整定错误案例，将该逆变器控制器频率保护下限动作值及动作时间更改后再次进行测试，能够在48.05 Hz的频率下维持10 min以上，满足相关标准要求。

3.2 控制器程序问题

电力电子设备与常规电机类设备的显著区别是:其电气性能不仅受硬件参数影响，还受控制策略的影响。在进行型式试验时，其控制策略偏向于满足涉网性能而忽略对元器件寿命的影响，现场实际应用的控制程序可能会进行参数修改和升级，造成现场的故障穿越能力抽检数据出现与型式试验结果不一致的情况。图4所示的动态无功支撑能力不足问题，为典型的控制器程序变动导致的涉网性能缺陷。

根据网源协调管理现状，多数地区简单地将逆变器/变流器的型式试验结果视为判断涉网性能的依据，忽视了设备在现场运行过程中升级改造对故障穿越能力造成的影响，给电力系统安全稳定运行造成一定的隐患。

3.3 硬件故障问题

图3所示的有功恢复速率不足问题为典型的硬件参数不匹配引起的问题，在现场测量该逆变器直流环节电容参数时发现，直流侧电容参数相对标称参数差异较大，导致故障恢复期间有功电流变化率过慢，有功功率恢复速度无法满足标准要求。将电容更换后在相同的试验条件下重复测试，试验结果大大改善。

3.4 优化措施

1)网源协调管理涉及调度、发电、试验、制造、设计等多个部门，隶属关系复杂，自从厂网分离改革以后，原有的管理链条被切断，容易出现管理盲区。因此相关管理部门应重视标准体系的建设，逐步完善管理环节中各单位职责。

2)加强新能源场站的技术监督及现场试验管理，新能源场站应配合管理部门严格按照标准进行现场试验，尤其是影响电力系统故障连锁演化过程的故障穿越及电网适应性项目。

3)针对网源协调管理过程中存在技术盲区的情况，各单位应加强网源协调相关技术培训，从技术层面提高相关标准和措施的实施力度。

4)变流器或逆变器厂家应配合相关单位建立设备的电磁暂态模型，并提供开放的接口供电网调度部门整定参数。

4 结论

通过对近年来新能源场站涉网试验数据进行研究，对网源协调管理过程中新能源场站试验项目实施现状进行了总结分析，指出近年来网源协调技术管理环节中故障穿越及电网适应性问题较为突出，后续应予以重视。对型式试验合格但是现场抽检过程中屡次出现的问题进行归类讨论，如故障或恢复期间脱网、有功功率恢复速率不足、动态无功支撑不足和频率适应性不足等问题，从网源协调过程管理的角度分析问题原因，并从管理层面和技术层面提出相应的改进措施，有助于加强新能源场站涉网性能，降低大量新能源对电力系统稳定性的不利影响。