光伏电站可靠并网运行的“保护神”

这是一片光的海洋。

在青海省海南州共和县龙羊峡水电站八公里处，苍茫的戈壁滩上，你会看到荒漠中一望无垠的太阳能发电板面朝南方，微微昂头，接受太阳的光辉，释放着绿色能源。

这是全球最大的水光互补光伏电站——百兆瓦国家级太阳能发电实证基地，项目占地近10平方公里，总装机容量170万千瓦的一座座光伏电站在大地傲然挺立。

这只是我国近年来大力发展光伏发电的一个缩影。如今，从柴达木盆地到共和塔拉滩，从格尔木到敦煌，在西部辽阔的戈壁滩上架起的一块块深蓝色光伏电板，如根植在大地上的“绿色庄稼”，每天不停地“追光逐日”，把丰富的太阳能转换为绿色发展的经济新动能。

国家能源局的统计数据显示，2017年1—11月，我国光伏发电量达1069亿千瓦时，同比增长72%，光伏发电量占全部发电量的比重同比增加0.7%，光伏年发电量首超1000亿千瓦时。

“今年光伏装机容量将超过风电，预计2020年，光伏加风电将超过水电，成为我国的第二大能源。”中国电力科学研究院新能源研究中心副主任刘纯告诉记者。

然而，就在七八年前，光伏发电还被称为“垃圾电”。这是因为太阳能发电有着巨大的波动性和“白天忙晚上歇”的先天不足。光伏电站的这种波动性和间歇性运转方式对电网调峰带来很多不利影响，所以光伏发电被称为“垃圾电”。

为了加速我国光伏电站的发展，解决我国电网安全与光伏规模化并网的矛盾，突破规模化光伏并网运行控制关键技术，刘纯带领项目团队在国家863计划课题和国家电网公司科技项目的支持下，通过自主创新，突破了并网控制、电能质量治理、整体低电压穿越三大关键技术，形成了一批具有自主知识产权的技术成果，提高了光伏发电产业的核心竞争力，促进了国内光伏发电的产业化和规模化发展。在2017年北京市科学技术奖评选中，该项目荣获二等奖。

光伏不能重走风电的老路

我国一直是光伏大国，但在2011年以前只能算是制造大国。

“2011年，我国的风电产业已快速发展，而此时我国的光伏发电产业刚起步。”刘纯告诉记者，“当时全球都是分布式光伏，而我国的特点是大规模集中式开发、远距离传输，面临着国外没有的挑战。”

与煤电相比，光伏发电主要受到太阳的影响，因此它的“出力”不像常规发电那样可控，呈现出一定的波动性和间歇性，如此不稳定的电源接入到电网，势必对电网的安全稳定产生一定的影响。

“光伏发电有很强的随机性，靠天吃饭，如果碰上阴天、雾霾、灰尘等情况，就会影响发电效率。”刘纯说。

光伏发电中有一个重要的设备——逆变器，它包含很多电力电子元件，在大量逆变器通过串并联接入电网后，会产生一定的谐波，影响电网的电能质量，使电网电力不那么“纯净”。

“光伏发出的是直流电，逆变器的任务是把直流电变成交流电输送到电网，其功率器件采用和CPU一样的硅半导体材料制造，抗过载能力很低，一有风吹草动就不行。”刘纯认为，光伏发电的抗干扰能力较弱，在电网发生故障等异常情况下，很容易发生脱网行为，对电网的供电安全性和可靠性造成不良的影响。

2011年，风电出现了大规模脱网事故，引起了行业内外对光伏并网技术的担忧。于是在国家“十二五”规划863重大专项中提出了一个课题：大型光伏电站并网关键技术研究。

“光伏不能重走风电的老路。”刘纯告诉记者，光伏要想成为主力电源，必须要和电网建设、负荷需求统筹考虑，如果光伏发展到一定规模，电压和电能质量都有可能出现问题。

“光伏电站闭网技术就是通过与光伏与电网的协同控制技术，保证光伏和电网的安全稳定运行。”刘纯介绍说，“大型光伏电站并网关键技术研究”这个项目就是为解决大型光伏电站并网面临的“运行控制、电能质量和低电压穿越”等技术问题，依托示范工程，开展技术攻关，掌握大型光伏电站与电网相互影响机理，研发“逆变器—辅助装置—光伏电站”各个环节有机结合的综合协调控制系统，并实现工程示范应用，指导我国大型光伏电站的开发建设。

稳定分析仿真平台保障并网稳定

在电网出现扰动故障时，光伏电站需保持并网运行，并为电网提供支撑，保证系统的稳定运行，以防止事故进一步扩大，造成大面积的停电。

对此，项目团队根据各类光伏组件和逆变器的运行特性，在充分考虑辐照度和温度的随机性分布对光伏电站出力影响的基础上，建立大型光伏电站的稳态和暂态数学模型，然后在仿真软件中实现，为大型光伏电站并网关键技术奠定研究基础。

据了解，这个光伏发电模型可进行潮流、机电暂态、电磁暂态、电能质量、长过程动态仿真计算等，具有应用范围广、仿真精度高、速度快、仿真模块齐全、操作简捷等特点。

“光伏发电稳定分析仿真平台，完成了青海、西藏、宁夏等省(区)的光伏发电接纳能力研究，并对光伏电站并网提出了技术要求，保障了我国大规模光伏并网后的安全稳定运行。”刘纯说。

基于项目的研究成果，结合我国电网实际情况，制订了2项国家/行业标准，规范和指导了我国光伏发电并网技术要求及测试评价规范，对我国光伏发电并网技术标准进行了有效提升，对保障光伏发电安全运行、促进光伏发电消纳具有极其重要的作用。

有六大功能的“全能大脑”

光伏逆变器作为电站的“大脑”，不但肩负着直流变交流的重任，还是电站响应电网需求以及业主了解电站运行状况的载体。

光伏逆变器的核心任务是跟踪光伏阵列的最大输出功率，并将其能量以最小的变换损耗、最佳的电能质量馈入电网。

“由于逆变器是串联在光伏方阵和电网之间，逆变器的选择将成为光伏电站能否长期可靠运行的关键。”刘纯说。

随着装机量的不断增大，渗透率的不断提高，对光伏系统并网性能的要求越来越高。大量分布式光伏接入配电网，对配电网安全运行也将产生一定的影响。因此，作为光伏系统与电网的接口，逆变器具有十分重要的作用，将直接影响光伏系统的并网性能。

为解决大型光伏电站对电网安全稳定和电能质量带来的不利影响，项目团队研制了一套具有多控制模式的逆变器。该多控制模式逆变器具有有功功率控制、无功功率调节、低频振荡抑制、功—频响应、低电压穿越和紧急无功支撑能力6种功能。

“这种集6种控制策略于一体的逆变器复合控制技术，使电站具备了电能质量调节、有功/无功调节、低电压穿越、参与电网调峰调频等六大功能，大大提高了光伏发电并网性能。”刘纯说。

光伏电站接入电网环境千差万别，部分末端电网相对较弱，电压波动明显，电能质量差。光伏系统并网甚至出现谐振脱网的现象。

“以前电能质量只控制电压，没考虑到谐波。我们希望通过关键技术研究，解决光伏并网后的谐波和闪变等问题。”刘纯说。

最后项目组在青海建成了一个百兆瓦的示范工程。“一次调试成功，测试结果与仿真结论完全吻合。电压变化迅速跟踪，控制精度极高。”刘纯说。

项目团队还提出了基于逆变器下垂控制的光伏电站分层无功电压自适应控制技术，建立了基于控制在环实时仿真的光伏电站AVC系统研发试验平台，开发了基于逆变器的大型光伏电站AVC系统，具备了替代光伏电站SVC/SVG的能力，有效降低了光伏电站建设和运行成本。

“以前光伏电站要配SVG，用来自动调节，现在把SVG取消，一百兆瓦电站就减少投资500万元，运营费用每年减少100万元，成本降低很多，并且提升了电站效率。”刘纯说。

为我国光伏发展提供了有效支撑

刘纯告诉记者，该项目所形成的关键技术、装置、系统在国内多个电网公司、光伏电站进行了推广应用。“应用情况表明，在光伏电站的规划、运行、控制等方面都起到了一定的促进作用，且具有良好的经济效益。”

项目建立的光伏发电稳定分析仿真平台，从2012年开始应用，完成了青海、西藏等省光伏发电年度及远景年开发规模的滚动规划调整，为光伏发展规划提供了技术支撑和决策依据，有效促进了光伏与电网的协调发展。

项目提出的光伏电站整体低电压穿越验证技术，对多个百兆瓦光伏发电项目进行了低电压穿越能力评价，验证了光伏发电站具备国标要求的不脱网连续运行、无功支撑和快速有功功率恢复能力。

而在关键设备的应用推广上，项目研发的总容量4Mvar的电能质量综合调节装置在青海锡铁山光伏电站开展了示范应用，该系统同时具备无功补偿和谐波治理功能，通过相关测试，其无功电压动态调节响应时间20毫秒，投运后有效提高电网电压运行水平，并减少光伏电站的谐波输出。

项目研发的基于逆变器下垂控制的光伏发电AVC系统自2015年至2016年12月分别在锡铁山光伏电站、安徽肥东百兆瓦光伏电站、国网北京市电力公司延庆电网地区进行了工程示范应用。光伏发电AVC系统可以充分利用光伏逆变器无功调节能力，在不需要额外无功补偿设备的情况下，即可满足光伏电站无功需求，在无功控制精度、无功响应时间、电网电压控制精度及响应时间等各项指标均满足国标的要求。

“项目成果规范了我国光伏电站的规划设计、并网运行和性能评价，保障了我国光伏飞速发展情况下未出现大面积脱网等严重事故。同时提高了我国光伏产业核心竞争力，推动了我国光伏产业的快速健康发展。”刘纯说，“简单地说，我国光伏发电装机5年增长了100倍，至今没有出现脱网等大事故，就充分说明了项目的意义。”