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大中型光伏发电站功率特性检测技术研究

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：袁烨

[导读] 摘要：为了实现我国社会经济的可持续性发展，新能源的开发利用已经成为发展的主要方向之一，而光伏发电站系统对我国的国民经济建设具有十分重要的意义和作用。

        （无锡市产品质量监督检验院江苏无锡 214028）
        摘要：为了实现我国社会经济的可持续性发展，新能源的开发利用已经成为发展的主要方向之一，而光伏发电站系统对我国的国民经济建设具有十分重要的意义和作用。基于此，本文主要探讨了大中型光伏发电站功率特性检测技术。
        关键词：光伏发电站；功率特性；有功功率控制；无功功率控制
        中图分类号：TK513 文献标志码：B
        引言
        虽然我国目前在光伏发电站系统的设计以及建设中已经取得了长足的进步，但是还需要不断对其设计方案以及建设方法进行优化。光伏发电站系统的设计建设单位应充分结合光伏发电站系统的特点，优化设计方案，提高选择以及建设设备选择的合理性，使光伏发电站系统能够更加充分高效的利用太阳能资源，并推动我国经济建设向低碳环保方向发展。
        1 光伏发电系统的组成及其原理
        太阳能光伏发电的实质为光生伏打效应，吸收太阳光的辐射能获得能量从而通过一系列物理反应产生电能。一旦阳光照射到光伏阵列的外表面时，部分能量被PN 结吸收，强大能量的光子使得电池板PN 结的电子能够克服金属内部引力做功，脱离共价键，也就生成了带负电的电子和带正电的空穴对。由于内部电场的引力，部分电子向半导体N 区漂移，空穴对向半导体P 区漂移，经过这些物理过程后，半导体PN 结就产生了电压，此电压抵消了内建电场且产生了方向相反的外在电压，这一过程就是光伏电池如何利用太阳能产生电压的过程。若分别在P 型层和N 型层焊上金属引线，接通负载，在持续光照下，外电路就有电流通过，如此形成一个电池元件，经过串并联，就能产生一定的电压和电流，输出电能，从而实现光电转换。光伏电池如果不成为光伏阵列，其输出的功率非常小，没有多大作用，实际中的太阳能电池是由若干个小型太阳能电池串并联组成，这样就扩大了光伏阵列接触太阳光的面积，从而增大了电压，增大了发电功率[1]。
        2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。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。
        3系统结构设计
        3.1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。
        3.2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。
        3.3硬件构成
        测试系统硬件结构主要由控制器、数据采集系统、通信接口、人机界面接口和输出I /O。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，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。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。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。输出I /O将有功/无功指令信号输出[2]。

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        4系统软件设计
        4.1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。
        4.2自动测试过程设计
        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。
        5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。
        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[3]。
        6优化光伏发电站建设的有效途径
        6.1 提高光伏发电站选址的科学性
        建设光伏发电站时，首先应对站址进行优化选择。建设单位应对所选站址区域内的实际电网负荷、地理条件以及环境特点等因素进行综合的分析。以站址的地理特点为例，如果选择荒漠等地势比较平坦的区域时，能够为光伏发电站系统的建设提供便利条件。而如果受客观条件限制，需要在湿热的沿海地区建设光伏发电站系统时，选址时应选择抑制防护PID性能较好的地区来建设光伏发电站系统[3]。在山丘分布广泛的地区进行光伏发电站系统的建设时，应保证建站地区不会出现站址遮挡失配等问题。环境条件也是建设光伏发电站系统时的一个重要影响因素，如果光伏发电站系统所在地区雷电灾害比较频繁时，在光伏发电站系统的建设中需要为相关设备加设防雷设备，以防止光伏设备受到损坏。
        6.2 提高光伏发电站组件选择的科学性
        建设光伏发电站系统时，还要对系统设备的相关组件进行优化选择。在组件的选择上既要考虑其极化腐蚀效益以及应用效率等因素，同时也要对系统设备的经济性进行充分的考虑。在光伏发电站系统的建设实践中，同时采用多晶硅组件来进行大型光伏发电站系统的建设，其单款功率达到了250 W以上，同时具有较好的经济性；而薄膜组件则比较适用于一体化光伏发电站系统的建设。建设单位还应对设备衰减问题进行深入的研究。造成设备衰减问题的因素比较复杂，比较常见的有电势诱导以及光致衰减等原因。通过总结光伏发电站系统的建设经验可以发现，第一年设备组件的衰减率达到了2%~3%之间，而后衰减率则基本会保持在0.8%以内。组件衰减问题难以完全克服，因此在建设光伏发电站系统时应在系统内部加设具有较强抗过载性能的逆变器设备或者电池板，以尽可能减少衰减问题发生的概率。此外。电池组件出现衰减的原因主要是热斑效益，所以在光伏发电站系统的建设中应尽量选择具有较好耐久性的热板[4]。
        结束语
        我国新能源发电以发展大型集中电站模式为主，受制于远距离输送及消纳能力，局部区域存弃风弃光问题，为保证电网的安全稳定运行，光伏发电站AGC应按调度实时下发的出力曲线实时进行有功功率调整；AVC 应按调度实时下发的电压曲线实时时行电压调整。
        参考文献：
        [1] GB/T 19963-2011，风电场接入电力系统技术规定[S].
        [2] NB/T 31078-2016，风电场并网性能评价方法[S].
        [3] 黄晶生，丁昌明，郑飞，等.大中型光伏发电站并网性能测试技术研究[J].电力电子技术，2013，47（3）：27.
        [4] 周洪伟，罗锐，刘永奎，等．光伏电站多并网逆变器无功电压控制[J].电气传动，2019（4）：83 － 88．