5、辽宁省科技攻关层次计划(JH2)项目可行性研究报告编制提纲

1辽宁省科技攻关层次计划（JH2）大型并网光伏电站关键技术研究与设备研制项目可行性研究报告一、项目提出的目的及意义大容量的光伏并网发电已成为光伏发电的主要发展方向之一。随着光伏电站的规模越来越大，由几十至上百MW级，对于小容量光伏系统可以忽略的很多问题必需给予考虑。由于光伏发电的固有特性及接纳方式的不同，大型光伏电站并网将对电网规划、电能质量、安全稳定运行等方面产生很大影响，因此，必须对大容量的光伏并网提出更高的要求。首先，光伏电站满足并网运行条件。光伏电池将太阳能转化为直流电能输出，然后通过DC-AC环节将直流电逆变成与电网电压同幅同频的交流电。如果并网逆变器的输出直接采用电压控制，而逆变器输出电压值不易精确控制，可能导致环流问题。本课题拟采用实时的电流跟踪控制策略进行并网逆变控制，同时考虑电网频率波动问题，并采用锁相环控制技术使光伏并网系统输出电流对电网电压进行频率与相位跟踪。其次，大型光伏电站应该具备一定的电源特性，能够参与电能质量的调节。电能质量问题目前成为研究与关注的焦点，由电力电子器件构成的逆变器既是电能质量的干扰源，同时也可以依靠先进的PWM技术与先进的控制理论来实现对电网的电能质量进行综合补偿。本课题拟采用瞬时无功理论检测补偿电流与补偿电压，同时，针对检测与计算的时延问题拟采用预测控制理论实现电能质量的综合补偿。再次，大型光伏电站在电网异常情况下具有一定的响应能力，具备低电压穿越能力。当出现电网故障时，现有的保护原则是将光伏发电站立即从电网中脱网以确保光伏发电系统的安全。随着光伏发电规模的不断扩大，光伏电站与电网间的相互影响已日趋严重，一旦电网发生故障迫使大型光伏电站因自身保护而脱网的话，将严重影响电力系统的运行稳定性。本课题拟采用基于电流限制的低电压穿越控制策略，一方面保护自身的光伏系统，一方面给电网的恢复提供最大限度的支撑。再次，支持电网调峰调频的有功控制能力。目前负荷曲线出现了新的特点，不仅峰谷差日益扩大，而且负荷高位陡升和低位陡降的速率增大。电网调峰调频2策略不仅要解决峰谷差，而且解决调峰响应能力问题。为了支持电网调峰调频的调度策略，本课题拟采用先进有功/无功的解耦控制，实现无功与有功功率的快速调节。再次，大型光伏电站应具备抑制电网的低频振荡能力。由于电网的互联，由于系统的调节措施作用，产生附加的负阻尼，抵消原系统的正阻尼，导致扰动后振荡不衰减或增幅振荡。本课题拟研究大型光伏电站弱阻尼的振荡模式，并采取有效措施增强这下模式的阻尼，达到抑制低频振荡的目的。再次，大型光伏电站应具备数据采集与监测系统。本课题拟建立一套数据采集与监测系统，实现对直流侧和交流侧的电参数进行采集存储，完成对太阳电池组件的温度、太阳辐射强度、环境温度、风速等数据的采集、变送、存储，得到当地太阳能资源分布和光伏系统运行状态数据，从而不断改进和调整光伏系统运行状态，达到最佳和最充分地利用当地太阳能资源的目的，可为光伏系统的进一步优化设计及电网的调度与决策提供可靠数据。再次，其它方面大型光伏电站应该实现最大功率点跟踪、群控及光伏功率预测。本课题拟采用智能控制算法实现快速、准确与稳定跟踪最大功率点，采用基于逆变器效率优化的方法实现逆变器群控，并在光伏等效模型基础上研发光伏功率预测。最后，编制《大型光伏电站接入输电网设计技术规范（草案）》成为当务之急。目前，我国多数光伏电站尚处于示范运行的试验阶段，尚无统一的设计规范和接入标准。标准的欠缺对光伏发电在国内的推广应用造成很大难题，不利于光伏逆变器厂商设计开发与电网要求相适应的并网逆变器产品；不利于光伏电站进行规范化的光伏系统设计和设备选型；不利于电网进行技术升级提升接纳光伏发电的能力；不利于光伏电站与电网的协调控制和安全稳定运行。本课题将根据研究成果以及借鉴国内外标准编制《大型光伏电站接入输电网设计技术规范（草案）》。本课题的研究工作预期目标：（1）大型光伏电站并网与脱网时实现零冲击；（2）光伏电站的电能质量达到国家标准；（3）当电网电压跌至20%额定电压条件下，光伏电站具备低压穿越能力、持续并网时间超过1秒；（4）通过光伏电站的控制策略抑制电网的低频振荡；（5）实现太阳能最大功率点跟踪与光伏功率预测，同时具备功率调节能力；（6）根据研究成果编制《大型光伏电站接入输电网设计技术规范（草案）》。二、与项目相关的国内外发展概况及市场需求分析对光伏发电系统进行系统研究，构建仿真平台是其中关键的一步。常用的建3模方法有基于物理机制和基于外部特征两种方法。基于物理机制的光伏阵列模型可以实现与实际参数严格对应但其模型较复杂，文献[1-2]都从理机制出发，建立了太阳电池组件的仿真模型，但对仿真中使用的串联得到的并没有做说明。基于外特性的模型则可以根据光伏阵列的开路电压、短路电流和最大功率点电压和电流直接得到，便于与具体系统对应，缺点是仿真精度稍低，且不便于体现温度和光强，有一定的局限性。寻找一种简单有效的方法对光伏电站进行非线性建模研究仍然是未来发展的热点。根据光伏并网发电系统中并网逆变器是控制输出电压还是输出电流的不同，其控制方式可分为电压控制模式(Voltage一ControlledMode)和电流控制模式(Current一ControlledMode)[3-4]。电流控制模式中，输出电流是受控量，它的质量受到电网电压的影响较少，这是因为对电网来说，并网逆变器呈现出高阻抗特性。因此，采用这种模式，可以减小电网电压的扰动对输出电流的影响，从而改善了输出电源的质量。具有控制简单，响应速度快，正弦性好，功率因素高等优点。但电流控制模式中，逆变器的输出被控制为电流源的特性，不能直接提供给普通用户，而只能在并网方式下工作。当电网发生故障或者出现孤岛效应时，系统无法以独立发电模式直接供给用户使用，只能选择停机，降低了光伏发电系统的投资效蔽。在电压型控制模式中，逆变器输出的是标准正弦脉宽调制信号，因此，并网电流和输出电源的质量完全取决于电网电压，只有当电网电压质量很高时，才能得到高质量的并网电流和输出电源。目前，广泛研究应用的还是电流控制模式，在并网控制策略方面，现有的控制方法有Pl控制、空间矢量控制、无差拍控制、重复控制、比例谐振控制、滑膜控制、神经网络控制、模糊控制等。为了达到更完善的控制效果，将各种智能控制方法结合起来，形成新的控制方案，来改善系统的动态和静态性能，实现高品质波形输出成为新的热点。在无功控制研究方面，文献[7]揭示了光伏电源与电网之间的有功和无功传递关系，文献[8]在电网矢量电压同步旋转坐标系下通过d-q轴电流分别控制实现了光伏并网系统输送到电网的有功和无功的解耦控制，文献[9]则基于瞬时无功理论事事检测并网的无功和有功电流，并通过指令实现补偿的功能。光伏并网逆变器容易产生谐波，三相电流不平衡，输出功率不确定性易电网电压波动、闪变[5-6]。同时新一代的智能电网要求大型光伏电站能够提供无功补偿，电压跌落时的低电压穿越技术。因此，将最大功率点跟踪（MPPT）技术和有源滤波、无功补偿的控制相结合，构成并网发电、无功补偿和有源滤波的一体化电能质量控制系统，这样不仅可以有效地进行光伏发电、提高供电质量和减少功率损耗，而且可以节省相应设备的投资。目前常用的最大功率点跟踪技术有干扰观测4法，电导增量法，恒定电压法，以及模糊控制算法等，每种方法各有自己的特点，并且都不断有算法的改进以实现更好的动态和稳态性能。光伏电站的低电压穿越技术，目前研究较少，关于同为可再生能源、间歇式作用的风电站的低电压穿越技术研究较多[10-11]，由于光伏并网逆变电路及控制电路的钳制作用，短路电流相比额定电流增加不大，相对风电电站容易控制，但是当电网扰动时，不能提供瞬间的电压支撑，因此无功补偿对光伏电站的低电压穿越的研究成为未来的趋势。目前，并网光伏发电系统不具备调峰和调频能力，对电网早峰负荷和晚峰负荷造成较大冲击，支持电网调峰调频的有功控制技术研究成为未来的趋势。有功调节技术必需使用储能实现对电网的有功支持。一方面，无论是超导储能、飞轮储能还是蓄水储能，都价格昂贵且难以做到大容量；另一方面，储能的投入需要一定的时间无法做到实时补偿，因此储能的作用受到很大限制。因此，提出改进的迟滞控制策略用于减少储能装置变换频率和优化电流控制。随着我国电网大区互联规模的不断推进，低频振荡问题越来越成为限制电网安全稳定运行主要因素。[12-14]对于低频振荡的抑制，分为一次系统抑制策略和二次系统抑制策略。一次系统抑制策略可有效增加系统总阻尼，但是由于需要改变一次系统构架，因此投资往往较大，此类策略宜在电网规划的时候多采用；二次系统抑制策略虽然不能增加系统的总阻尼，但此类方法通过优化原系统的极点配置，有效协调了系统中各个模式的阻尼，且投资相对较少。目前广泛研究的二次系统抑制策略有电力系统稳定器（PSS）、柔性交流输电系统的附加阻尼控制（FACTS）、HVDC直流调制的附加阻尼控制、最优励磁控制策略。考虑到光伏电站的特点，目前，越来越多的FACTS（flexibleACtransmissionsystems）装置在电力系统中得到了普遍安装，在现代大型互联电网中，如何对众多的FACTS元件进行协调控制，以使整体阻尼达到最优，将是未来的一个研究热点。光伏并网发电系统中通过对光伏电池最大功率点的搜索和跟踪，实现并网电流的最大化，从而保证并网功率最大。光伏并网发电系统常用的最大功率点跟踪方法有：l)定电压法，该方法简单方便，但仅适合于光照和温度变化很小的场合；2)扰动观察法，通过主动施加小的电压扰动，依靠观察输出功率的大小来达到最大功率点，该方法的优点也是实现简单，然而输出功率始终在最大功率点附近波动，导致传输功率的损失；3)电导增量法，根据功率与压之间导数的正负来判断当前输出功率在最大功率点的左还是右，来实现最大功率点跟踪。但是，该方法难以选择合适步长，误差范围比较难确定；4)开路电压系数比例法，利用最大功率点电压与开路电压之间的比例关系，实现准最大功率点跟踪。该方法的缺陷是优化比例系数较困难，并且有一定的能量损失;5)短路电流的系数比例法，利用最5大功率点电流与短路电流之间的比例关系，实现准最大功率点跟踪，该方法的问题和开路电压比例系数法相同;6)模糊控制法，该方法不需要精确的数学模型，响应快速，而且受外界环境变化影响很小。但通常的模糊控制方法，由于采用固定的输入量和输出量的模糊基准值，以及模糊推理规则可能因人而异，因此稳态时可能存在不同程度的功率波动;7)神经网络预测法针对某一块电池板可行，如果换成另外一块物理特性不同的电池板甚至是原来电池板，但因老化等原因，该方法就不再适用了。这些方法中，定电压法、开路电压和短路电流系数比例法需要对光伏电池板进行数据测试。扰动观察法、电导增量法需要实时采样数据进行分析。模糊控制法和神经网络预测法需要大量的运算。以上各种方法均有优缺点，需要根据具体情况综合考虑。光伏并网发电系统主要由光伏阵列和多逆变器两个“组群”构成，根据光伏并网发电系统的特点和需求，对这两个“组群”进行分析研究，以使这两个“组群”之间能够高效协同工作并产生优质电能。群控技术可以分时段完成多组逆变器的并联投切任务，节省群控器软硬件资源，极大提高群控器对逆变器的控制能力。光伏功率预测从预测方法上可以分为统计方法和物理方法2类。从预测方式上可分为直接预测和间接预测2类。从时间尺度上可以分为超短期功率预测和短期功率预测。超短期功率预测的时间尺度为30分钟~6小时,短期功率预测的时间尺度一般为1~2天。目前,超短期功率预测的主要原则是根据地球同步卫星拍摄的卫星云图推测云层运动情况,对未来几小时内的云层指数进行预测,然后通过云层指数与地面辐照强度的线性关系得到地面辐照强度的预测值,再通过效率模型得到光伏电站输出功率的预测值。短期功率预测一般需要根据中尺度数值天气预报获得未来1~2天内的气象要素预报值,然后根据历史数据和气象要素信息得到地面辐照强度的预测值,进而获得光伏电站输出功率的预测值。目前国内在该方面的研究较少,文献[15]根据历史功率数据和简单