光伏电站有功/无功控制能力现场测试及分析

董开松，李洪涛，李臻，杨俊，吴蓓蓓，张双庆

（1.甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州 730050；2.中国电力科学研究院，江苏南京 210042）

光伏电站的有功控制能力和无功电压调节能力是光伏电站可调度性的重要体现，国标GB/T 19964—2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》[1]和《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定（试行）》[2]中都对光伏电站的有功控制能力和无功调节能力做出了规定。

两个标准中对光伏电站有功控制能力的要求都包括有功功率调节能力和正常运行时的功率变化率控制能力两个方面，前者要求光伏电站能够根据调度指令调整有功出力，后者要求光伏电站在正常运行时的功率变化率低于规定数值。

对于无功控制能力，两个标准的规定有所不同，但是都涉及到光伏电站的功率因数调节和并网点电压调节两方面。无功调节时，涉及的电站设备都包括电站的光伏并网逆变器和无功补偿装置。

为了保证光伏电站具备满足电网调度要求的有功功率和无功功率控制能力，标准中规定并网光伏电站应按照国家或有关行业对光伏电站并网运行制定的相关标准或规定进行有功和无功功率控制能力测试。

为了探索和验证现场实测并网光伏电站的有功和无功功率控制能力的方法，检测光伏电站功率控制系统的性能，甘肃省电力公司电力科学研究院会同中国电力科学研究院于2013年8月21日在国内（敦煌某2×9 MW光伏电站）首次开展了并网光伏电站有功/无功控制系统控制能力现场测试的工作[3-6]。

1 被测光伏电站基本情况

该2×9 MW光伏电站位于甘肃省敦煌，电站所在地年太阳总辐射量为6882.57 MJ/m2，装机容量为18 MW，由18个1 MW单晶硅方阵组成。并由36台逆变器将直流电逆变成交流270 V（400 V）电压后经箱变升至35 kV，由电缆汇集至35 kV母线，通过一回35 kV送出线路送至敦煌110 kV鸣山变。

2 测试情况简介

本次测试目的为验证光伏电站的有功/无功控制能力是否满足标准要求的指标，检验光伏电站能否接收并自动执行电网调度机构所下达的有功/无功功率及其变化的控制指令，是否具备有功/无功功率连续平滑调节的能力，并能够参与系统有功功率控制[7]。

本次试验的测试点选择在光伏发电站并网点处，测试时要求辐照度应保持在400 W/m2以上，测试的接线如图1所示，具体内容及步骤如下所述。

图1 检测示意图Fig.1 of detection

2.1 有功功率变化测试

1）自动启停机测试。测试时电站所有逆变器并网运行，在不外加人工控制的条件下，使电站出力随辐照度变化，数据采集装置在并网点处采样光伏电站自动启停机时的电压、电流、有功功率等数据。

2）人工启停机测试。测试时电站所有逆变器并网运行，通过功率控制系统发出电站停机指令，采样停止发电前至少10 min内并网点的电压、电流以及有功功率数据。通过功率控制系统发出电站启动指令，采样启动后至少10 min内并网点的电压、电流以及有功功率数据。

2.2 有功功率控制能力测试

测试时电站所有逆变器或规定数量的逆变器应并网运行，不限制光伏发电站的有功功率变化速度。记录当前光伏电站发出的有功功率为P0（P0至少为被测光伏发电站所配逆变器总额定功率的70%），通过控制系统连续设置光伏电站的有功功率输出为80%P0、60%P0、40%P0、20%P0、100%P0，每个测试点功率稳定后持续2 min。连续测量并记录整个检测过程的电压、电流以及有功功率数据。

按照图2的设定曲线控制光伏发电站有功功率，在光伏发电站并网点测量有功功率，以每0.2 s有功功率平均值为一点，记录实测曲线。

图2 有功功率控制曲线Fig.2 The active power control curve

2.3 无功功率输出能力测试

测试时记录电站当前输出有功功率为P0，不限制光伏发电站的无功功率变化速度；确保集中无功补偿装置处于正常运行状态。设置光伏发电站的无功功率分别为感性无功功率阶跃允许值和容性无功功率阶跃允许值的10%～100%（每10%一个测试点），同时监测光伏电站并网点的电压变化不超过额定电压的10%，记录达到电压边界值的无功功率。每个测试点功率稳定后持续2 min。在光伏发电站并网点连续测量并记录整个检测过程的电压、电流以及无功功率数据。

设置光伏电站有功功率为90%P0到10%P0，重复以上步骤。

2.4 无功功率控制能力测试

测试时电站输出有功功率稳定至50%P0运行；不限制光伏发电站的无功功率变化速度；确保集中无功补偿装置处于正常运行状态。

无功功率控制曲线见图3。分别设置感性无功功率和容性无功功率为光伏电站并网点的无功功率（并网点的电压变化不超过额定电压的10%），每个测试点功率稳定后持续2 min。在光伏发电站并网点连续测量并记录整个检测过程的电压、电流以及无功功率数据。按照功率控制系统的控制方式（控制逆变器或者SVC），重复以上试验。

3 测试结果分析

3.1 有功控制能力测试结果

该2×9 MW光伏电站配置的有功/无功控制系统是由北京某科技有限公司制造的光伏电站功率控制子站。该系统可接收调度指令或本地指令，根据电站运行状况，决定控制策略并将控制测试下发至电站综自系统，由综自系统调整逆变器运行参数，实现电站有功和无功出力的调整。

图3 无功功率控制曲线Fig.3 Reactive power control curve

由于被测电站尚未安装调度部门的有功控制系统子站，无法接收调度远方下发的出力指令，因此测试中在本地下达和采集电站有功功率调整指令，通过测试电站的有功调节能力和有功功率变化率，验证电站自身的功率调节能力是否满足标准要求。

实测的有功功率设定值控制能力变化曲线如图4所示。测试过程中，辐照度均在800 W/m2以上。根据当时光伏电站有功出力，设定P0=12 MW，测试了12 MW、9.6 MW、7.2 MW、4.8 MW、2.4 MW、12 MW等多个点的有功控制能力。对应每个控制点，有功控制系统的实际控制值为12.3 MW、9.4 MW、7.1 MW、4.6 MW、2.2 MW、11.6 MW，调整时间分别为：32 s、41.6 s、38.6 s、42.3 s、51.6 s。对各个负荷点波动数据进行分析后得出，各个点的有功功率设定值控制能力可满足要求；且响应时间≤120 s，满足要求。

图4 有功功率控制能力曲线Fig.4 Active power control capability curve

由于被测光伏电站无法通过有功控制系统对全站进行启停操作（目前仅能通过人工逐台操作），因此无法进行全站启停测试；测试中采取了对单个光伏逆变器的启停时间进行测试的方法，测试结果显示：各逆变器均以超过10%装机容量/min的启停速率运行，变化速率过快，不能满足功率变化率的要求。

3.2 无功控制能力测试

由于电站原有综自系统不支持无功调节，且电站SVG无法通过综自系统控制，因此虽然功率控制系统含有无功调节模块，但无法实现控制全站或部分无功资源的能力。

4 结论及建议

4.1 结论

1）该电站能够根据功率调节指令调节有功出力，响应速率在120 s内（由于国标和企标对光伏电站响应调度指令的时间没有规定，此处120 s为参考《风电场功率调节能力和电能质量测试规程》[8]（Q/GDW630—2011）中的相关要求）。

2）电站无法通过有功/无功控制系统实现整个光伏电站的启动和停机，且单台逆变器启停速率超出10%装机容量/min。

3）在目前条件下，通过综自装置启停光伏电站时，光伏电站的有功功率变化率超标。

4）在目前条件下，光伏电站无功控制系统不具备无功调节能力[9]。

4.2 建议

1）光伏电站必须通过站内无功控制装置启停整个电站，保证电网调度部门可以直接控制电站，实现启动并网和停机切出电网；

2）建议在制订无功控制系统的相关技术规范时，将光伏电站内并网逆变器和无功补偿装置的无功调节能力统一由无功控制装置控制，实现全站无功调节能力的统一控制；

3）应在有功/无功控制系统与调度功率分配系统实现通讯连接后，再进行有功/无功控制系统控制能力现场实测。

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB/T 19964—2012.光伏发电站接入电力系统技术规定[S].北京：中国标准出版社，2012．

[2]国网电科院，中国电科院.国家电网公司光伏电站接入电网技术规定（试行）[S].2009.

[3] 车木佳，冯毅.太阳能最大功率跟踪装置的设计[J].节能技术，2011，29（6）：552-559.CHE Mu-jia，FENG Yi.Design of a new type of solar MPPT system[J].Energy Conservation Technology，2011，29（6）：552-559（in Chinese）.

[4] 毕二朋，胡明辅，袁江.光伏系统设计中太阳辐射强度影响的分析[J].节能技术，2012，30（1）：45-51.BI Er-peng，HU Ming-fu，YUAN Jiang.Influence of solar radiation intensity in the design of PV system[J].Energy Conservation Technology，2012，30（1）：45-51（in Chinese）.

[5] 王晨光，龚光彩，苏欢.分布式光伏发电与冷热源耦合系统探讨[J].节能技术，2012，30（2）:145-150.WANG Chen-guang，GONG Guang-cai，SU Huan.A coupled system of distributed PV and cold&heat sources[J].Energy Conservation Technology，2012，30（2）:145-150（in Chinese）.

[6] 高胜利，冯文秀，申强，等.风光互补逆变器控制方法的研究与仿真[J].节能技术，2012，30（5）：405-410.GAO Sheng-li，FENG Wen-xiu，SHEN Qiang，et al.The research and simulation of wind and solar inverter control method[J].Energy Conservation Technology，2012，30（5）：405-410（in Chinese）.

[7] 同威，杨俊．光伏电站有功/无功控制现场实测填补国内空白[EB/OL]．光伏太阳能网[2013-8].

[8] 国家电网公司．Q/GDW630—2011.风电场功率调节能力和电能质量测试规程[S].2011．

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB/T29321—2012.光伏发电站无功补偿技术规范[S].北京：中国标准出版社，2012．