大型光伏并网电站运行与维护技术研究

中节能（临沂）光伏农业科技有限公司 罗春亮 王周龙

在“双碳”战略的驱动下，我国能源结构逐步优化，在此期间光伏发电量在全国总发电量中的占比逐年增加，使光伏发电备受关注。新时代背景下，为最大限度发挥出光伏发电的优势，电力产业推行光伏并网，并结合地方实际情况构建了大型光伏并网电站，但从本质上看，大型光伏并网电站的建设对地方原有的电力系统造成了冲击，在大型光伏并网电站发展期间，应立足于实际做好大型光伏并网电站的运行优化与维护。

为增强该次大型光伏并网电站运行与维护技术研究的现实意义，本文选取某光伏电站为实例进行具体分析。某电站属于大型光伏并网电站，地处丘陵、山地地区，从光伏并网角度来看，共设置20个厂区，装机规模与装机容量分别为500MWP、517.21MW。某电站在生产经营期间以因地制宜为原则，于光伏厂区中心设置升压站（220kV），主变容量250MWA。为保障当地电力供给，某电站计划在区域范围内新建20回集电线路（35kV），长度为105.23km，集电线路接入升压站。综合考虑不同电源间同时系数，在某电站中，光伏发电、风力发电的同时率分别为0.73、0.71，此外并网类型电源的同时系数如下：风电、光伏、火力分别为85%开机、75%开机、95%开机。

1 大型光伏电站并网对地区无功功率的影响

各输电通路在电网体系中均具有固定阻抗特性，当电网内产生电能流通时，则会带动电势变化，受到该变化影响导致电网导线两端会形成电势差。在此情况下，当电网线路无功功率出现稳步提升现象时，则会进一步促进有功功率在线路中的传输，而受到电流变化影响将出现电能功率不稳的问题，继而影响电网供电质量，引发电压震荡情况。

输电线路于地区电网内运行时，主要受调度指令管控而转变运行模式，使电能可基于电力传输需求而产生相对应的变化，这就导致电网能够根据因素变化而始终处于动态平衡状态。若无功功率在流向、功率方面产生的变化较大，将会带动电压偏差变化，导致电网内部分节点电压难以满足实际运行需求，继而干扰供电稳定性。此外，电站实现光伏并网后，大型光伏并网电站运行期间，若光伏发电所产生的电能出现流向变化，则会影响电网节点电能，致使区域内局部节点出现电压波动的情况。受到光伏电站并网的影响，某电站电能出电变化频率、出力状态发生转变，在光伏并网结构内，通常采用设置无功优化装置的方式调节电压。

对某电站实现光伏并网后的电网运行状况进行总结如下：光伏占比与光伏出力之间存在正比关系，即光伏发电在整个电网运行中的占比增大，同时会带动光伏出力的增多，光伏并网点位的电压变化情况呈现为“先升后降”，当有功功率达到阈值时，若持续增大会造成较为明显的电压偏差，这就意味着光伏并网运行电压出现较大波动。对产生该现象的原因加以分析，发现大型光伏电站并网对地区无功功率的影响主要是因为太阳能具有不可控性，光伏发电量不稳定。

2 基于光伏电站实例的大型光伏并网电站运行与维护技术探析

2.1 无功运行优化

结合上述分析可知，某电站实现光伏并网之后，发现受到光伏发电不稳定性的影响而对电网整体运行状况产生了一定影响，对电站调度水平提出了一定要求，在该情况下，某光伏并网电站引入算法方式进行无功运行优化。

2.1.1 优化目标

光伏并网之后，某电站具备了多种电源形式，为保障供电稳定性，控制电力成本，优化用户用电感知，某电站将该次无功运行优化的目标设置为无须新增设施设备即可使系统潮流、节点电压、并网点电压均可符合电网运行要求。在光伏并网电站中，多将无功、电压是否存在越界现象视为衡量电能质量的依据，因此，某电站结合光伏并网背景进行无功运行优化时，主要从两个角度确定优化目标，搭建目标函数[1]。

其一，将控制有功网损作为运行优化目标，用于优化整个光伏并网电站运行环境，保障电网运行效果，基于该思路设置目标函数，借助该目标函数而改善某电站能源结构，调节火电、光电之间的联动关系，既能够保障电厂运行经济效益，还可兼顾电站环保性。在构建目标函数时，综合考虑光伏并网电站越限状况，结合某电站实际情况来看，可将该目标函数设计为：

式（1）～（3）中：Ploss代表有功网损，Ui为i节点电压值，Uj为j节点电压值，ΔUi为i节点电压的差值，Uimin为i节点最小电压值，Uimax为i节点最大电压值，θ为夹角，θij则代表i节点与j节点之间存在的交接，λ代表惩罚系数。

其二，将电压偏移量控制作为运行优化目标，该目标直接影响本光伏并网电站无功优化设施的性能及规模要求，站在某电站角度上看，可基于电压偏移量优化目标而减少在无功优化设施方面的投入，继而实现对电能质量、工程造价产生控制。基于该角度构建目标函数，如下式所示：

式（4）中：minΔU代表最小电压差值，Uset、Usetmax分别代表i节点额定电压、电压最大允许偏移量。

2.1.2 粒子群算法

PSO粒子群算法是指个体基于自身所认定的正确线路不断前进，同时在前进过程中横向对比参考，采用该方式而确保所有个体均可确认正确线路。在该PSO粒子群算法体系中，个体拥有自身智能，具有自我学习、自我积累、水平进化的能力，且可通过横向学习而逐步完成正确线路的优化。

某光伏并网电站在运行优化期间，在引入了粒子群算法，待算法开始运行计算时，则会自动生成粒子，结合本光伏电站实际情况对算法参数予以调整，在此基础上设定表征理想状态，规划基准序列，结合所搭建的目标函数而自动确认目标序列，对基准序列、目标序列之间的关联度进行计算，将计算所得结果尚未粒子群适应函数，并基于目标函数及粒子适应值而定位最佳位置。算法程序完成上述运行步骤后，则运用粒子迭代方程对粒子位置、粒子速度进行更新，限制越限变量，结合当前实际情况对粒子适应值重新计算，继而得出最新的粒子位置，完成粒子更新后分析是否已达最大迭代目标，若已符合则结束算法，若未符合则重新进入算法程序。

在光伏并网电站运行期间，光伏所产生电能路径存在一定不确定性，将其运用到某电站中可能在特殊情况下难以充分发挥出良好作用，因此须基于某电站光伏并网结构而对粒子群算法加以改进[2]。

2.1.3 算法改进优化

某电站改进粒子群算法时，将决定算法惯性速度的惯性因子ω由固定值变化为动态递减形态，基于动态递减的惯性因子而良好改进算法求解效率，使惯性因子可在一定范围内实现惯性递减，改进后的粒子群算法如下：

式（5）中：w为惯性因子，wstart、wend分别代表开始时与结束时的粒子个体惯性因子，T为粒子个体运动次数，T为粒子个体运动次数的最大值。

在粒子群算法中，粒子个体在不断运动过程中还会通过自我学习而优化运动状态，如运动路径、运动方向等，某电站运用粒子群算法对光伏并网电网体系进行优化时，按照原有的粒子群算法程序而引入了G1、G2两个自我学习线性调整因子，当某电站改进后的粒子群算法进入运行状态后，则会按照G1、G2两个自我学习线性调整因子对自身运行状况加以调整。在某电站算法迭代计算之下，得出了符合本光伏并网电站需求的G1、G2两个自我学习线性调整因子数值区间，分别为1.25～2.75、0.50～2.25。

2.1.4 某电站优化效果

本次所提出的优化方案现已在本光伏并网电站中实现了运用，对各个并网节点位置的电压波动状况进行采集，发现在粒子群算法程序的优化运行下，并网电压差值进入规范区间内，某电站的光伏并网电网体系现已满足稳定供电要求。此外，对光伏并网运行状况进行观察，发现运行期间未出现谐波污染现象，运用效果较好[3]。

2.2 运行维护要点

2.2.1 落实巡检维护

从运行角度来看，为确保粒子群算法可在本光伏并网电站中实现运行，需要通过预防性检修的方式，来最大限度降低故障事故的出现频率与事故造成的经济损失，为电站基本功能的呈现提供可靠的支持与保障。相关工作人员在实施设施检修期间，一方面要做好作为光伏并网电站核心设施的逆变器检修工作，另一方面还要完成对光伏阵列的全方位检测维护。由于大容量并网逆变器的生产厂家数量偏多，无法逐一对相关产品的质量进行深度检查，导致某电站所使用的逆变器品质存在明显参差不齐状况，再加上某电站前期在选取配备设施期间，缺少科学合理的分析与评估，从而导致逆变器无法以最佳状态来持续运行，必然会对其内在电子元器件造成不同程度的磨损。

2.2.2 实施设施检修

在检查逆变器的过程中，需要分别从工作承载量、输出谐波分量、电缆连线稳定性、内部连线可靠性、电路板元器件受损情况、滤网清洁状况以及应用冷却效果等方面，参考行业逆变器检测维护标准来做好结构优化，促进逆变器实际工作效率与电网系统输出功率获得显著提升[4]。此外，光伏阵列通常使用年限在25年以上，出现意外情况的概率相对较小，但容易在环境或雷击等问题的影响下出现部件受损情况。在日常维护期间需要定期做好清洗工作，确保其表面干净整洁，在检修时要分别从组件板连线温度、汇流箱连线稳定性、光伏组件的受损情况，以及方针支架连接性和防雷接地装置的可靠性等方面来展开全方位评估与测定，为某电站的正常运行提供可靠支持与保障。

2.2.3 设施更新维护

结合上述巡检维护情况来看，发现逆变器存在一定问题，须长期采用维护手段调整其性能，本光伏发电站为杜绝该现象，按照上述无功功率优化要求及算法函数运行程序，对逆变器设施进行更新，更新后的逆变器参数见表1，现已能够良好满足本光伏并网电站的运行要求[5]。

表1 更新后的逆变器参数

大型光伏并网电站在实际运行期间，不可避免地会对当地电力系统产生影响，改变原有的电力结构，为切实保障大型光伏并网电站的实际运行效益，应合理确定电站优化目标，引入粒子群算法，并对粒子群算法进行改进与优化，以此实现对大型光伏并网电站运行结构的有效优化，此外还应从落实巡检维护、核实设施检修、设施更新维护三个角度出发提高大型光伏并网电站维护质量，使大型光伏并网电站能够在“双减”战略背景下切实发挥出自身的积极作用。