在青海省海南州共和縣龍羊峽水電站八公里處，蒼茫的戈壁灘上，你會(huì )看到荒漠中一望無(wú)垠的太陽(yáng)能發(fā)電板面朝南方，微微昂頭，接受太陽(yáng)的光輝，釋放著(zhù)綠色能源。
這是全球最大的水光互補光伏電站——百兆瓦國家級太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)證基地，項目占地近10平方公里，總裝機容量170萬(wàn)千瓦的一座座光伏電站在大地傲然挺立。
這只是我國近年來(lái)大力發(fā)展光伏發(fā)電的一個(gè)縮影。如今，從柴達木盆地到共和塔拉灘，從格爾木到敦煌，在西部遼闊的戈壁灘上架起的一塊塊深藍色光伏電板，如根植在大地上的“綠色莊稼”，每天不停地“追光逐日”，把豐富的太陽(yáng)能轉換為綠色發(fā)展的經(jīng)濟新動(dòng)能。
國家能源局的統計數據顯示，2017年1—11月，我國光伏發(fā)電量達1069億千瓦時(shí)，同比增長(cháng)72%，光伏發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重同比增加0.7%，光伏年發(fā)電量首超1000億千瓦時(shí)。
“今年光伏裝機容量將超過(guò)風(fēng)電，預計2020年，光伏加風(fēng)電將超過(guò)水電，成為我國的第二大能源。”中國電力科學(xué)研究院新能源研究中心副主任劉純告訴記者。
然而，就在七八年前，光伏發(fā)電還被稱(chēng)為“垃圾電”。這是因為太陽(yáng)能發(fā)電有著(zhù)巨大的波動(dòng)性和“白天忙晚上歇”的先天不足。光伏電站的這種波動(dòng)性和間歇性運轉方式對電網(wǎng)調峰帶來(lái)很多不利影響，所以光伏發(fā)電被稱(chēng)為“垃圾電”。
為了加速我國光伏電站的發(fā)展，解決我國電網(wǎng)安全與光伏規?；⒕W(wǎng)的矛盾，突破規?；夥⒕W(wǎng)運行控制關(guān)鍵技術(shù)，劉純帶領(lǐng)項目團隊在國家863計劃課題和國家電網(wǎng)公司科技項目的支持下，通過(guò)自主創(chuàng )新，突破了并網(wǎng)控制、電能質(zhì)量治理、整體低電壓穿越三大關(guān)鍵技術(shù)，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權的技術(shù)成果，提高了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的核心競爭力，促進(jìn)了國內光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化和規?；l(fā)展。在2017年北京市科學(xué)技術(shù)獎評選中，該項目榮獲二等獎。
光伏不能重走風(fēng)電的老路
我國一直是光伏大國，但在2011年以前只能算是制造大國。
“2011年，我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已快速發(fā)展，而此時(shí)我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)剛起步。”劉純告訴記者，“當時(shí)全球都是分布式光伏，而我國的特點(diǎn)是大規模集中式開(kāi)發(fā)、遠距離傳輸，面臨著(zhù)國外沒(méi)有的挑戰。”
與煤電相比，光伏發(fā)電主要受到太陽(yáng)的影響，因此它的“出力”不像常規發(fā)電那樣可控，呈現出一定的波動(dòng)性和間歇性，如此不穩定的電源接入到電網(wǎng)，勢必對電網(wǎng)的安全穩定產(chǎn)生一定的影響。
“光伏發(fā)電有很強的隨機性，靠天吃飯，如果碰上陰天、霧霾、灰塵等情況，就會(huì )影響發(fā)電效率。”劉純說(shuō)。
光伏發(fā)電中有一個(gè)重要的設備——逆變器，它包含很多電力電子元件，在大量逆變器通過(guò)串并聯(lián)接入電網(wǎng)后，會(huì )產(chǎn)生一定的諧波，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，使電網(wǎng)電力不那么“純凈”。
“光伏發(fā)出的是直流電，逆變器的任務(wù)是把直流電變成交流電輸送到電網(wǎng)，其功率器件采用和CPU一樣的硅半導體材料制造，抗過(guò)載能力很低，一有風(fēng)吹草動(dòng)就不行。”劉純認為，光伏發(fā)電的抗干擾能力較弱，在電網(wǎng)發(fā)生故障等異常情況下，很容易發(fā)生脫網(wǎng)行為，對電網(wǎng)的供電安全性和可靠性造成不良的影響。
2011年，風(fēng)電出現了大規模脫網(wǎng)事故，引起了行業(yè)內外對光伏并網(wǎng)技術(shù)的擔憂(yōu)。于是在國家“十二五”規劃863重大專(zhuān)項中提出了一個(gè)課題：大型光伏電站并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究。
“光伏不能重走風(fēng)電的老路。”劉純告訴記者，光伏要想成為主力電源，必須要和電網(wǎng)建設、負荷需求統籌考慮，如果光伏發(fā)展到一定規模，電壓和電能質(zhì)量都有可能出現問(wèn)題。
“光伏電站閉網(wǎng)技術(shù)就是通過(guò)與光伏與電網(wǎng)的協(xié)同控制技術(shù)，保證光伏和電網(wǎng)的安全穩定運行。”劉純介紹說(shuō)，“大型光伏電站并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究”這個(gè)項目就是為解決大型光伏電站并網(wǎng)面臨的“運行控制、電能質(zhì)量和低電壓穿越”等技術(shù)問(wèn)題，依托示范工程，開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，掌握大型光伏電站與電網(wǎng)相互影響機理，研發(fā)“逆變器—輔助裝置—光伏電站”各個(gè)環(huán)節有機結合的綜合協(xié)調控制系統，并實(shí)現工程示范應用，指導我國大型光伏電站的開(kāi)發(fā)建設。
穩定分析仿真平臺保障并網(wǎng)穩定
在電網(wǎng)出現擾動(dòng)故障時(shí)，光伏電站需保持并網(wǎng)運行，并為電網(wǎng)提供支撐，保證系統的穩定運行，以防止事故進(jìn)一步擴大，造成大面積的停電。
對此，項目團隊根據各類(lèi)光伏組件和逆變器的運行特性，在充分考慮輻照度和溫度的隨機性分布對光伏電站出力影響的基礎上，建立大型光伏電站的穩態(tài)和暫態(tài)數學(xué)模型，然后在仿真軟件中實(shí)現，為大型光伏電站并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)奠定研究基礎。
據了解，這個(gè)光伏發(fā)電模型可進(jìn)行潮流、機電暫態(tài)、電磁暫態(tài)、電能質(zhì)量、長(cháng)過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真計算等，具有應用范圍廣、仿真精度高、速度快、仿真模塊齊全、操作簡(jiǎn)捷等特點(diǎn)。
“光伏發(fā)電穩定分析仿真平臺，完成了青海、西藏、寧夏等省(區)的光伏發(fā)電接納能力研究，并對光伏電站并網(wǎng)提出了技術(shù)要求，保障了我國大規模光伏并網(wǎng)后的安全穩定運行。”劉純說(shuō)。
基于項目的研究成果，結合我國電網(wǎng)實(shí)際情況，制訂了2項國家/行業(yè)標準，規范和指導了我國光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)要求及測試評價(jià)規范，對我國光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)標準進(jìn)行了有效提升，對保障光伏發(fā)電安全運行、促進(jìn)光伏發(fā)電消納具有極其重要的作用。
有六大功能的“全能大腦”
光伏逆變器作為電站的“大腦”，不但肩負著(zhù)直流變交流的重任，還是電站響應電網(wǎng)需求以及業(yè)主了解電站運行狀況的載體。
光伏逆變器的核心任務(wù)是跟蹤光伏陣列的最大輸出功率，并將其能量以最小的變換損耗、最佳的電能質(zhì)量饋入電網(wǎng)。
“由于逆變器是串聯(lián)在光伏方陣和電網(wǎng)之間，逆變器的選擇將成為光伏電站能否長(cháng)期可靠運行的關(guān)鍵。”劉純說(shuō)。
隨著(zhù)裝機量的不斷增大，滲透率的不斷提高，對光伏系統并網(wǎng)性能的要求越來(lái)越高。大量分布式光伏接入配電網(wǎng)，對配電網(wǎng)安全運行也將產(chǎn)生一定的影響。因此，作為光伏系統與電網(wǎng)的接口，逆變器具有十分重要的作用，將直接影響光伏系統的并網(wǎng)性能。
為解決大型光伏電站對電網(wǎng)安全穩定和電能質(zhì)量帶來(lái)的不利影響，項目團隊研制了一套具有多控制模式的逆變器。該多控制模式逆變器具有有功功率控制、無(wú)功功率調節、低頻振蕩抑制、功—頻響應、低電壓穿越和緊急無(wú)功支撐能力6種功能。
“這種集6種控制策略于一體的逆變器復合控制技術(shù)，使電站具備了電能質(zhì)量調節、有功/無(wú)功調節、低電壓穿越、參與電網(wǎng)調峰調頻等六大功能，大大提高了光伏發(fā)電并網(wǎng)性能。”劉純說(shuō)。
光伏電站接入電網(wǎng)環(huán)境千差萬(wàn)別，部分末端電網(wǎng)相對較弱，電壓波動(dòng)明顯，電能質(zhì)量差。光伏系統并網(wǎng)甚至出現諧振脫網(wǎng)的現象。
“以前電能質(zhì)量只控制電壓，沒(méi)考慮到諧波。我們希望通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)研究，解決光伏并網(wǎng)后的諧波和閃變等問(wèn)題。”劉純說(shuō)。
最后項目組在青海建成了一個(gè)百兆瓦的示范工程。“一次調試成功，測試結果與仿真結論完全吻合。電壓變化迅速跟蹤，控制精度極高。”劉純說(shuō)。
項目團隊還提出了基于逆變器下垂控制的光伏電站分層無(wú)功電壓自適應控制技術(shù)，建立了基于控制在環(huán)實(shí)時(shí)仿真的光伏電站AVC系統研發(fā)試驗平臺，開(kāi)發(fā)了基于逆變器的大型光伏電站AVC系統，具備了替代光伏電站SVC/SVG的能力，有效降低了光伏電站建設和運行成本。
“以前光伏電站要配SVG，用來(lái)自動(dòng)調節，現在把SVG取消，一百兆瓦電站就減少投資500萬(wàn)元，運營(yíng)費用每年減少100萬(wàn)元，成本降低很多，并且提升了電站效率。”劉純說(shuō)。
為我國光伏發(fā)展提供了有效支撐
劉純告訴記者，該項目所形成的關(guān)鍵技術(shù)、裝置、系統在國內多個(gè)電網(wǎng)公司、光伏電站進(jìn)行了推廣應用。“應用情況表明，在光伏電站的規劃、運行、控制等方面都起到了一定的促進(jìn)作用，且具有良好的經(jīng)濟效益。”
項目建立的光伏發(fā)電穩定分析仿真平臺，從2012年開(kāi)始應用，完成了青海、西藏等省光伏發(fā)電年度及遠景年開(kāi)發(fā)規模的滾動(dòng)規劃調整，為光伏發(fā)展規劃提供了技術(shù)支撐和決策依據，有效促進(jìn)了光伏與電網(wǎng)的協(xié)調發(fā)展。
項目提出的光伏電站整體低電壓穿越驗證技術(shù)，對多個(gè)百兆瓦光伏發(fā)電項目進(jìn)行了低電壓穿越能力評價(jià)，驗證了光伏發(fā)電站具備國標要求的不脫網(wǎng)連續運行、無(wú)功支撐和快速有功功率恢復能力。
而在關(guān)鍵設備的應用推廣上，項目研發(fā)的總容量4Mvar的電能質(zhì)量綜合調節裝置在青海錫鐵山光伏電站開(kāi)展了示范應用，該系統同時(shí)具備無(wú)功補償和諧波治理功能，通過(guò)相關(guān)測試，其無(wú)功電壓動(dòng)態(tài)調節響應時(shí)間20毫秒，投運后有效提高電網(wǎng)電壓運行水平，并減少光伏電站的諧波輸出。
項目研發(fā)的基于逆變器下垂控制的光伏發(fā)電AVC系統自2015年至2016年12月分別在錫鐵山光伏電站、安徽肥東百兆瓦光伏電站、國網(wǎng)北京市電力公司延慶電網(wǎng)地區進(jìn)行了工程示范應用。光伏發(fā)電AVC系統可以充分利用光伏逆變器無(wú)功調節能力，在不需要額外無(wú)功補償設備的情況下，即可滿(mǎn)足光伏電站無(wú)功需求，在無(wú)功控制精度、無(wú)功響應時(shí)間、電網(wǎng)電壓控制精度及響應時(shí)間等各項指標均滿(mǎn)足國標的要求。
“項目成果規范了我國光伏電站的規劃設計、并網(wǎng)運行和性能評價(jià)，保障了我國光伏飛速發(fā)展情況下未出現大面積脫網(wǎng)等嚴重事故。同時(shí)提高了我國光伏產(chǎn)業(yè)核心競爭力，推動(dòng)了我國光伏產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。”劉純說(shuō)，“簡(jiǎn)單地說(shuō)，我國光伏發(fā)電裝機5年增長(cháng)了100倍，至今沒(méi)有出現脫網(wǎng)等大事故，就充分說(shuō)明了項目的意義。”
