屠龙之术：大型光伏发电电站并网关键技术研究及光伏实证基地建设始末

屠龙之术

2005年，当时，中国光伏行业第一个并网标准GBZ19964(这部分应该有误)制定期间，作为审查专家之一，国网中国电科院新能源研究所的专家问光伏行业的专家：“什么是大型光伏电站?”光伏专家想了一阵，咬牙道：“100kw以上的光伏电站就能算大型电站。”

这在当时不是笑话，那个时候光伏行业对大型光伏电站的认识确实不够。中国一直是光伏大国，但在2011年以前只能算是制造大国。

2009年，风电出现大规模脱网事故，引起了行业内外对光伏行业并网的担忧。于是四年前，在国家十二五规划863重大专项中提出了一个课题：大型光伏并网技术的研究。随着中国光伏电站业务蓬勃兴起，大型光伏电站的定义被改为20-30MW。中国一流的光伏专家一致认为，单体光伏电站规模将会超过100MW。100MW与100kW之间的体量却相差千倍，原有的标准显然已不适用。这么大规模的光伏电站如何并网且保证电能质量?

在科学发展的历史上，很多时候应用科学要走在理论科学前面：当一个理论被提出来的时候，为了证明它的正确性，应用科学就要用漫长的时间和大量的精力去验证。而理论又不总是正确的，所以以光伏行业为例，很多材料企业为了应对未来可能出现的技术突破，对不同种类的技术路线都要有所储备，哪怕它在今后被证明是不可行的。

人们常常用“屠龙之术”来形容那些极为高妙但却难有用武之地的本领。在10年前甚至在项目四年前启动之时，100MW级别的光伏电站的研究太过超前，在全世界范围都是空白，甚至找不到可以实地研究的对象，可以算得上真正的“屠龙之术”。

但很快，“龙”来了。自从2013年能源局出台上网电价以后，地面电站规模不仅迅速超过了百MW级，甚至向着GW级迈进。领跑者项目中标准项目都是100MW，最小的也是50MW，因此当年专家组的研究可以说极具意义。

Mission：Impossible，光伏“MIF”成立始末

该专项里面有四个课题：部件测试与实证研究、系统集成设备研制、功率预测与环境影响以及并网技术。涉及零部件、电站、电网接入三大技术领域。

并网技术指导思想为：为解决大型光伏电站并网面临的“运行控制、电能质量和低电压穿越”技术问题，依托示范工程，开展技术攻关，掌握大型光伏电站与电网相互影响机理，研发“逆变器-辅助装置-光伏电站”各个环节右击结合的综合协调控制系统，并实现工程示范应用，指导我国大型光伏电站的开发建设。

这四项课题将对应四项国标，每一个参数，每一个技术引导方向需要反复研究，负责研究并网的专家组决定“玩个大的”。

“GBZ19963修订的时候我们是以仿真全息为主，在张北基地进行的测试。我们光伏新的GBZ19964标准能够以经过关键技术研究和突破，经过示范工程实证，吸取风电发展的经验与教训，再结合实证项目，做出最完善的方案。”参与项目的专家告诉Solarbe记者。

但正如上文所说，中国当时并没有百MW级的光伏电站，在这种情况下做工程实证似乎是一个“不可能完成的任务”。要完成任务，自然也需要光伏界的“MIF”小组。(Mission Impossible Force)

中科院电工所所长许宏华老师担任这个项目的首席专家，湖南大学、山东大学、华北电力、重庆大学等高校也有参与。这个专家团队战功赫赫，2011年风电并网标准GBZ19963就是该团队制定，解决了风电频繁脱网等问题。

但仍然有很多困难摆在眼前，科研总经费1234万元，专项经费拨款779万元，是新能源研究项目中经费最少的一个，其余需要自筹，还要分给其它三个课题一部分资金。据Solarbe报道，中国2015年光伏装机17.8GW，每年名副其实的千亿市场。而根据未来能源局到2030年700GW光伏装机规划，这项标准关乎着未来超过5万亿的光伏市场的安全，以此对比，科研经费真的不算充裕。

另外示范工程因故延期到2015年，但在2015年没能通过申报，所以现在专家组在青海共和黄河水电的100MW光伏电站上做测试。

百MW级别的光伏电站有哪些不同

20-30MW光伏电站接入20千伏-35千伏电网即可，但100MW以上的光伏电站则应该对应100千伏或220千伏以上的电网。从2012年-2015年，专家朱主要研究大型光伏电站并网运行控制技术研究，其中包括：大型光伏电站并网运行技术条件、大型光伏电站接入电站运行控制策略、支持电网调峰调频的有功控制技术、抑制电网低频震荡技术。

同时与其并列的还有大型光伏电站电能质量调节技术研究、光伏发电单元与光伏电站低电压穿越整体解决方案、大型光伏电站并网运行特性实证性研究。

总技术路线专家组首先要突破建立一些研究方法：光伏电站和电网的交互影响机理、研究光伏电站稳态和暂态并网策略，当时外国厂商有多模式的逆变器，但也没有充分的考虑电网环境。专家组要将电网考虑进去。现在虚拟同步的概念越来越热，其实原理和多模式逆变器一样。

以前电能质量只控制电压，没考虑到谐波，这个项目专家组希望综合协调控制即考虑到电压，又能快速响应，省电，另外配备低电压穿越技术和实证技术。通过这些试验方法、主要通过仿真验证，希望解决快速谐波嬗变的问题。通过实证数据收集反过来验证校准辨识建立的仿真模型，在此基础上进行进一步开发，最后在青海海西共和县形成一个百MW的样板工程。

弯路：谐波那点事儿

在谐波的问题上，专家组一开始走了弯路。

当时专家组认为电力电子设备是谐波发射源。在谐波自己治理不了得情况下，需要用有源或无源的无功补偿。五年以前整个行业对这个问题的认知很不成熟，低电压穿越无、功调节技术等问题的认知是正确的，但在谐波方面却知之甚少。逆变器企业把THD当成重要指标，随着项目越来越大，从现场来看，现在看不是简单的光伏逆变器是谐波发射源，是光伏电站与电网相互作用的结果，特别是大型光伏电站和比较弱的电网相互作用的结果。电能质量包括震荡现象、谐振现象的发生不只是电力电子设备质量决定。

整站调节和被骂的青海光伏接纳能力模型

光伏电站运行稳定，需要参与电网的电能质量调节。传统的做法是用逆变器参与调节：小功率有源逆变器应对高次谐波，大功率无源逆变器应对低次谐波。目前国家对逆变器的响应速度都制定了相关要求。但是在光伏电站整体上怎么办?全球没有先例。光伏电站控制系统仍然存在控制速度和调节品质等问题。

专家组在短短二十天做出青海电网适应性研究成果是因为场景模型，并抓住关健场景的问题解决。这项工作对专家组来说驾轻就熟。判断的标准是看优化策略是否能做到，最终成果是得到了多模式逆变器和并网运行技术条件量大成果。其中多模式逆变器具备有功控制、无功调节、低电压穿越、低频震荡抑制、功-频响应、紧急无功支撑等六大功能;并网运行技术也得到了电能质量调节、有功/无功调节、低电压穿越、参与电网调峰调频、其它条件等六项规范，专家组将其定义为“并网主动支撑技术”。有功无功调节，低电压穿越是原来的GBZ19964没有的。

为了解青海光伏的接纳能力，专家组首们建立了一个模型，从无功电压、频率、电能质量、谐振等方面，仿真分析了大型光伏电站与电网的相互影响机理。“我们滚动开展了青海电网光伏接纳能力及电网适应性研究，得出来的结论是青海可消纳光伏发电20GW。”

一位专家告诉记者。当时格尔木一个地区就20GW，50GW的规划，结论一出，所有人都骂专家组哗众取宠，刻意打压新能源发展，专家组给领导汇报的时候，用通俗的话说：“5GW是青海人民的事儿，18GW是西北人民的事儿，20GW是全国人民的事儿。”格尔木只能放2GW，其中一部分只能放锡铁山，其余要放在共和开发。”当时所有人都认为那个地方光资源比海西少100小时。但是限电就不是100小时的问题，约束主要是网架，这个网架能保证在5GW时，电力平衡技术角度基本不限定，他们开始测试，确实有效，结果青海成了光伏开发热土。但事实证明，青海的网架在500万元千瓦的情况下就基本不限电，现在部分限电是由于消纳问题，没人要。

宁夏和甘肃限电：到底发生了什么?

甘肃、宁夏和新疆却出现了较为严重的限电问题。

专家组分析宁夏和甘肃同样限电，但原因却不同：“宁夏从技术角度不应该限电，现在的局面是因为电卖不出去没人要。”而且必须保证煤电发电小时数，否则火电企业和煤矿亏损过大。“今年弃光弃风800亿，一半以上不是技术问题。在电量平衡的前提下，新能源和传统能源博弈还将长期存在。

更为严重的情况发生在甘肃省。当时甘肃政府认为通过倒逼，光伏电站建成以后肯定有办法。但事实证明，在甘肃，以人类现有电力输送技术，十年至二十年内都可能无法解决限电问题。

限电问题不存在倒逼机制，可再生能源发展要具备三要素：天上有资源、地上有土地、与电网合理搭配。甘肃有土地有资源，但一时半会没有电网。要考虑性价比，目前即使电网在甘肃两个通道和酒湖特800千伏特高压已经投资超1000亿，但光伏限电问题还是得不到解决。即使通过行政命令建设完毕，接入电网，但一样发不出去。

低电压穿越：固原脱网事件还原

通过电能质量与无功调节，低电压穿越等一系列，最后形成一系列标准：基于GB/T19964所做的光伏电站接入系统的技术应用(大家可以划重点了)还有并网运行技术规范，对发电站接入电力系统的设计部分做了规定。

在设计的时候，专家组充分借鉴了风电的经验和教训。以固原风电站脱网事件为例子：固原脱网显露出的结果是一些不具备低电压穿越的电站因为低压脱网，但主要原因又是什么?

风电低电压穿越是一次能量平衡的过程，比光伏难得多。系统降压降低，马上进入低电压穿越状态，尔后为了控制住系统电压不过压过流，要采取很多措施，一旦采取措施，无论原来状态如何，系统有功为零。而有功的传输需要补偿大量的无功，系统短路进入低电压状态，有功没了，在60-80毫秒内系统恢复原来电压，但是原来过剩无功还在，低电压穿越闪了光伏或风机一下，把无功闪没了，电压恢复了，系统在10秒钟恢复，在短时间内系统无功超过有功1.5倍。系统大量无工过剩导致二次短路之后继续产生大量无工，导致连锁脱网。

光伏电池没有风能的惯性，更好控制。专家组提出在无功和有功比达到1.1倍时能够连续运行，1.2倍时坚持两分钟，1.3倍时坚持0.5秒。“1.3倍”的要求是针对当时IGBT和1000V组件，1500V组件对提高单体组件阵列是有帮助的，但对于低电压穿越会有一定困难，所以现在也是正在探索的方向。

在实际运行低电压穿越的时候，由于电网的很多电路有杂散电容电感以及直流侧的一些问题，在南京实验室，光伏低电压穿越用模拟电网和模拟电源做的通过测试的逆变器，拉到张北怎么都过不了实测，所以专家组根据这种情况抓进行了针对性的研究，并和所有大型厂家进行了充分沟通，研究如何在尽可能不增加成本的情况下，更改控制策略做到网损最低，电压合格率最高。

通过大量的工作，专家组成功构建了光伏电站稳态和暂态模型，提出了以大型光伏电站为整体参与电网调节的功率控制，低频振荡抑制等关键技术，最终研发了百千瓦级多模式控制逆变器，并制定了5项光伏并网技术标准。

再谈谐波：天下武功唯快不破

专家组在研究低频震荡时，开始同样走了弯路。“一开始我们认为是调节系统的问题，后来发现是因为系统阻尼减少引起的。”最终采取方法是现在逆变器用的比较多的是虚拟阻抗控制，重新寻找电网系统阻抗和光伏电站阻抗之间的平衡点把震荡躲过去。

业内曾一度普遍认为组串式逆变器应用在大规模光伏电站上，必然会出现问题，但事实是否如此?专家组扮演了“流言终结者”的角色。

专家组建立了逆变器等效控制模型，对逆变器写真进行了分析，表明大量逆变器并联请下课逆变器稳定裕度很小，较小的扰动也可能会引起严重的高频写真，不利于系统的稳定运行。

但是，逆变器尤其是组串式解决谐波的方法也很简单：一个字“快”，天下武功，唯快不破。提高内部算法速度可以解决很多问题，电力电子本身是用数字算法解决模拟问题。但模拟运算控制扫描和采样都有一定周期，会造成一定的滞后，解决滞后能够使很多问题迎刃而解。当逆变器内部算法快到一定程度，谐波程度能够大大减少。

他们将谐波抑制比喻为“太极高手”：内息快速循环，外部表现放缓。这是虚拟同步概念应用的典型技巧。很多企业在设计的时候没有考虑电网，和电网互动的时候就会出现偏差。

湖南大学卢安院士对这个课题贡献巨大。他指出在分析逆变器自身谐振、并联谐振以及串联谐振的特点基础上，在无差拍电流环节引入谐波电流反馈补偿，能够明显衰减逆变器各谐振峰值。他提出了逆变器和STATCOM联合运行策略，首先检测需补偿的无功量，经决策处理级确定逆变器及DSTATCOM补偿容量，DSTATCOM只对动态变化的电压波动起作用，逆变器则采用功率控制策略以及调整下垂控制器决定投入的无功量。

这种基于逆变器输出电流反馈和电网电压、电容电流前馈的准PR电流内环控制策略，可以有效抑制LCL滤波谐振问题：输出电流反馈有利于提高系统阻尼，电网电压前馈可提高并网电流质量，电容电流前馈可增强系统的动态响应速度。

采用并网电流反馈时，控制系统会发生谐振，无法正常运行，采用准PR控制时，可以保证系统稳定运行。通过电能质量符合控制谐波补偿前，谐波畸变率为14.9%，补偿后谐波畸变率变为7.3%。

史诗级的“鱼柴短路实验”

大家可以再次划重点了!专家组在鱼柴进行了光伏行业尤其是逆变器行业具有划时代意义的实验：“鱼柴短路实验”。

“鱼柴短路试验”是对光伏电站进行大扰动试验，所有电站都同时进入低电压穿越状态。这次测试结果有两个重要意义：

第一、国外光伏逆变器全部脱网，而国内领先的逆变器品牌全部非常坚挺，这个实验结束了中国光伏投资企业盲目迷信国外产品的历史。

第二、很多国产逆变器表现非常烂，让逆变器群雄割据，连年混战的局面逐步清晰，具有品牌和技术的企业脱颖而出。

顺带一提，鱼柴短路实验让国外同行很羡慕，因为在欧洲美国等地做这种大规模短路实验几乎是不可能获批的。

锡铁山大考：一个月的奇迹

步入2015年，各项测试工作都已收尾，只剩找一座100MW的电站测试这四年的苦功，一展那擒龙之术。许宏华一直有个抱负：打造一座具有引领性的世界级光伏电站，但可惜时不我待。

2015年末其它工作都已收尾的专家组申请项目总体评审能够延期被驳回。理由是：你们已经换了一次。2016年1月接到通知：3月验收，但这个时候实证电站还没有做，怎么验收?

“我求了所有能求的人。”一位专家至今回忆起来仍然痛苦不堪，“其实有很多种原因可以对万一通不过考核做出解释，但对于电网来说，完不成既定任务目标是无法想象的，从来没考虑过。”

所幸后来中广核伸出援手，同意在宁夏锡铁山100MW项目做实证验收。一个月时间，中间还有一个春节，专家组和各自的团队在锡铁山奋战，终于赶在验收期限前完工。我们这个方案需要在每一个逆变器里放控制装置，在企业生产环节装，装完以后迅速发往现场。100MW逆变器，40MW调节功率，其余用来调节谐波。猴年春节正月初七，一次调试成功，测试结果与仿真结论一模一样的结果。电压变化迅速跟踪，指令特别准。项目获得了一个大写的“完美”。

测试结果表明完全符合光伏电站国标20321和电能质量20325。

一直以来，标准的制定都是神秘的。对许多数人来说，“突然”出现的标准除了给自己设置了门槛之外，并不了解它背后的意义和诞生的经过。脱网、低电压穿越、谐波、限电这些目前业内耳熟能详的名字，在专家组制定标准时并不全部为世人所知，或许时至今日，这些幕后工作者的名字仍然不为世人熟知，但他们的功绩却是与世长存，随着光伏这种清洁能源，一起改变世界。

文章作者：曹宇