光伏电站弱电网支撑技术白皮书

过 去十年，光伏电站单瓦成本不断走低，光伏行业 正在蓬勃向前，迈入平价时代。但是高渗透率光 伏新能源，由于其本身不可控不可储的基因，相 较传统能源同步发电机的运作，将对电网造成一定冲击。 虽然调峰、调频等问题已经被行业熟知，但是更根本的问 题——稳定性长期被忽略。如果说调峰调频问题制约了新 能源的消纳，那么稳定性则决定了电站能否并网，显然， 这个问题更深刻。从2016年开始，世界各地逐步出现电站 无法稳定并网甚至大停电的案例，各国电网公司逐步意识到 弱电网环境下的光伏电站并网问题，新标准也因此不断出 台，对新能源电站并网要求不断提高。能否前瞻性的对弱 电网问题进行研判并预备应对措施，决定了光伏电站能否 顺利并网，决定了光伏电站是否能成为主流能源，同时也 决定了未来5~10年以后是否可以避免耗费巨大人力物力的 电站改造。 本文旨在介绍高渗透率新能源作用下的弱电网问题，以及 行业一些领先的解决方案在应对弱电网问题方面所采用的 技术与经验。 前言 1 光伏电站弱电网支撑技术白皮书 光伏发电是目前发展最为迅速、并且前景最为看好的可再 生能源产业之一。根据国际可再生能源机构（IRENA）的统 计，截至2019年底，全球累计光伏装机量达到580.1GW。 今年更有可能突破700GW大关。随着在电力系统中的占比 不断提升，高比例光伏发电可靠并网问题日益凸显，已经 严重制约了行业健康可持续发展，引起了各界的广泛关注。 光伏电站地处偏远，常常位于电网结构较为薄弱的地区。 网架结构脆弱，短路容量小，容易形成接入末端弱电网的 局面。同时，在偏远地区，长距离传输，高压直流输电等 各种因素结合在一起的时候，也会给光伏电站的友好并网 带来挑战。例如，当直流输电出现故障闭锁时，在直流输 电故障点附近的光伏电站并网点会出现电压暂态尖峰，光 伏电站必须对这种电网暂态现象具有良好的适应性；又如 当光伏电站并网点与远端主干电网之间的等效电网阻抗较 大时，就会带来电压不稳定、频率不稳定、次同步振荡和 谐波谐振等多种问题，严重时会导致光伏电站脱网及电网 设备的故障，甚至危害局域电网的安全稳定运行。 01 背景 2 光伏电站弱电网支撑技术白皮书 02 困难和趋势 2.1 渗透率越高，电网越“弱”，并网稳定难度日益提高 不同于具有旋转机械结构的同步发电机，光伏逆变器作为 全电力电子设备，发电功率控制完全依赖于数学控制算 法。逆变器发电的基本假设是具有稳定的电网提供电压参 考，才能进行并网发电。然而，“稳定的电网”这一前提 假设在高比例新能源渗透率情况下可能不再适用。从2016- 2019年，与新能源有关的电站脱网、设备损坏屡见不鲜， 甚至引发电网大停电（如在2016澳洲发生的电压跌落，造 成大面积停电50小时、2019英国英格兰与威尔士大部分 地区停电，约有100万人受到停电影响）。 我国最新发布的GB 38955-2019电网安全稳定导则中，用 “短路比”（国际上对应概念为Short Circuit Ratio，SCR） 描述新能源电站并网点的电网强弱，其定义为：“电网同 步短路容量与电站装机容量的比值”，SCR越高电网越强。 从SCR的定义可推算，电网中的火电、水电等传统同步机 组装机量较多，则SCR越高；新能源装机规模越大，SCR 越低。从长远判断，伴随着新能源渗透率的提高以及老旧 火电的逐步退出，SCR必然随之降低。 在较低的SCR情况下，逆变器注入的任何扰动都将被弱电 网放大。因此电站保持稳态运行、完成暂态故障穿越、维 持电能质量显得非常重要。任何一方面性能不达标，都有 可能导致电站无法并网，或者频繁遭遇限发的局面。在新能 源渗透率急速提高的背景下，改进逆变器的控制性能，使 之与弱电网特征相适应，甚至更好的支撑电网，成为亟待 重视的问题。 2.2 光伏成为主力电，全球提高电站准入门槛，保障电网安全稳定 2019年-2020年，世界多国针对弱电网问题发布了针对性 的电网标准，提高逆变器性能适配弱电网环境的政策导向 非常明确，典型标准如： (1) 2019年2月，澳大利亚基于其2016年大停电的经验 教训，发布新National Electricity Rule，明确要求光伏 电站需要适配SCR=3的弱电网环境（对应逆变器机端 SCR=1.5），并对电站无功能力、谐波水平（满足要求 的逆变器THDi需小于0.5%）、故障穿越、电压控制、 频率调节等一系列指标做出详细规定； (2) 2019年9月，西班牙电网REE修改其入网标准，原标 准光伏电站只需要适应SCR＞20的极强电网，而新要 求中光伏电站的最低标准为适应SCR＞5（满足实际 应用的逆变器SCR能力需要在1.5附近）； (3) 基于5GW风电场无法并网教训，2019年9月北美电 力可靠性委员会NERC，修改其监管导则，其中明确要 求各地输电网公司必须监管新能源电站SCR水平。 3 光伏电站弱电网支撑技术白皮书 2.3 中国电网标准与时俱进 中国电网网架坚强，但是面对激增的新能源，电网局部仍 然呈现弱电网特点，风、光密集装机地区，SCR降至2.0 附近甚至更低的情况屡见不鲜。2019年开始，一系列新标 准新规定陆续发布，新能源的弱网适应性问题不可回避。 (1) 2019年12月，中国发布GB 38955-2019《电力系统 安全稳定导则》，其中首次在标准中加入了短路比的 定义，并明确提出新能源需要提供必要的短路容量支 撑；该国标在随后在多地电网公司的运行管理信函（如 青海电网、张北地区电网等）中广泛沿用。 (2) 2019年12月，中国针对HVDC特点，发布了GB/T 37408《光伏发电站并网逆变器技术要求》，强化了光 伏逆变器高穿有功稳定性、高低电压穿越能力、频率 适应性等电网适应性要求，提高了准入门槛，主要体 现在如下方面： a. 电网短路类型由三种增加到四种，全面覆盖电网短 路类型； b. 要求逆变器在高电压穿越期间输出的有功功率应保 持不变，允许误差不应超过10%PN； c. 为了帮助电网将电压恢复到正常范围内，低电压穿 越期间逆变器应发出动态感性无功功率，高电压穿 越期间逆变器应吸收动态感性无功功率； d. 故障穿越期间动态无功电流的响应时间不大于60ms， 最大超调量不大于20%，调节时间不大于150ms。 4 光伏电站弱电网支撑技术白皮书 3.1 弱电网适应，逆变器如何应对 在弱电网环境中，逆变器必须要保障全工况下的稳定： (1) 在弱电网工况下，逆变器的稳定裕度减小，逆变器在 接近满载时很容易发生振荡。作为最基本的要求，逆 变器必须具备在宽SCR范围内的稳定发电的能力。 (2) 在弱电网工况下，电网短路瞬间带来的相位跳变对逆 变器的稳定故障穿越造成的极大的挑战，有可能造成 故障穿越失败脱网，甚至大面积损伤逆变器硬件。为 了遏制电网连锁故障，逆变器必须具备在宽SCR范围 内的故障穿越能力。 (3) 在弱电网工况下，谐波电流合格不代表谐波电压合格， 为了应对潜在的电压谐波超标问题，在宽SCR范围内 逆变器的谐波必须远远优于标准要求。 上述要求中均强调了“宽SCR范围”，表示逆变器必须同 时兼容强网和弱网。SCR与电网净负载强相关，而高渗透 率新能源接入后，电网净负载“鸭子曲线”峰谷差更加明显。 净负载高，火水电开机容量相对较大，SCR较高；净负载低， 火水电开机容量相对较大，SCR也降低。一些处在边缘地 区的电站，其SCR波动不仅受到同步发电机开机方式影响， 电网开断一回传输线路后，SCR还可能骤然减半。因此仅 考虑某一种特殊的弱网工况不足以全面应对风险，必须保 证强网和弱网、空载与满载工况的宽适应。 3.2 AI加持，从适应电网走向支撑电网 华为将通讯行业积累多年的软件算法、弱电网运行经验引 入光伏行业，建立了精准的不同类型的并网场景、电站设 计、电网运行工作点的数学模型，利用大数据训练最优并 网控制算法，从而在各种恶劣的电网波形下能保证逆变器 持续并网发电，不脱网。借助创新算法和海思自研芯片技 术，利用智能控制器的高速处理能力、高采样和控制频率、 控制算法等优势，采用先进的谐波抑制等算法主动响应电 网的变化，使光伏电站接入电网的总谐波更优。 在最新推出的AI BOOST智能光伏6.0+方案中，华为在业 内首次引入阻抗重塑的AI自学习算法，融合动态阻尼适配 算法，智能串补自适应算法、主动谐波抑制算法等多种领 先并网算法，通过AI自学习动态地调整电站本身的电气特 性来匹配电网，使电网保持稳定。引领光伏发电从“适应 电网”走向“支撑电网”，安全应对SCR1.5工况。相比 其它不具备自适应智能算法的集中式和组串式逆变器，华 为组串式逆变器对全球不同电网的各类恶劣工况的适应能 力更强，能够帮助光伏电站获得更卓越的并网性能，更好 的提高电网的稳定性和安全性。 2019新国标GB/T37408技术规范标准较之前使用版本， 强化了高穿有功稳定性、高低电压穿越能力、频率适应性 等电网适应性要求，提高了准入门槛，特别适合西北、西 南电网HVDC(特高压直流)新能源送出环境，更有利于 03 解决方案 5 光伏电站弱电网支撑技术白皮书 光伏并入电网的安全稳定性。2020年4月，中国电科院 南京分院向华为颁发逆变器新国标认证证书，这是自2019 年国内正式执行新国标（GB/T 37408《光伏发电站并网 逆变器技术要求》）实施检测认证以来的首次颁证。华为 SUN2000-196KTL机型成为行业内首款通过新国标考核的 光伏逆变器。 2020年6月，中国电科院与华为一起，定义了弱电网适 应测试用例，迈出了逆变器弱电网适应能力标准化的关键 一步，针对逆变器稳定发电、谐波抑制、故障穿越能力进行 了较完善的测试，并于7月完成测试。解释结果表明，华为 SUN2000-196KTL机型具有良好的弱电网适应能力，表现 出优异的性能。在覆盖SCR1.2-5.0的弱网-强网、从空载 到满载的一系列测试用例中，能够保持功率精准稳定、谐 波含有量（以额定电流计）小于1%、可靠故障穿越。 3.3 弱电网适应性案例 中国西藏 西藏电网由于其弱电网的特殊性，需要减少LVRT情况下发 电设备对电网的冲击，对接入到西藏电网光伏并网逆变器 提出更严苛的要求。例如，LVRT期间逆变器需具备持续的 有功电流输出能力，LVRT结束逆变器要具备有功功率快速 恢复能力和70%Un以上逆变器需具备持续并网运行能力。 华为逆变器通过AI加持的智能并网控制算法，在LVRT期 间，通过稳定控制无功电流输出，实现有功电流的精准控 制。保障逆变器在LVRT暂态和稳态冲击下的并网稳定性， 持续输出有功无功功率支撑电网快速恢复。同时，华为逆 变器通过先进的故障穿越检测算法，能够快速识别LVRT 状态，在LVRT恢复时通过实时快速的功率控制，保障持 续不间断的输出功率。在LVRT结束后，有功功率在0.5s 内恢复至故障前水平，减少电站因LVRT造成的功率不稳 定风险；华为智能光伏解决方案一次性通过低电压穿越 （LVRT）性能检测，各类技术指标表现优越，居全球领先 水平，是西藏电网环境中首个通过该项测试的逆变器企业。 德琴光伏电站也成为西藏首个通过现场低电压穿越等电网 性能优化的光伏电站。 6 光伏电站弱电网支撑技术白皮书 Figure 2 澳洲NER标准要求电站接入后关键联络线振荡阻尼不得衰减 澳大利亚 澳大利亚地广人稀，人口聚集于东部沿海，本身电网呈现“长 链式”结构本身强度较弱，另一方面澳大利亚还具有宏大 的新能源发展计划，新能源渗透率（以装机功率计）已超 过50%，两种因素相互叠加，导致澳洲的新能源电站并网 要求远远严格于其他世界地区。澳洲新能源接入所面临的 困难，也是其他国家与地区所将面临之挑战的一个缩影。 具体而言，在2016年举世瞩目的南澳州大停电时间之后，政 府立刻着手修订新能源接入标准，并在2018年9月（National Electricity Rule Version 114）正式发布。在新标准中，逆变 器必须保证： (1) 具备SCR1.5环境下的平稳发电的能力 (2) 具备SCR1.5环境下连续15次对称/非对称故障穿越 的能力 (3) 故障恢复功率梯度在10pu/s左右，低穿注入系数为 4~6 (4) 必须维持电网关键传输线路上的振荡阻尼水平 (5) 保证并网点电压谐波畸变THDu1%（对应逆变器 THDi在0.5%附近） (6) 具备2秒内完成电站电压控制的能力 种种因素综合起来，一般的逆变器极难满足稳定运行。在 2018年以前，德国某逆变器厂家由于市场布局早，几乎是 澳洲市场上唯一能够达标的制造商，占据90%+市场份额。 2018年8月，华为识别“电网标准更新”这一弯道机会，开 始拓展澳洲地面电站业务。凭借电网友好技术积淀，在经 过6轮技术审查、澄清250余项问题后，先后于2019年2 月、8月获得首例、第二例项目并网批准，取得0到1，1 到N的突破。成为首个获得澳洲地面电站电网批准的中国 逆变器厂家。 Figure 1 澳洲NER标准连续15次故障穿越过程 7 光伏电站弱电网支撑技术白皮书 其他弱电网案例 早在2014年，华为在青海共和200MW光伏电站就一举 成功通过现场LVRT测试。在印度、中东、北非等多个国 家的弱电网环境中，华为逆变器在故障穿越能力方面均变 现出色，获得了业主的高度评价。此次在西藏电网环境中 顺利通过LVRT测试，再次表明华为在光伏并网友好性方 面处于绝对领先水平，引领光伏从适应电网走向支撑电网。 印度Karnataka某100MW智能光伏电站，位于偏远山区， 通过多级升压并入电网，属于典型的弱电网场景。采用华 为AI BOOST智能并网算法后，一次性成功并网，电能质 量显著优于同区域电站。 内蒙某100 MW智能光伏电站，距离110kV并网点80km 以上，短路容量比为2，属于典型的弱电网场景。该项目 全部采用华为智能光伏，智能逆变器在低短路容量比情况 下稳定运行。 宁夏某26.68MWp光伏扶贫村级电站，位于偏远山区，涉 及12个乡镇的89个贫困村，农村弱电网电压，频率不稳 定，多个扶贫电站同时接入电网容易导致谐振和电压异常等 问题。该扶贫电站全部采用华为智能光伏解决方案后，电 网故障全部消除，全部光伏电站稳定工作。 过去十年，光伏电站单瓦成本不断走低。未来光伏有望成 为电力系统的“主力电”。 理论分析与各地案例表明，在弱电网环境中，传统解决方 案容易出现电能质量差，光伏发电输出功率不稳定，甚至 脱网的现象。华为AI BOOST智能并网算法，支撑平价上 网时代高比例光伏场景，帮助解决大规模、高比例新能源并 网稳定运行的世界级难题。华为始终秉承以客户为中心，通 过电子技术、芯片技术、AI等新ICT技术与光伏融合，持续 创新，从电网适应走向电网支撑，提高新能源渗透率，让光 伏从平价能源走向“主力电”、“优质电”。 04 总结展望 8 光伏电站弱电网支撑技术白皮书 商标声明 ， ， 是华为技术有限公司商标或者注册 商标，在本手册中以及本手册描述的产品中，出现的其它商标，产品 名称，服务名称以及公司名称，由其各自的所有人拥有。 免责声明 本文档可能含有预测信息，包括但不限于有关未来的财务、运营、产 品系列、新技术等信息。由于实践中存在很多不确定因素，可能导致 实际结果与预测信息有很大的差别。因此，本文档信息仅供参考，不 构成任何要约或承诺，华为不对您在本文档基础上做出的任何行为承 担责任。华为可能不经通知修改上述信息，恕不另行通知。 版权所有© 华为技术有限公司 2020。保留一切权利。 非经华为技术有限公司书面同意，任何单位和个人不得擅自摘抄、复 制本手册内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。 华为技术有限公司 深圳龙岗区坂田华为基地 电话：+86 755 28780808 邮编：518129 www.huawei.com