光伏逆變器無功功率特性研究

焦 龍，馬金龍

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011;

2.振發(fā)新能源科技有限公司， 江蘇 無錫 214073）

光伏逆變器無功功率特性研究

焦 龍1，馬金龍2

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011;

2.振發(fā)新能源科技有限公司， 江蘇 無錫 214073）

為了解決光伏電站無功調(diào)節(jié)能力問題，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和對(duì)光伏逆變器群的性能進(jìn)行分析，驗(yàn)證了光伏逆變器群能夠產(chǎn)生感性和容性無功功率，具備良好的無功調(diào)節(jié)能力，可作為光伏電站的無功輸出設(shè)備。試驗(yàn)結(jié)果表明：光伏逆變器具有的無功調(diào)節(jié)能力在減少無功補(bǔ)償設(shè)備投入容量、滿足系統(tǒng)無功需求的同時(shí)，也降低了電能損耗，節(jié)約了投資成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞： 光伏逆變器；無功補(bǔ)償；動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

太陽能是地球上最豐富的能源，其受地域限制較小，幾乎可以在地球上任一個(gè)地區(qū)使用［1-2］。寧夏是我國太陽能及其豐富的省份，太陽能年輻射總量為4 950～6 100 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)為2 250～3 100 h，日照百分率為50%～69%。寧夏的銀川北部、中衛(wèi)、太陽山及香山等地區(qū)，屬于我國太陽輻射的高能區(qū)。

截止2015年10月，寧夏地區(qū)發(fā)電總裝機(jī)容量為26.6 GW，其中光伏電站裝機(jī)容量約為2.7 GW,占總裝機(jī)容量的10%。寧夏計(jì)劃到2016年，光伏電站裝機(jī)容量達(dá)到4.8 GW的水平。

大面積光伏電站接入電網(wǎng)就要求光伏電站具備一定無功備用容量，在電網(wǎng)故障或異常時(shí)，向電網(wǎng)提供無功支持，當(dāng)發(fā)生故障后，無功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)能力可以加快故障切除后風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的恢復(fù)過程，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光伏電站常用的無功補(bǔ)償裝置為靜止無功發(fā)生器（static var generator,SVG）,目前有學(xué)者提出［3-4］可利用逆變器群調(diào)節(jié)光伏電站無功功率，因此，需要驗(yàn)證逆變器群是否能夠和SVG具備同樣無功調(diào)節(jié)的能力。

1 利用光伏逆變器調(diào)節(jié)無功功率現(xiàn)狀及存在問題

寧夏絕大部分光伏電站將SVG安裝在光伏電站的出口，根據(jù)光伏電站接入點(diǎn)的電壓偏差量來控制無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償?shù)臒o功功率，而利用光伏逆變器群作為無功功率輸出設(shè)備的只有少數(shù)光伏電站。

如今SVG作為成熟產(chǎn)品，其性能如動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、無功調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)等都符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)［5，6］的要求。但是光伏逆變器群作為無功功率輸出設(shè)備在光伏電站使用很少，還未進(jìn)行系統(tǒng)性驗(yàn)證，證明其性能指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并具有和SVG同樣能力或者更優(yōu)秀的性能，能夠滿足電網(wǎng)需求。因此需要找到正確、實(shí)用的試驗(yàn)方法，以驗(yàn)證光伏逆變器群作為無功功率輸出設(shè)備的性能指標(biāo)是否滿足上述要求。

2 光伏逆變器調(diào)節(jié)無功功率性能測(cè)試及分析

2.1 光伏逆變器無功功率輸出原理

2.1.1 光伏逆變器參數(shù)

本次試驗(yàn)在固原某光伏電站開展，其光伏逆變器型號(hào)為陽光電源SG500 KTL，額定功率為500 kW,共58臺(tái)，交流側(cè)額定電壓：270 V AC,直流側(cè)額定電壓：1 000 V DC。

2.1.2 無功功率輸出原理

根據(jù)光伏逆變器的并網(wǎng)原理能夠知道，光伏電站除無功補(bǔ)償裝置以外，無功出力是站內(nèi)所包含的58臺(tái)逆變器的無功出力能力之和。在有功出力已知的情況下，逆變器無功出力能力受逆變器的開關(guān)管容量限制。并且有功調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)是解耦控制，逆變器調(diào)節(jié)無功不影響有功出力［3］。

圖1為單級(jí)式光伏發(fā)電單元示意圖。

圖1 單級(jí)式光伏發(fā)電單元

光伏發(fā)電系統(tǒng)注入交流系統(tǒng)的有功、無功可以表示為

式中：pgen、Qgen—逆變器輸出的有功、無功功率；

Ub、Uterm—逆變器橋臂電壓和交流側(cè)輸出電壓；

XL—橋臂電抗；

δ—電壓相角差。

那么：

在實(shí)際運(yùn)行中只要知道光伏逆變器額定有功功率和額定功率因數(shù)，就可以大概算出1臺(tái)逆變器能夠給出的無功功率大小，如所測(cè)試光伏電站，假設(shè)額定有功功率為500 kW,額定功率因數(shù)為0.95，那么理論上單臺(tái)逆變器能夠發(fā)出無功功率164.5 kvar。

2.2 光伏逆變器無功功率輸出特性試驗(yàn)方案

2.2.1 測(cè)試條件及測(cè)試設(shè)備

被測(cè)試光伏電站所有逆變器均可以正常發(fā)電，測(cè)試全過程中站內(nèi)SVG退出，AVC/AGC退出。測(cè)試采用2臺(tái)北京同控公司生產(chǎn)的TK3016便攜式電量（波形）記錄分析儀，在光伏電站出線處全程錄波。

2.2.2 測(cè)試點(diǎn)布置

圖2為被測(cè)試光伏電站主接線圖。如圖2所示，1臺(tái)測(cè)試設(shè)備接35 kV母線出線開關(guān)處，用于測(cè)試光伏電站全站的無功/電壓控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；另一臺(tái)設(shè)備接314線路進(jìn)線開關(guān)處，用于測(cè)試光伏電站的動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)時(shí)間。

圖2 被測(cè)試光伏電站主接線

2.3 測(cè)試結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

2.3.1 光伏逆變器恒電壓模式下電壓調(diào)節(jié)精度

按照電網(wǎng)要求，試驗(yàn)期間并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制在35.5～37 kV，并網(wǎng)點(diǎn)恒電壓模式下的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

全站有功可調(diào)容量29 MWp，從表1中數(shù)據(jù)可以看出，并網(wǎng)點(diǎn)電壓目標(biāo)值為36 kV時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓實(shí)際值為35.84 kV，誤差為0.16 kV。并網(wǎng)點(diǎn)電壓目標(biāo)值為36.5 kV時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓實(shí)際值為36.40 kV，誤差為0.10 kV。并網(wǎng)點(diǎn)電壓目標(biāo)值為37 kV時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓實(shí)際值為36.97 kV，誤差為0.03 kV。并網(wǎng)點(diǎn)電壓目標(biāo)值為35.5 kV時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓實(shí)際值為35.61 kV，誤差為0.11 kV。以上試驗(yàn)誤差均小于0.175 kV（標(biāo)稱電壓的0.5%），滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29321—2012的要求。

2.3.2 光伏逆變器恒無功模式下無功調(diào)節(jié)精度

同樣按照電網(wǎng)要求，試驗(yàn)期間保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓在35.5～37 kV，并網(wǎng)點(diǎn)恒電無功模式下的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，并網(wǎng)點(diǎn)無功功率目標(biāo)值為5 Mvar時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)無功功率實(shí)際值為4.97 Mvar，誤差為0.03 Mvar，小于0.25 Mvar。并網(wǎng)點(diǎn)無功功率目標(biāo)值為-1 Mvar時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)無功功率實(shí)際值為-0.98 Mvar，誤差為0.02 Mvar，小于0.05 Mvar。并網(wǎng)點(diǎn)無功功率目標(biāo)值為-3 Mvar時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)無功功率實(shí)際值為-2.97 Mvar，誤差為0.03 Mvar，小于0.15 Mvar。以上試驗(yàn)誤差均在允許范圍內(nèi)。電站無功出力從5 Mvar到-1 Mvar，35 kV母線電壓降低1.03 kV，具有較好的調(diào)壓效果。

表1 并網(wǎng)點(diǎn)恒電壓連續(xù)運(yùn)行范圍測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 并網(wǎng)點(diǎn)恒無功連續(xù)運(yùn)行范圍測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3.3 光伏逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)

令全站無功調(diào)節(jié)處于自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)連續(xù)運(yùn)行模式下，并網(wǎng)點(diǎn)電壓在標(biāo)稱電壓的97%～107%范圍內(nèi)。選取光伏發(fā)電站一條集電線路作為擾動(dòng)線路，令該集電線路下所有逆變器處于最大無功輸出模式，穩(wěn)定后記錄光伏電站35 kV出線側(cè)有功功率、無功功率、電流和電壓；切除該條集電線路，擾動(dòng)35 kV母線電壓，記錄光伏電站35 kV出線側(cè)有功功率、無功功率、電流、電壓和動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)時(shí)間。并網(wǎng)點(diǎn)光伏逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 并網(wǎng)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表3可以看出，切除被選集電線路容性無功4.69 Mvar，動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)時(shí)間為23.281 ms；切除被選集電線路感性無功4.76 Mvar，動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)時(shí)間為26.719 ms。滿足文獻(xiàn)［6］的要求。

3 效果評(píng)價(jià)

此次光伏逆變器無功功率輸出特性試驗(yàn)驗(yàn)證了光伏逆變器群作為無功功率輸出設(shè)備可以產(chǎn)生感性、容性無功功率，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為23.281 ms和26.719 ms，恒電壓模式下的調(diào)節(jié)精度最大為0.4%，恒無功模式下的調(diào)節(jié)精度最大為2%，都小于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的限值，且達(dá)到了SVG同樣效果，并且光伏逆變器是光伏電站核心部件，其提供無功功率輸出不需要額外再加裝設(shè)備，因而不需要額外支出，減少了資金投入，在成本節(jié)省方面較SVG具有較大優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

光伏電站大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)無功調(diào)節(jié)能力提出了考驗(yàn)，對(duì)無功補(bǔ)償裝置的利用能夠起到一定的電壓調(diào)節(jié)能力［4］。通過此次試驗(yàn)證明了除常用無功補(bǔ)償裝置外，利用光伏逆變器群調(diào)節(jié)光伏電站無功功率的可行性。

（1）此次試驗(yàn)驗(yàn)證了光伏逆變器在發(fā)電過程中也能夠幫助電網(wǎng)進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，并且光伏逆變器在無功調(diào)節(jié)過程中，光伏逆變器無功功率輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、恒電壓模式和恒無功模式下的調(diào)節(jié)精度能力均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）光伏逆變器作為光伏電站核心部件，其在電能轉(zhuǎn)換的過程中發(fā)出無功功率滿足了電網(wǎng)需求，并且不需要電站支出額外的費(fèi)用，因此節(jié)約了投資成本，同時(shí)還降低了電能損耗，提升了經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 尹忠東，朱永強(qiáng).可再生能源發(fā)電技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［2］ 曹勇，劉萬兵，王慶勇.光伏發(fā)電逆變器工作原理及控制［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2013，32（12）：119-122.

［3］ 耿新輝.光伏逆變器功率輸出特性研究［J］.現(xiàn)代制造，2014（24）：46-47.

［4］ 太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［5］ GB/T 19964—2012，光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定［S］.

［6］ GB/T 29321—2012，光伏發(fā)電站無功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范［S］.

Research on reactive power characteristic of photovoltaic inverter

JIAO Long1,MA Jinlong2
(1.Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.，Yinchuan Ningxia 750011，China;
2.Zhenfa New Energy Science&Technology Co.,Ltd.,Wuxi Jiangsu 214073,China)

In order to solve the problem of the reactive power adjustment capability of the photovoltaic power station,by the test analyzes the characteristic of the photovoltaic inverters,verifies the photovoltaic inverters can produce inductive and capacitive reactive power,has fine reactive power adjustment capability,it can use the photovoltaic power station as reactive power output equipment. The test result shows that the reactive power adjustment capability of photovoltaic inverters not only reduce the input capability of the reactive power compensation equipments and satisfy the needs of the system reactive power,but also reduce the electric energy loss,save the investment cost and increase the economic benefits.

photovoltaic inverter;reactive power compensation,dynamic response time

TM513

A

1672-3643（2017）01-0054-04

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.011

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（國網(wǎng)運(yùn)檢計(jì)劃〔2014〕36號(hào)）。

2016-10-16

焦龍（1984），男，工程師，從事涉網(wǎng)試驗(yàn)工作。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.011