基于并網(wǎng)逆變器的無功協(xié)調(diào)控制研究

徐莉娜，曹煒，侯亞文，孫靜

（1.上海電力學(xué)院，上海 200090；2.國網(wǎng)上海奉賢供電公司，上海 201499）

基于并網(wǎng)逆變器的無功協(xié)調(diào)控制研究

徐莉娜1，曹煒1，侯亞文1，孫靜2

（1.上海電力學(xué)院，上海 200090；2.國網(wǎng)上海奉賢供電公司，上海 201499）

分布式電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)的電壓分布提出了更高的要求。首先，分析了含有分布式電源的饋線的電壓分布特點(diǎn)，指出對分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)的電壓要求應(yīng)比現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，從而減輕對同一饋線上其他負(fù)荷和分布式電源電壓的不良影響；然后，研究了基于并網(wǎng)逆變器閑置無功能力協(xié)調(diào)成組投切的電容器、電抗器的分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制方式，即通過對有容量裕度的并網(wǎng)逆變器采用PV控制，并設(shè)置逆變器閑置無功能力警戒線協(xié)調(diào)電抗器組、電容器組的投切，使并網(wǎng)點(diǎn)電壓保持在要求的范圍內(nèi)。設(shè)計了實(shí)現(xiàn)上述功能的控制系統(tǒng)，并在Matlab/Simulink平臺上搭建了相應(yīng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)達(dá)到了以上控制目標(biāo)。

并網(wǎng)逆變器；剩余容量；電壓控制；無功補(bǔ)償；協(xié)調(diào)控制；PV控制；閑置無功能力

隨著能源需求的日益增長，可再生能源的研究得到越來越多的關(guān)注[1-3]。分布式發(fā)電（distributed ge neration，DG）以其綠色環(huán)保、與大電網(wǎng)互為補(bǔ)充、提高電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的靈活性和可靠性[4]等優(yōu)點(diǎn)，成為今后智能配電網(wǎng)的重要發(fā)展趨勢[5]。

盡管分布式能源具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但是大量的分布式能源并網(wǎng)后，如風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電，由于受氣象環(huán)境等因素影響較大，會對并網(wǎng)電壓質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，產(chǎn)生電壓波動，還可能發(fā)生電壓瞬時閃變、電壓暫降等[6-8]。特別是分布式電源改變了配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，使配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的單側(cè)電源結(jié)構(gòu)改變?yōu)殡p側(cè)電源結(jié)構(gòu)，使潮流在配電線上雙向流動，加大了含有分布式電源并入的配電線路上電壓幅值的波動頻次和幅度，使過去按單側(cè)電源配置的無功調(diào)節(jié)補(bǔ)償設(shè)備不能滿足保證雙側(cè)電源情況下的電壓合格率要求[9-10]。

目前常見的無功補(bǔ)償裝置有可投切電容器組[11-12]、SVC/SVG[13-14]等。成組投切電容器組具有補(bǔ)償容量大、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在仍被廣泛使用[15-16]。但其只能實(shí)現(xiàn)分級投切，不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，且只能發(fā)出但不能吸收無功功率（本文若未加特別說明，無功功率均指感性無功）。SVC/SVG的無功補(bǔ)償能力強(qiáng)，可連續(xù)雙向調(diào)節(jié)無功，既能發(fā)出無功功率又能吸收無功功率，但價格昂貴[17]。

由于分布式能源受到自然資源的限制，很多情況下并網(wǎng)逆變器無法按照額定的容量滿發(fā)，即并網(wǎng)逆變器存在一定的剩余容量。故對于以逆變器接入電網(wǎng)的分布式電源，如何利用逆變器本身的無功調(diào)節(jié)能力來改善配電網(wǎng)中的電壓分布也是值得研究的問題。與此同時，當(dāng)有分布式電源時，特別是當(dāng)分布式電源發(fā)電能力相對于本地負(fù)載較大甚至能有余電上網(wǎng)時，考慮到配網(wǎng)電壓分布，有時是需要分布式電源既能發(fā)出也能吸收無功功率來改善并網(wǎng)點(diǎn)電壓的，如果此時負(fù)荷峰谷差較大，則僅靠并網(wǎng)逆變器的剩余容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠調(diào)整并網(wǎng)點(diǎn)電壓所需的無功，故還應(yīng)考慮逆變器剩余容量和其他的無功補(bǔ)償設(shè)備協(xié)調(diào)控制滿足并網(wǎng)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)需求。

文獻(xiàn)[18]通過用光伏逆變器補(bǔ)償光伏電源本地負(fù)荷中的無功電流來調(diào)節(jié)光伏逆變器提供的無功功率，從理論和實(shí)驗(yàn)上證明了光伏逆變器能夠動態(tài)提供無功功率。文獻(xiàn)[19]針對中等規(guī)模光伏電站，基于光伏逆變器的剩余容量建立了集成電壓諧波、電壓暫降治理和無功補(bǔ)償?shù)裙δ艿墓夥娬静⒕W(wǎng)仿真模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[20]對利用逆變器的剩余容量進(jìn)行電能質(zhì)量綜合治理所需的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜述。上述文獻(xiàn)的著眼點(diǎn)都在于動態(tài)補(bǔ)償無功功率，使分布式發(fā)電和本地負(fù)荷這個聯(lián)合體的功率因數(shù)滿足電網(wǎng)要求。

文獻(xiàn)[21]提出了無功功率補(bǔ)償裝置SVC/SVG與光伏并網(wǎng)發(fā)電相結(jié)合的光伏并網(wǎng)逆變器控制方案，使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在向電網(wǎng)提供有功功率的同時向電網(wǎng)提供無功功率。它將無功的動態(tài)調(diào)節(jié)限定由SVC/SVG完成，而并網(wǎng)光伏逆變器仍工作在MPPT和定無功功率狀態(tài)，只是無功功率的設(shè)定值可由AVC指令進(jìn)行調(diào)度設(shè)定。文獻(xiàn)[21]很好地展示了利用逆變器剩余容量協(xié)調(diào)配合其他無功電壓調(diào)節(jié)手段的現(xiàn)實(shí)需求與可能，但該方案由于使用了SVC/SVG，配置高，設(shè)備投資費(fèi)用高，從而影響方案的經(jīng)濟(jì)性，并且該方案雖然利用了并網(wǎng)逆變器調(diào)節(jié)無功，但這種調(diào)節(jié)是根據(jù)調(diào)度命令執(zhí)行的，本質(zhì)上并未利用逆變器動態(tài)調(diào)節(jié)無功的能力。

實(shí)際上從電力系統(tǒng)運(yùn)行的角度看，補(bǔ)償無功并不是目的，只是手段，無功補(bǔ)償?shù)淖罱K目的是為了保證供電電壓合格?？紤]到分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)電壓對共饋線負(fù)荷或共饋線其他分布式電源節(jié)點(diǎn)電壓的影響，更應(yīng)重視改善并網(wǎng)點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)[22]，即將動態(tài)調(diào)節(jié)無功的目標(biāo)放在改善電壓質(zhì)量而不是滿足功率因素要求上，因?yàn)楫?dāng)饋線上有分布式電源時，功率因數(shù)要求和電壓合格率要求往往是不能兼顧的[23]。

考慮到理論和實(shí)踐都已證明逆變器不但可以調(diào)節(jié)無功功率，而且可以像SVG一樣動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率，本文將逆變器與技術(shù)上更簡單、經(jīng)濟(jì)上更具優(yōu)勢的成組投切的電容器、電抗器配合，即：用逆變器剩余容量動態(tài)調(diào)節(jié)無功，并配置成組投切的電容器、電抗器降低整個裝置的經(jīng)濟(jì)投入，使逆變器控制器既能動態(tài)調(diào)節(jié)其自身發(fā)出或吸收的無功功率，又能協(xié)調(diào)控制成組電容器、電抗器的投切，從而讓逆變器和成組投切的電容器、電抗器發(fā)揮各自的優(yōu)勢，共同完成調(diào)整并網(wǎng)點(diǎn)電壓的目的。傳統(tǒng)的饋線上沒有分布式電源，負(fù)荷點(diǎn)距電源點(diǎn)越遠(yuǎn)，其電壓越低，故無功補(bǔ)償一般只考慮裝設(shè)成組投切的電容器，不考慮裝設(shè)成組投切的電抗器；但饋線上如果有分布式電源，當(dāng)分布式電源出力較大疊加負(fù)荷低谷時，并網(wǎng)點(diǎn)電壓有可能過高[24-25]，影響?zhàn)伨€供電電壓合格率，所以本文還考慮了配置成組投切的電抗器。

本文設(shè)計了一種利用并網(wǎng)逆變器剩余容量與成組投切電容器組、成組投切電抗器組相結(jié)合的無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，使并網(wǎng)逆變器進(jìn)行無功功率的動態(tài)精補(bǔ)償，使電容器組、電抗器組進(jìn)行無功功率的動態(tài)粗補(bǔ)償；并對并網(wǎng)逆變器采用PV控制，從而保證逆變器端口輸出電壓相對恒定；同時在極端條件下，調(diào)低或調(diào)高PV控制的電壓設(shè)定值，從而解放并網(wǎng)逆變器的自身容量，以足夠的閑置無功能力應(yīng)對配網(wǎng)電壓隨機(jī)波動。該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓、動態(tài)補(bǔ)償配網(wǎng)無功需求的能力。在Matlab/Simulink平臺上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果證明了該系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法的有效性。

1 系統(tǒng)配置原則及協(xié)調(diào)控制策略

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制并網(wǎng)逆變器、成組投切電容器組、成組投切電抗器組，以維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)為目標(biāo)，動態(tài)補(bǔ)償配電線路中的無功需求，其一次設(shè)備構(gòu)成見圖1。

圖1 基于逆變器的無功補(bǔ)償一次系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Framework for primary system of dynamic var compensation

下面說明逆變器容量、電容器組容量、電抗器組容量配置的一般原則和對其進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的策略。

1.1 分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)調(diào)壓范圍的設(shè)定

我國對不同電壓等級的供電點(diǎn)的電壓偏差作了明確的限值規(guī)定[26]。

為了保證如表1所示的電壓幅值質(zhì)量，我國采用無功功率就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t，具體為對用戶規(guī)定了功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對一定容量以上的用戶，根據(jù)月平均功率因數(shù)是否達(dá)標(biāo)調(diào)整其電度費(fèi)率。這一措施可以理解為用戶通過調(diào)整其功率因素，配合電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對用戶的優(yōu)質(zhì)供電（即達(dá)表1標(biāo)準(zhǔn)）。

表1 各電壓等級允許的電壓偏差Tab.1 Voltage deviation standard in China

假設(shè)某配電線路上共n個節(jié)點(diǎn)，在h點(diǎn)接入一個微源，設(shè)由于該微源的接入，在0到h之間的某一個節(jié)點(diǎn)m產(chǎn)生功率分點(diǎn)[27]，此時潮流具體功率流動方向及其加入DG（設(shè)其只發(fā)有功，不調(diào)無功）前后的電壓對比如圖2所示。

圖2 分布式電源對饋線電壓分布的影響Fig.2 Impacts of DG on distributed system voltage profile

圖2中，實(shí)線為未接入DG時某一負(fù)載水平下的線路電壓分布圖；2條虛線為接入DG后線路電壓分布圖，分別展示了2種極端情況下的電壓分布。當(dāng)系統(tǒng)處于輕載狀態(tài)且并網(wǎng)逆變器滿發(fā)時，h點(diǎn)的電壓可能過高，其他節(jié)點(diǎn)的電壓也被動抬高，可能引起電壓越上限；當(dāng)系統(tǒng)處于重載狀態(tài)且分布式電源由于自然資源的限制無電可發(fā)時，某些節(jié)點(diǎn)的電壓可能過低甚至低于下限值。

盡管《國家電網(wǎng)公司關(guān)于印發(fā)分布式電源并網(wǎng)相關(guān)意見和規(guī)范（修訂版）的通知》明確指出：“分布式電源接入后，其與公共電網(wǎng)連接（如用戶進(jìn)線開關(guān)）處的電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波、三相電壓不平衡、間諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)滿足GB/T 12325、GB/T 12326、GB/T 14549、GB/T 15543、GB/T 24337等電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)要求?！奔捶植际诫娫吹慕尤朦c(diǎn)的電壓偏差需且只需滿足表1要求。但考慮到分布式電源不再是個純粹的負(fù)荷用戶，在某些情況下它也可能向電網(wǎng)賣電，所以按照一般的負(fù)荷用戶要求其達(dá)到表1所示的電壓偏差標(biāo)準(zhǔn)，將可能對同一饋線上其他用戶或其他分布式電源造成不利影響。

設(shè)系統(tǒng)電源點(diǎn)電壓是滿足表1要求的，由圖2可知，當(dāng)分布式電源在線路末端時，即h點(diǎn)與n點(diǎn)合二為一時，只要系統(tǒng)電源點(diǎn)電壓和分布式電源電壓在兩種極端情況（輕載滿發(fā)、重載不發(fā)）下都滿足表1要求，配線上其他點(diǎn)也必滿足表1要求，此時各設(shè)備容量配置的目標(biāo)設(shè)為分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)電壓滿足表1要求即可，此時分布式電源按標(biāo)準(zhǔn)接入是有利于改善配線上其他負(fù)荷點(diǎn)電壓偏差質(zhì)量的。

當(dāng)分布式電源未接在線路末端，但其后（h點(diǎn)至n點(diǎn)）再無其他分布式電源接入，饋線輕載、分布式電源滿發(fā)時，只要并網(wǎng)點(diǎn)電壓不越上限，則整條配線電壓也不會越上限。但饋線重載、分布式電源不發(fā)時，如果h點(diǎn)的無功按保證表1所示的電壓下限配置，將不利于保證位于h點(diǎn)后的負(fù)荷點(diǎn)的電壓滿足表1要求。雖然如此，h點(diǎn)分布式電源按表1標(biāo)準(zhǔn)接入，并沒有惡化整條配線上負(fù)荷點(diǎn)的電壓幅值質(zhì)量，即使是h點(diǎn)后的負(fù)荷點(diǎn)電壓越下限，也是這條饋線在未接入分布式電源時就遺留下來的問題。

當(dāng)分布式電源未接在線路的末端，且其后（h點(diǎn)至n點(diǎn)）還有其他分布式電源接入，饋線輕載、分布式電源滿發(fā)時，如果h點(diǎn)電壓仍按表1上限設(shè)置，可能會導(dǎo)致h點(diǎn)后的負(fù)荷點(diǎn)電壓越上限，或者是增加h點(diǎn)后的分布式電源所需配置的無功補(bǔ)償設(shè)備容量；饋線重載、分布式電源不發(fā)時，如果h點(diǎn)的無功按保證表1所示的電壓下限配，對保證h點(diǎn)后的負(fù)荷點(diǎn)的電壓滿足表1要求，也未提供實(shí)質(zhì)性的幫助。

綜合上述3種情況，特別是后2種情況，對分布式電源如果只是要求其滿足表1要求，是和其售電方身份不相匹配的。作為售電方，分布式電源運(yùn)營者或許應(yīng)承擔(dān)更多調(diào)壓責(zé)任，至少做到不因其接入，導(dǎo)致同一饋線上其他分布式電源的電壓偏差超標(biāo)或配置更多的無功容量。所以從電網(wǎng)友好及對同一饋線上其他分布式電源友好的角度出發(fā)，分布式電源可以主動承擔(dān)更多的調(diào)壓責(zé)任，配置比滿足表1要求更多的無功補(bǔ)償容量，將其自身的電壓偏差范圍控制在比表1所示更小的區(qū)間內(nèi)。德國VDE-AR-4105標(biāo)準(zhǔn)就規(guī)定中壓并網(wǎng)微源系統(tǒng)引起的PCC電壓升高不宜超過2%[22]。本文設(shè)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差為±2%，并以此配置圖1中的逆變器容量裕度、成組投切的電容器總?cè)萘俊⒊山M投切的電抗器總?cè)萘俊?/p>

1.2 逆變器容量裕度設(shè)置

一般逆變器容量不小于其接入的分布式電源的容量，這里考慮到其在有功滿載的情況下，還要承擔(dān)無功的動態(tài)調(diào)節(jié)任務(wù)，故設(shè)置一定的逆變器容量裕度。例如，500 kWp（1 kWp表示光照強(qiáng)度流足的情況下，1 h發(fā)電1 kW·h）的光伏電池板，設(shè)置其逆變器容量為600 kW，這里增加的100 kW，即為其容量裕度。實(shí)際上雖然還沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要這樣配置，但在我國的光伏接入工程實(shí)踐中已比較普遍采用這種做法。

1.3 成組投切的電容器總?cè)萘颗渲?/p>

采用“重載不發(fā)”即饋線重載、并網(wǎng)逆變器不向系統(tǒng)輸送有功功率的情況下，使并網(wǎng)點(diǎn)電壓不比額定電壓低2%，配置成組投切的電容器總?cè)萘俊?/p>

1.4 成組投切的電抗器總?cè)萘颗渲?/p>

采用在“輕載滿發(fā)”即饋線輕載、分布式電源全出力且并網(wǎng)逆變器以100%的功率因數(shù)向系統(tǒng)輸送電能的情況下，使并網(wǎng)點(diǎn)電壓不比供電額定電壓高2%，配置成組投切的電抗器總?cè)萘俊?/p>

1.5 電容器組、電抗器組的檔數(shù)設(shè)置

每檔電抗器、電容器的容量相等，該容量由具體案例中的網(wǎng)絡(luò)接線情況進(jìn)行計算，原則上每檔的投退引起的電壓變化不應(yīng)超過之前設(shè)定的并網(wǎng)點(diǎn)調(diào)壓范圍的50%。如前設(shè)定±2%，則每檔投退引起的電壓變化范圍不應(yīng)超過額定電壓的2%。同時每檔容量還需與逆變器容量裕度配合，與逆變器的容量裕度盡量接近。如此投切一組電容器/電抗器，即可釋放逆變器的閑置無功能力用于動態(tài)調(diào)節(jié)，也不至于由于投切一組過大的電容器/電抗器導(dǎo)致動態(tài)調(diào)節(jié)的無功反轉(zhuǎn)而用掉逆變器的反向閑置無功能力，發(fā)生成組設(shè)備的過補(bǔ)償，使剩余容量沒有真正釋放。

由配置的電容器/電抗器總?cè)萘砍悦繖n容量取較大的整數(shù)，決定電容器/電抗器的投切檔數(shù)，并以此檔數(shù)修正配置的電容器/電抗器總?cè)萘俊?/p>

1.6 逆變器的閑置無功能力和成組投切的電容器電抗器協(xié)調(diào)控制策略

逆變器的剩余容量是指某時刻逆變器轉(zhuǎn)換一定數(shù)額的有功功率后可以用來發(fā)出或吸收無功功率的那部分容量：

式中：Qleft為逆變器的剩余容量；S為逆變器額定容量；P為逆變器輸出的有功功率。

逆變器的閑置無功能力是指某時刻逆變器還未被使用的容量：

式中，Qidle為逆變器的閑置無功能力，且設(shè)其與已經(jīng)使用的剩余容量Q符號相同，值為正表示發(fā)出無功，為負(fù)表示吸收無功。

為了協(xié)調(diào)利用逆變器剩余容量和成組投切的電容器/電抗器，設(shè)置逆變器閑置無功能力警戒值Qw，可設(shè)為逆變器在有功滿發(fā)下剩余容量的50%。

當(dāng)逆變器有剩余容量時，其輸出的無功功率的性質(zhì)和大小都是可以隨時連續(xù)調(diào)節(jié)的，而電容器/電抗器只可分級成組投切，所以當(dāng)出現(xiàn)無功需求變化時，由逆變器的控制電路按PV控制（定有功、定電壓控制）自動利用逆變器閑置無功能力發(fā)出或吸收無功，動態(tài)滿足新的無功需求；同時逆變器控制器的測量回路不斷監(jiān)測逆變器的輸出電流，以確定逆變器的已用容量，并確定其閑置無功能力是否已到警戒線內(nèi)，如果是，則按需要投切一組電容器/電抗器，以釋放足夠的逆變器剩余容量，用于動態(tài)調(diào)節(jié)。

如果無功補(bǔ)償設(shè)備已到能力極限（即已切除全部的電容器組且投入全部的電抗器組，或已切除全部的電抗器組且投入全部的電容器組，并且逆變器閑置無功能力低于警戒線），則針對前者（一般發(fā)生在負(fù)荷較輕且分布式電源出力較大時），調(diào)高逆變器PV控制的電壓設(shè)定值，調(diào)高幅度一般不超過并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓的2%，以釋放逆變器閑置無功能力；針對后者（一般出現(xiàn)在負(fù)荷較重，且分布式電源出力較少時），調(diào)低PV控制的電壓設(shè)定值，調(diào)低幅度一般在并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓的-2%以內(nèi)。

如果已調(diào)無可調(diào)，則說明電容器/電抗器總?cè)萘颗渲貌粔颍瑧?yīng)適時增加新的電容器/電抗器，并納入逆變器剩余容量的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制來解決這個問題。一般在設(shè)備運(yùn)行的初期不會出現(xiàn)這個現(xiàn)象，因?yàn)榘幢疚姆桨敢迅鶕?jù)預(yù)期的近期饋線沿途負(fù)荷和分布式電源狀況，配置了足夠的電容器組、電抗器組。但隨著配線負(fù)荷和配線上其他分布式電源情況的未來超期變化，可能會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。具體的策略描述見圖3。

圖3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)策略圖Fig.3 Coordinated control strategy

逆變器采用PV控制，根據(jù)配網(wǎng)的負(fù)荷變化自動利用逆變器閑置無功能力發(fā)出或吸收無功功率，以滿足新的無功需求。同時逆變器發(fā)出或吸收的無功功率還可作為依據(jù)，協(xié)調(diào)投切電容器或電抗器。

當(dāng)逆變器發(fā)出的無功功率超警戒值時，說明此時發(fā)出動態(tài)無功的能力不足，首先考慮切除電抗器組，如無可切，再考慮投入電容器組，以此釋放逆變器發(fā)出動態(tài)無功的能力；當(dāng)逆變器吸收的無功功率超警戒值時，說明此時吸收動態(tài)無功的能力不足，首先考慮切除電容器組，如無可切，再考慮投入電抗器組，以此釋放逆變器吸收動態(tài)無功的能力。

如果逆變器發(fā)出或吸收的無功功率超警戒值，且電抗器組已切無可切、電容器組已投無可投或逆變器吸收的無功功率超警戒值，且電容已切無可切、電抗器已投無可投，則說明帶有電容/電抗器組的逆變器已無能力維持其PV控制設(shè)定的電壓值，應(yīng)在額定電壓的數(shù)量范圍內(nèi)順勢調(diào)低或調(diào)高該電壓設(shè)定值。

如果此時該電壓設(shè)定值已到最低或最高限，且逆變器已無閑置容量，同時電抗器組、電容器組已切無可切，并投無可投，則說明電抗器組、電容器組總?cè)萘颗渲貌粔?，此時逆變器的PV控制不再能維持其電壓為設(shè)定值，當(dāng)閑置無功能力是用來發(fā)出無功功率時，受控電壓實(shí)際值將低于設(shè)定電壓值；當(dāng)閑置無功能力是用來吸收無功功率時，受控電壓實(shí)際值將高于設(shè)定電壓值。這種情況就像SVG容量配置不足遇到的情況一樣，在配網(wǎng)中時有所見。為了避免出現(xiàn)這種情況，此時可考慮配置更多的電抗器組或電容器組，并將新增的電抗器組或電容器組納入該裝置的統(tǒng)一控制邏輯中，但在新的電抗器組或電容器組未到位前，只能讓受控點(diǎn)超出±2%范圍運(yùn)行，好在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電壓偏差（表1）遠(yuǎn)大于本文設(shè)定的電壓波動范圍。

2 系統(tǒng)策略實(shí)現(xiàn)

根據(jù)并網(wǎng)逆變器實(shí)際容量及所配置的無功補(bǔ)償設(shè)備，按圖4所示的電氣連接和控制回路建立無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微源（用恒壓直流源模擬代替）、并網(wǎng)逆變器、變壓器、分組投切電容器組、分組投切電抗器組、配電網(wǎng)構(gòu)成。

圖4所示系統(tǒng)，并網(wǎng)逆變器采用PV控制，輸出定量的有功功率，能按圖3邏輯在逆變器、電抗器組、電容器組間靈活分配無功功率，從而針對有能力影響后續(xù)節(jié)點(diǎn)電壓的并網(wǎng)點(diǎn)電壓（接入變壓器的高壓側(cè)電壓），令其值保持在一定的范圍內(nèi)。

圖4 電氣連接和控制回路圖Fig.4 Electrical connection and control loop

2.1 逆變器控制環(huán)節(jié)

設(shè)在三相對稱電壓下，d軸與并網(wǎng)點(diǎn)電壓矢量重合，即uq＝0，則有功功率和無功功率的計算公式分別為

本文逆變器采用PV控制，該控制有2個設(shè)定值，分別為有功功率Pref和電壓Uref[28-29]。

PV控制的原理如圖5所示。系統(tǒng)檢測并網(wǎng)點(diǎn)的電流和電壓值，經(jīng)dq變換后，得到d軸電流id、d軸電壓ud、q軸電流iq、q軸電壓uq。

圖5 逆變器PV控制原理圖Fig.5 PV Control of Converter

由有功功率設(shè)定值Pref，根據(jù)式（3），可算出d軸分量電流參考值idref。

同樣的，由設(shè)定的電壓參考值Uref與實(shí)際電壓值比較后通過PI控制器控制輸出q軸分量電流參考值iqref。

由于d軸和q軸變量之間存在耦合，d軸的電感電流會對q軸輸出電壓產(chǎn)生影響，q軸電感電流會對d軸輸出電壓產(chǎn)生影響[23]，故將d軸電流和q軸電流與ω、電感L相乘，實(shí)現(xiàn)電流前饋解耦；同時加入電壓前饋補(bǔ)償[30]。并將電流內(nèi)環(huán)控制中idref、iqref與實(shí)際電流值id、iq比較后的值同電流前饋解耦、電壓前饋補(bǔ)償相結(jié)合，得到逆變器交流側(cè)d、q軸的電壓參考值udref、uqref。

該二值再經(jīng)過dq反變換，產(chǎn)生調(diào)制信號，將調(diào)制信號送入SVPWM脈沖觸發(fā)器產(chǎn)生一系列脈沖，對逆變橋上的電力電子器件開通和關(guān)斷控制，最后通過L濾波器濾波，輸出三相對稱相電壓和電流。

2.2 無功補(bǔ)償設(shè)備控制環(huán)節(jié)

無功補(bǔ)償設(shè)備控制環(huán)節(jié)包括5個模塊，分別為：數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、決策判斷模塊、命令執(zhí)行模塊及延時模塊，如圖6所示。

圖6 無功補(bǔ)償設(shè)備控制實(shí)現(xiàn)圖Fig.6 Control realization of reactive-load compensation equipment

圖6中，數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的跟蹤采集，主要包括逆變器輸出的電壓Uout與電流Iout、各組電容器和電抗器上流過的電流值。

數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)將Uout和Iout經(jīng)過dq變換后，通過功率計算環(huán)節(jié)（式（3）、式（4））得到逆變器輸出的有功功率P、無功功率即已使用的剩余容量Q，從而計算得到逆變器的閑置無功能力（式（2））。

決策判斷模塊分為2個部分：動作對象確定與投切信號管理。動作對象確定部分首先將逆變器閑置無功能力與警戒值作比較，確定是否需要動作電容器/電抗器，若是，則由Q的符號（正號代表輸出無功功率，負(fù)號代表吸收無功功率）根據(jù)圖3確定動作對象（電容器/電抗器）。信號管理部分負(fù)責(zé)輸出動作信號，令輸出1為投入指令，輸出0為切出指令；若需調(diào)整PV控制的電壓設(shè)定值，則直接由命令執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)。

命令執(zhí)行模塊分為2個部分：投切順序與環(huán)境判斷。投切順序部分負(fù)責(zé)按照“循環(huán)隊(duì)列”的原則投切動作對象，即只能從前端（front）切出，從尾端（rear）投入。如圖7所示，假設(shè)當(dāng)前2至4號設(shè)備投運(yùn)，若要投運(yùn)新設(shè)備，從5號開始依次投入；若要切出設(shè)備，從2號開始依次切出。環(huán)境判斷部分負(fù)責(zé)保證電容器/電抗器在Uout為零時投入，在Iout為零時切出，即保證無功補(bǔ)償設(shè)備“過零投切”，減少沖擊電流。

圖7 循環(huán)隊(duì)列示意圖Fig.7 Schematic diagram of cycle queue

延時模塊負(fù)責(zé)防止由于決策判斷過快而導(dǎo)致的誤操作。鑒于從系統(tǒng)發(fā)出投切指令，至無功補(bǔ)償設(shè)備投切完成，中間還有“過零投切”環(huán)節(jié)，即存在時間差。因此為防止出現(xiàn)前一個投切指令未完成，決策判斷模塊已下發(fā)投切下一個無功補(bǔ)償設(shè)備的情況，本文加入延時模塊，確保在命令執(zhí)行后才繼續(xù)下發(fā)下一個投切信號。該模塊通過檢測無功補(bǔ)償設(shè)備每相上流過的電流值實(shí)現(xiàn)：投運(yùn)時，無功補(bǔ)償設(shè)備上流過的電流將呈正弦波變化；退出時，該值為零。若前一個命令為投入無功補(bǔ)償設(shè)備，則當(dāng)該設(shè)備的檢測電流發(fā)生正弦變化后才允許發(fā)下一個投切信號；若前一個命令為切除無功補(bǔ)償設(shè)備，則當(dāng)該設(shè)備的檢測電流歸零后才允許發(fā)下一個投切信號。

3 算例驗(yàn)證

選用IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)（見圖8），在節(jié)點(diǎn)10處接入分布式電源。重載時，配網(wǎng)負(fù)載為5.5+j3.6 MW；輕載時，配網(wǎng)負(fù)載為3.36+j2 MW。各節(jié)點(diǎn)線路阻抗和節(jié)點(diǎn)負(fù)荷值詳見附錄。

圖8 IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)Fig.8 IEEE33 node bus system

3.1 仿真配置

一次系統(tǒng)配置結(jié)果如表2所示。表2根據(jù)第1.2至第1.6節(jié)介紹，通過仿真而得出，因篇幅有限，故不再贅述。

表2 一次系統(tǒng)配置結(jié)果Tab.2 Configuration parameter of first order system

由于逆變器容量比分布式電源容量多配了40 kW，這部分如不用來轉(zhuǎn)換有功而用來發(fā)出/吸收無功功率，由式1可知其對應(yīng)數(shù)值為126 kV·A。

為了驗(yàn)證本文提出的無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的可行性與正確性，在Matlab/Simulink搭建圖8所示的配電網(wǎng)，在節(jié)點(diǎn)10接入配有成組投切電容器/電抗器的分布式電源及其控制器模型進(jìn)行仿真計算，分布式電源PV控制的電壓受控點(diǎn)為接入變壓器的高壓側(cè)，即節(jié)點(diǎn)10的電壓。

3.2 仿真分析

仿真初始狀態(tài)：成組投切電容器與電抗器皆為空閑狀態(tài)，供電點(diǎn)電壓為10 kV，整條饋線總負(fù)載為4.2+j2.5 MW。設(shè)隨著時間變化，通過逆變器接網(wǎng)的分布式電源的有功出力先緩慢減小后緩慢增大（趨勢見圖9），同時配電網(wǎng)負(fù)載先緩慢增大后緩慢減?。ㄚ厔菀妶D10），如果分布式電源沒有無功調(diào)節(jié)能力且該處也無其他無功調(diào)節(jié)手段，此時并網(wǎng)點(diǎn)電壓也將對應(yīng)經(jīng)歷先緩慢降低后緩慢抬升的過程（見圖11），而且并網(wǎng)點(diǎn)電壓未能控制在±2%范圍內(nèi)，甚至也未能在±7%范圍內(nèi)。而通過本文設(shè)計的逆變器/電容組/電抗器組聯(lián)合控制器，整個裝置先發(fā)出無功功率，當(dāng)負(fù)載功率和微源出力發(fā)生逆轉(zhuǎn)后吸收無功功率，成功將并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制在了±2%的范圍內(nèi)，仿真結(jié)果如圖12至圖16所示。由于要集中仿真展示典型場景下的控制效果，所以“上述”所說的緩慢只是相對于突變而言，“緩慢”變化對應(yīng)的短時變化幅度還是很大的。

圖9 微源有功輸出變化Fig.9 Active power output variation from DG

圖10 饋線負(fù)載變化Fig.10 Load variation for the feeder

由圖15、16知，在0.09 s前，逆變器保持PV控制狀態(tài)，且并網(wǎng)點(diǎn)電壓等于其設(shè)定值，逆變器閑置無功能力（發(fā)無功的能力）Qidle隨微源有功出力減小及饋線負(fù)載增大，有減小的趨勢，從0.046 7 s開始因?yàn)殚e置無功能力低于警戒值而投入一組電容器組，其后又由于閑置無功能力持續(xù)低于警戒值，接連于0.056 6 s、0.066 7 s和0.076 7 s時投入電容器組，閑置無功能力因此從0.066 7 s開始回升，但仍低于警戒值（見圖12、13）。至0.076 7 s時已投入全部配置的電容器組，且電抗器組都在空閑狀態(tài)，此時并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值為14.14 kV（對應(yīng)有效值為10 kV）。此后由于微源有功輸出仍在減小、配網(wǎng)負(fù)載仍在增加，閑置無功能力Qidle仍低于警戒值，為釋放逆變器的剩余容量、提升其閑置無功能力，聯(lián)合控制系統(tǒng)自動在0.083 3 s降低一檔逆變器的電壓設(shè)定值，降低幅度為2%，逆變器的閑置無功能力因此得到明顯提升，代價是并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值降為13.86 kV（對應(yīng)有效值為9.8 kV），但該值仍在本文設(shè)定的電壓變化±2%內(nèi)。

圖11 并網(wǎng)逆變器僅輸出有功時并網(wǎng)點(diǎn)電壓有效值Fig.11Voltageof controlled point（PCC）with unified power factor of converter

圖12 逆變器閑置無功能力與警戒線Fig.12 QidleandQw

0.09 s時，微源有功輸出和饋線負(fù)載的變化趨勢發(fā)生逆轉(zhuǎn)，微源有功輸出開始增大，配網(wǎng)負(fù)載開始減小，在PV控制的作用下，逆變器減小無功輸出，在0.15 s逆變器輸出的無功功率由感性變?yōu)槿菪?，即逆變器開始吸收無功功率（見圖12）。

隨著微源有功輸出繼續(xù)增大，配網(wǎng)負(fù)載繼續(xù)減小，逆變器的閑置無功能力Qidle（吸收無功的能力）再次低于警戒值時，系統(tǒng)先分別在0.177 7 s、0.187 8 s、0.197 8 s和0.207 8 s切除4組電容器組，后在0.216 7 s、0.226 6 s及0.236 7 s投入3組電抗器（見圖13、圖14）。即至0.2367s，聯(lián)合控制器已發(fā)令切除全部前期投入的電容器，并投入全部配置的電抗器組，但Qidle仍在警戒范圍內(nèi)，因此在0.244 6 s時聯(lián)合控制器調(diào)高（2%）一檔逆變器的電壓設(shè)定值，以有效釋放逆變器的閑置無功能力（見圖12），并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值由13.86 kV恢復(fù)為14.14 kV（對應(yīng)有效值分別為9.8kV、10kV，見圖15、16）。

圖13 各組電容器的投切狀態(tài)Fig.13 States of capacitors

圖14 各組電抗器的投切狀態(tài)Fig.14 Sates of reactors

圖15 受控點(diǎn)（并網(wǎng)點(diǎn)）電壓幅值Fig.15Voltage amplitude of controlled point（PCC）

圖16 受控點(diǎn)（并網(wǎng)點(diǎn)）電壓幅值波形Fig.16 Voltage amplitude wave of controlled point（PCC）

綜上所述，所設(shè)計的聯(lián)合控制器能夠根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)調(diào)壓需要，以逆變器閑置無功能力為風(fēng)向標(biāo)自動投切電容器/電抗器組，對無功功率進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，將并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制在額定電壓的±2%范圍內(nèi)（見圖15、圖16），且并網(wǎng)逆變器還保有一定的無功閑置能力進(jìn)行無功的動態(tài)調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

本文分析了分布式電源接入配網(wǎng)的電壓分布情況，認(rèn)為并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏差應(yīng)小于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，否則不利于所在饋線電壓的合理分布，也將增加同一饋線上其他分布式電源的調(diào)壓負(fù)擔(dān)。同時，針對分布式電源并網(wǎng)帶來的電壓問題，設(shè)計了一種結(jié)合逆變器閑置無功能力與成組投切電容器、電抗器進(jìn)行無功電壓協(xié)調(diào)控制的方法。本文方法可充分利用逆變器的閑置無功能力來調(diào)節(jié)無功，配合成組投切電容器及電抗器，可保障逆變器預(yù)留一定的無功調(diào)節(jié)能力用于無功的動態(tài)調(diào)節(jié)，同時并網(wǎng)點(diǎn)電壓仍在設(shè)定的范圍內(nèi)，穩(wěn)定電壓，節(jié)約無功補(bǔ)償裝置成本。Matlab/Simulink的仿真實(shí)驗(yàn)，表明該方法達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

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（編輯 馮露）

附錄

Coordinated Control of Var Compensation Based on Grid-Connected Converter

XU Lina1，CAO Wei1，HOU Yawen1，SUN Jing2
（1.Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；2.State Grid Shanghai Fengxian Electric Power Supply Company，Shanghai 201499，China）

The connection of distributed generation（DG）with the main grid requires higher standard for acceptable distribution voltage profile.Firstly,the feature of distribution voltage profile with DG is analyzed to reveal that the voltage regulation of the PCC should be stricter than the existing national standards so as to reduce the adverse impacts of DG on the other DGs and electricity consumers of the same feeder.Secondly，a voltage control strategy of PCC is developed,using PV control on inverter and the idle var capability limitation to coordinate the switching of the capacitor banks and reactor banks to keep the voltage of the grid-connected point within the preset tolerance.A coordinated control system which applies the strategy is designed and simulated on the Matlab/Simulink platform.The simulation results show that the system can achieve the targets of keeping the PCC voltage within the preset tolerance of±2%by coordinating among the grid-connected converter，capacitor banks and reactor banks.

grid-connected inverter； surplus capacity；voltage control； reactive power compensation； coordinated control；PV control；idle reactive capability

表1 IEEE33各支路阻抗和節(jié)點(diǎn)負(fù)荷值Tab.1 IEEE 33 node branch impedance and nodal load

2015-10-31。

徐莉娜（1992—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制；

曹 煒（1963—），女，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制等；

侯亞文（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制；

孫 靜（1989—），女，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制。

1674-3814（2017）05-0092-12

TM761

A

863計劃智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)（2011AA05A106）。

Project Supported by the Key Technologies of Smart Grid for the 863 Program of China（2011AA05A106）.