逆變器與SVC共同參與的光伏電站無(wú)功協(xié)調(diào)控制研究

， ，

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750000； 2.新疆大學(xué) 教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

逆變器與SVC共同參與的光伏電站無(wú)功協(xié)調(diào)控制研究

王海峰1，李鳳婷2，崔巍1

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750000； 2.新疆大學(xué) 教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

光伏電站無(wú)功配置方案不考慮逆變器的無(wú)功輸出能力，存在投資成本偏大、補(bǔ)償特性不理想等問(wèn)題。針對(duì)目前光伏電站無(wú)功補(bǔ)償方面存在的問(wèn)題，研究逆變器的無(wú)功輸出能力，論證了其參與無(wú)功調(diào)節(jié)的可行性，提出適用于電壓時(shí)變特性的逆變器與SVC共同參與下的光伏電站無(wú)功控制策略，以提高光伏系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)光伏電站無(wú)功補(bǔ)償實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

光伏電站；逆變器；無(wú)功補(bǔ)償

0 引 言

目前并網(wǎng)的光伏電站主要采用SVC、SVG來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，SVC的響應(yīng)速度慢，其無(wú)功輸出能力受電壓的影響較大。在補(bǔ)償效果上SVG要優(yōu)于SVC,但其價(jià)格昂貴，會(huì)大大增加光伏電站的前期投資。

逆變器是光伏電站中不可缺少的設(shè)備，其電路結(jié)構(gòu)與SVG相一致，目前光伏并網(wǎng)逆變器主要用于將直流電逆變成交流電。如果對(duì)光伏逆變器的控制策略進(jìn)行改進(jìn)，可使其在完成逆變功能的同時(shí)輸出一定的無(wú)功功率，參與并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)[1-5]，但是目前中國(guó)光伏電站在規(guī)劃設(shè)計(jì)中并未考慮其無(wú)功補(bǔ)償和電壓調(diào)節(jié)能力。

為充分發(fā)揮光伏并網(wǎng)逆變器的作用，減少光伏電站無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投資成本，提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，針對(duì)目前光伏電站無(wú)功配置存在的問(wèn)題，結(jié)合光伏電站的運(yùn)行工況，重點(diǎn)研究逆變器的無(wú)功輸出能力，論證其參與無(wú)功調(diào)節(jié)的可行性；并在此基礎(chǔ)上提出逆變器參與調(diào)節(jié)，同時(shí)適應(yīng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)多變運(yùn)行特性的協(xié)調(diào)控制策略。

1 光伏逆變器的功率輸出控制

光伏逆變器，在d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓關(guān)系為

(1)

式中：ud、uq分別為逆變器側(cè)電壓d、q軸分量；L為L(zhǎng)C濾波器等效電感；usd、usq分別為電網(wǎng)側(cè)電壓的d、q軸分量；id、iq分別為有功、無(wú)功電流的分量。逆變器d、q軸電流存在交叉耦合項(xiàng)ωLid、ωLiq，不利于有功、無(wú)功的獨(dú)立控制，工程上為了解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)用如圖1所示的前饋解耦控制策略[6]。圖中Ua、Ub、Uc為逆變器輸出相電壓，Uga、Ugb、Ugc為并網(wǎng)點(diǎn)相電壓。

圖1 逆變器有功、無(wú)功控制策略框圖

(2)

式中：kp、ki為PI調(diào)節(jié)系數(shù)；id*、iq*分別為有功、無(wú)功電流參考值。

采用瞬時(shí)無(wú)功檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)處無(wú)功功率，將無(wú)功檢測(cè)值與無(wú)功參考值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PI控制，最終實(shí)現(xiàn)逆變器無(wú)功補(bǔ)償。

(3)

式中：Q*為無(wú)功功率參考值；Q為無(wú)功測(cè)量值。

現(xiàn)階段，對(duì)Q*的控制方法主要有：恒無(wú)功功率控制、恒功率因數(shù)控制、基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變功率因數(shù)控制等[7-9]。恒無(wú)功功率控制輸出恒定的無(wú)功，不能夠?qū)Σ⒕W(wǎng)點(diǎn)的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。恒功率因數(shù)控制通過(guò)對(duì)有功進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)計(jì)算無(wú)功功率，但當(dāng)有功輸出較小時(shí)，其輸出的無(wú)功也隨之減小。其無(wú)功輸出表達(dá)式為

Q*=P*tanφ

(4)

采用恒功率因數(shù)控制時(shí)其有功、無(wú)功與電壓跌落程度間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 有功、無(wú)功、電壓跌落關(guān)系圖

Q(U)控制策略的無(wú)功補(bǔ)償效果要好于恒功率因數(shù)控制，但其只對(duì)檢測(cè)點(diǎn)電壓的幅值進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)值過(guò)于單一。其無(wú)功功率輸出表達(dá)式為

(5)

式中：Upcc為并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；Qmax為逆變器輸出功率極限；u1、u2、u3、u4分別為0.95 p.u.、0.98 p.u.、1.02 p.u.、1.05 p.u.。

基于fortran語(yǔ)言編寫(xiě)的部分控制程序如下：

IF (＄Vs.LT.0.95)

THEN ＄Q=0.5

ELSE IF (＄Vs.GT.0.95.AND.＄Vs.LE.0.98)

THEN ＄Q=0.5-0.5/0.03*(＄Vs-0.95)

ELSE IF (＄Vs.GT.0.98.AND.＄Vs.LE.1.02)

THEN ＄Q=SQRT(0.5*0.5-＄P*＄P)

ELSE IF (＄Vs.GT.1.02.AND.＄Vs.LE.1.05)

THEN ＄Q=-0.5/0.03*(＄Vs-1.02)

ELSE IF (＄Vs.GT.1.05)

THEN ＄Q=-0.5

END IF

基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變功率因數(shù)控制可以同時(shí)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓和有功功率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。其無(wú)功輸出表達(dá)式為

(6)

采取變功率因數(shù)控制策略時(shí)，其輸出有功、無(wú)功與電壓跌落程度之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 電壓跌落程度與有功、無(wú)功之間的關(guān)系

圖4表示當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0.956 p.u.時(shí)，光伏逆變器在采用以上無(wú)功控制策略的情況下，對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐情況。圖5為對(duì)應(yīng)圖4中各無(wú)功控制策略輸出的無(wú)功功率。

圖注：1-未字取無(wú)功控制；2-恒功率因素控制；3-基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓無(wú)功控制；4-基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變勵(lì)率因數(shù)控制

圖4不同無(wú)功控制策略下并網(wǎng)點(diǎn)電壓

圖注：1-恒功率因數(shù)控制；2-基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓無(wú)功控制；3-基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變功率因數(shù)控制

圖5不同無(wú)功控制策略下無(wú)功輸出情況

從圖4、圖5可以看出，在逆變器未采用無(wú)功控制策略時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓降至0.956 p.u.，采用上述各種無(wú)功控制策略后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓都較之前有所提升，但對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐效果有所差別?；诓⒕W(wǎng)點(diǎn)電壓的變功率因數(shù)控制策略的無(wú)功補(bǔ)償效果較好，而恒功率因數(shù)控制策略發(fā)出無(wú)功功率較少，無(wú)功電壓支撐能力最弱。這里通過(guò)基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變功率因數(shù)控制策略來(lái)獲取無(wú)功功率參考值。

2 逆變器參與下的光伏電站無(wú)功控制策略

基于以上研究，利用SVC與逆變器的無(wú)功輸出能力，針對(duì)光伏電站并網(wǎng)電壓的時(shí)變特性，給出滿(mǎn)足電網(wǎng)要求的無(wú)功控制策略。

光伏電站的無(wú)功控制包含無(wú)功的整定和分配兩個(gè)方面。在無(wú)功整定過(guò)程中，檢測(cè)光伏電站的并網(wǎng)點(diǎn)電壓，與并網(wǎng)點(diǎn)電壓參考值做差，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器獲取維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓所需的無(wú)功[12]。其中PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

(7)

式中：ω1、ω2的取值與系統(tǒng)的相位裕度相關(guān)；比例積分系數(shù)KPI的取值要結(jié)合并網(wǎng)光伏電站接入地區(qū)的電壓、無(wú)功等具體情況。

在無(wú)功分配環(huán)節(jié)，根據(jù)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化，提出逆變器與SVC協(xié)調(diào)配合的無(wú)功電壓控制策略，控制流程如圖6所示。

通過(guò)檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化情況，計(jì)算光伏電站的無(wú)功需求，將光伏電站的無(wú)功需求與逆變器的無(wú)功輸出能力進(jìn)行比較，若光伏電站的無(wú)功需求小于逆變器的無(wú)功輸出能力，則單獨(dú)依靠逆變器來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償；若光伏電站的無(wú)功需求大于逆變器的無(wú)功輸出能力，將采取逆變器與SVC共同對(duì)光伏電站進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

圖6 光伏電站無(wú)功控制策略流程圖

3 逆變器參與下的光伏電站無(wú)功控制策略仿真驗(yàn)證

在對(duì)逆變器、SVC的無(wú)功輸出互補(bǔ)特性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，仿真分析當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化時(shí)，所提出的無(wú)功控制策略對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐作用，驗(yàn)證所提無(wú)功控制策略的正確性。

3.1光照漸變時(shí)無(wú)功電壓控制策略仿真驗(yàn)證

當(dāng)光照強(qiáng)度漸變時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生波動(dòng)?；谏鲜龅墓夥娬緹o(wú)功控制策略，仿真分析當(dāng)光照強(qiáng)度漸變時(shí)，光伏電站的無(wú)功輸出能力及其對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐作用。仿真結(jié)果見(jiàn)圖7至圖10。

圖7 光照強(qiáng)度漸變曲線(xiàn)

圖8 光照漸變時(shí)有功輸出變化

圖9 光伏電站無(wú)功需求與逆變器無(wú)功輸出情況

圖10 光照漸變時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化情況

由圖7至圖10可以看出，當(dāng)采取所提的無(wú)功電壓控制策略時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓能夠穩(wěn)定在1.0 p.u.附近。而且，從圖9可以看出，光伏電站的無(wú)功需求量小于逆變器的無(wú)功輸出量，僅依靠逆變器的無(wú)功輸出能力就能實(shí)現(xiàn)光伏電站的無(wú)功電壓穩(wěn)定控制。

3.2光照突變時(shí)無(wú)功電壓控制策略仿真驗(yàn)證

在未采取光伏電站無(wú)功控制策略的情況下，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí)，光伏電站有功輸出和并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化情況如圖11至圖12所示。

圖11 光照強(qiáng)度突變曲線(xiàn)

圖12 光照突變時(shí)有功輸出變化

基于上述的光伏電站無(wú)功控制策略，仿真分析當(dāng)光照強(qiáng)度突變導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化時(shí)，光伏電站的無(wú)功輸出能力及其對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐作用，仿真結(jié)果見(jiàn)圖13至圖15。

圖13 光伏電站無(wú)功參考值

圖14 逆變器與SVC無(wú)功輸出

圖15 光照突變時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化曲線(xiàn)

由圖13至圖15可知，當(dāng)未采取無(wú)功控制策略時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0.87 p.u.附近，光照突變結(jié)束后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓也只能穩(wěn)定在0.96 p.u.。當(dāng)采取上述無(wú)功電壓控制策略后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓最低跌落點(diǎn)可提升至0.93 p.u.，在光照突變期間，并網(wǎng)點(diǎn)電壓保持在0.98 p.u.，且光照突變結(jié)束后，經(jīng)過(guò)短暫的恢復(fù)過(guò)程后能較好的穩(wěn)定在1.0 p.u.左右。此時(shí)光伏電站無(wú)功需求量大于逆變器的無(wú)功功率輸出，采取逆變器與SVC共同輸出無(wú)功支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

4 結(jié) 論

大型光伏并網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)、無(wú)功需求變化等一系列問(wèn)題的發(fā)生。目前光伏電站采用的無(wú)功配置方案使光伏電站的前期投資較大?；谀孀兤骱蚐VC無(wú)功輸出的互補(bǔ)特性，從經(jīng)濟(jì)性和補(bǔ)償效果兩方面來(lái)考慮，提出逆變器參與下的適用于不同電壓跌落的大型光伏電站無(wú)功控制策略，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，所提無(wú)功控制策略充分利用了SVC和逆變器無(wú)功輸出的互補(bǔ)特性，在電壓變化時(shí)，能夠有足夠的無(wú)功補(bǔ)償能力保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了光伏電站無(wú)功控制經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的統(tǒng)一。

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The reactive power output capacity of reactive power allocation scheme for photovoltaic power station without considering the problems of inverters has a large investment cost and unsatisfactory compensation performance. So aiming at the problems of reactive power compensation in current photovoltaic power stations, the reactive power output capacity of the inverters is studied, its feasibility in reactive power regulation is demonstrated, and the reactive power control strategy is proposed for photovoltaic power station with the participation of inverters and SVC which has the voltage time-varying characteristics so as to improve the transient stability of photovoltaic system and realize the unification of reactive power compensation in applicability and economy for photovoltaic power station.

photovoltaic power station; inverter; reactive compensation

TM761

：A

：1003-6954(2017)04-0029-05

2017-03-06)

王海峰(1990)，碩士，研究方向?yàn)榭稍偕茉床⒕W(wǎng)技術(shù)與電力系統(tǒng)繼電保護(hù)； 李鳳婷(1965)，博士、教授，研究方向?yàn)榭稍偕茉床⒕W(wǎng)技術(shù)與電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。