光伏電站中無功補償?shù)膽?yīng)用研究

黎春榮 張建 施智雄

摘 ?要：光伏電站實際上是一種與電網(wǎng)相連接并向電網(wǎng)輸送電力的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，它在接入電網(wǎng)以后，會引起電網(wǎng)內(nèi)部潮流變化，由于光伏出力具有間歇性、波動性和隨機性，這對電力系統(tǒng)中的運行情況有著較大的影響。在國家標準之下，為提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在光伏電站中特別配置了一套無功調(diào)速補償裝置。該文先是介紹了光伏電站中電壓波動的原因，然后又介紹了無功功率補償技術(shù)的一些相關(guān)技術(shù)要求，最后對現(xiàn)階段光伏電站中無功功率補償技術(shù)的應(yīng)用模型及其研究目標進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：光伏電站 ? 無功補償 ? 功率因數(shù) ? 電壓波動

中圖分類號：TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（c）-0023-04

Application Research of Reactive Power Compensation in Photovoltaic Power Station

LI Chunrong1 ? ZHANG Jian1 ? SHI Zhixiong2

（1.Huadian Jinchuan， Sichuan Hydropower Development Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610041; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Xichang University， Xichang， Sichuan Province， 615000 ?China）

Abstract： Photovoltaic power station is actually a kind of solar power generation system which is connected with the power grid and transmits power to the power grid. After it is connected to the power grid， it will cause the change of power flow in the power grid. Due to the intermittence， fluctuation and randomness of photovoltaic output， it has a great impact on the operation of the power system. Under the national standard， in order to improve the stability of grid-connected PV system， a set of reactive power speed regulation compensation device is specially equipped in PV power station. This paper first introduces the causes of voltage fluctuation in photovoltaic power stations， and then introduces some related technical requirements of reactive power compensation technology， finally， the application model and research target of reactive power compensation technology in photovoltaic power station are summarized.

Key Words： Photovoltaic power station; Reactive power compensation; Power factor; Voltage fluctuation

隨著國家對清潔能源的大力提倡，以及傳統(tǒng)可再生能源的日益耗費枯竭、環(huán)境被大肆污染等一些突出問題，太陽能、風(fēng)能等新一批可再生能源得到了大力開發(fā)，這些新能源可以說是取之不盡、用之不竭的能源。目前我國的光伏發(fā)電行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，我國政府就針對光伏行業(yè)提供了一系列支持和優(yōu)惠政策，進一步提高了光伏發(fā)電行業(yè)快速發(fā)展的進度。光伏電站在進行并網(wǎng)過程中很容易造成過電流、過電壓等影響電能質(zhì)量的問題，電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性也會成為制約光伏工業(yè)發(fā)展的主要因素。

1 ?光伏電站的相關(guān)理論

光伏發(fā)電又稱為太陽能發(fā)電，它是需要在有光照的情況下才能夠完成的發(fā)電系統(tǒng)，因此不能任意時刻都發(fā)出電能，在發(fā)電過程中會伴隨著很多的不確定性，光伏系統(tǒng)在接入電網(wǎng)的過程中也必然會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動，因此，隨著光伏發(fā)電量的不斷增加，對電網(wǎng)穩(wěn)定性將會造成越來越顯著的影響。

圖1為光伏并網(wǎng)圖，根據(jù)電路基礎(chǔ)理論，設(shè)定電網(wǎng)電壓為U，并網(wǎng)點電壓為Upv，則可以根據(jù)下述公式（1）計算 ：

（1）

式（1）中，Ppv為系統(tǒng)輸出的有功功率;

Qpv為系統(tǒng)輸出的無功功率。

在光伏電站中，并網(wǎng)的連接方式有多種，現(xiàn)目前的光伏電站主要是以專線接入、T型接入為主要方式。圖2為光伏電站設(shè)備總覽圖，在這個過程中，太陽能所轉(zhuǎn)化的直流電匯聚到匯流箱以后，送入逆變器，使DC轉(zhuǎn)化為AC，在經(jīng)過升壓處理后達到并網(wǎng)要求[1]。

2 ?光伏電站無功補償?shù)南嚓P(guān)要求

2.1 無功補償?shù)脑?/p>

首先，我們都知道無功功率對應(yīng)的是電網(wǎng)中的電壓質(zhì)量，而在光伏發(fā)電系統(tǒng)中也是如此，那么要想提高和改變電網(wǎng)的電壓質(zhì)量就需要改變系統(tǒng)的無功功率。在功率三角形中功率因數(shù)表示為。根據(jù)圖3 可知，假設(shè)電網(wǎng)的感性無功為Q，而設(shè)備補償?shù)臒o功為，那么此時負載從電網(wǎng)中吸取的無功為，此時，通過對電網(wǎng)的無功進行補償以后，電網(wǎng)的功率因數(shù)就會發(fā)生改變，利用前面的公式可以計算得到電網(wǎng)的功率因數(shù)由調(diào)整到，那么改變了電網(wǎng)的功率因數(shù)以后就會使得電網(wǎng)的損耗降低，也會降低電網(wǎng)的 ? ?投資水平[2]，同時也會使得電力系統(tǒng)的視在功率S減小。

2.2 光伏逆變器的無功功率

光伏逆變器是光伏電站的一個核心裝置，在我國它普遍以輸出最大的太陽能可持續(xù)利用的有功功率作為主要目的。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中一般采用的是恒功率因數(shù)控制的方式，且該系統(tǒng)通常是運行在一個單位功率因數(shù)的工作狀態(tài)，因此可假設(shè)系統(tǒng)在光伏發(fā)電的過程中，無功功率的輸出是零。即Qpv=0，可得：

（2）

由公式（2）可以得出，當光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)以后會引起并網(wǎng)點電壓上升 ? ? ? ? ?，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致電壓越限，使系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性得到不保障。

當光伏電站中的有功功率達標的情況之下，逆變器的無功出力就會受到逆變器開關(guān)容量的限制，這個時候就需要有無功調(diào)節(jié)裝置對系統(tǒng)進行無功調(diào)節(jié)。

根據(jù)所學(xué)知識，我們可以把光伏電站中的有功、無功用公式表示為：

其中：P、Q為逆變器輸出的有功、無功功率;

為逆變器橋臂兩側(cè)輸出的電壓;

為橋臂電抗;

為相位差值。

根據(jù)公式（3），我們就能夠更好地去研究光伏逆變器中的無功功率了。

3 ?光伏電站無功補償容量的確定

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，設(shè)系統(tǒng)所需的有功為Ppj，補償前功率因數(shù)為、補償后的功率因數(shù)為2，則根據(jù)電力系統(tǒng)中的功率三角形公式，用電設(shè)備的補償容量的計算公式可由下式表示：

在經(jīng)過三角函數(shù)變換公式對上述公式進行變形得到：

（5）

根據(jù)公式（5）利用MATLAB仿真軟件仿真出曲線，具體情況見圖4。

根據(jù)圖4很明顯能夠看出，補償容量與功率因數(shù)之間存在一種曲面關(guān)系，可以看出在逐漸增大的過程中，功率因數(shù)是逐漸變慢的。故當功率因數(shù)增加得過多的時候是不利于設(shè)備正常工作的，因此，我們在調(diào)節(jié)功率因數(shù)時應(yīng)該不超過某一數(shù)值3，可以得到電力系統(tǒng)中容量補償范圍為：

4 ?光伏電站無功補償方式

光伏發(fā)電作為現(xiàn)階段清潔能源發(fā)電的一個重要產(chǎn)業(yè)，它的發(fā)展極其迅速[3]，發(fā)電量也在不斷提升，分布也越來越廣，逐漸成為我國電力行業(yè)中的一個不可缺少的部分。為保證光伏電站在并網(wǎng)過程中使得電網(wǎng)的運行達到理想狀態(tài)，在現(xiàn)階段的光伏電站中，主要有以下幾種無功補償?shù)姆绞健?/p>

（1）按電壓大小進行無功補償[4]：在無功檢測裝置中會檢測到電網(wǎng)電壓大小，當檢測到的電壓低于設(shè)置的最小值時，會使得無功補償裝置進行無功補償，調(diào)整電壓大小;反之，會使得系統(tǒng)切除無功補償?shù)碾娙荨?/p>

（2）按功率因數(shù)和無功復(fù)合控制：該種方式是電網(wǎng)傳統(tǒng)的無功控制方式之一，其具體控制策略如下。

當無功功率為負時，切除補償器;

功率因數(shù)大于上限值時，切除補償器;

無功功率大于上限值且低于功率因數(shù)小于下限值時，投入補償器;

除以上策略外，其他情況補償器均不動作。

（3）按時間順序控制無功是否補償：該種方式是根據(jù)系統(tǒng)的實際運行情況，利用日負荷曲線，分時分段的對系統(tǒng)中的無功功率進行調(diào)整。但該種補償方式技術(shù)要求高、適應(yīng)性也相當?shù)牟睿虼宋吹玫綇V泛使用[5]。

（4）按電壓和無功功率的復(fù)合控制：該種方式主要是在九區(qū)圖的基礎(chǔ)下建立起來的，其控制策略如圖5所示。

在圖5中：表示系統(tǒng)電壓最大值;

表示系統(tǒng)電壓最小值;

表示無功功率最大值;

表示無功功率最小值。

根據(jù)表1可知，當電網(wǎng)電壓和功率因數(shù)處在九區(qū)圖的任何一個位置時，都能夠采取相應(yīng)的措施來對電網(wǎng)進行降耗調(diào)整[6]，同時采用以上補償控制策略，能夠起到消除補償器投切振蕩的麻煩，也提高了無功補償?shù)呐袛嗤肚心芰Γ陔娋W(wǎng)補償?shù)倪^程中起到了更好的穩(wěn)定性和準確性[7]。

5 ?結(jié)語

光伏發(fā)電是國家大力支持的新型能源發(fā)電方式之一，當其采用較好的無功補償方式以后，就能夠有效地避免大量的光伏接入時對電網(wǎng)造成的沖擊，也能夠有效地減小光伏系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響。同時，在光伏發(fā)電的過程中裝設(shè)無功補償裝置能夠起到降低電能損耗，抑制電網(wǎng)功率諧波，改善電能質(zhì)量的優(yōu)點?？傊瑹o功補償技術(shù)的研究具有廣闊的應(yīng)用前景，其控制策略、控制方法有待于進一步的研究和探討。

參考文獻

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作者簡介：黎春榮（1996—），男，本科，研究方向為電力工業(yè)、自動化技術(shù)。