分布式光伏系統(tǒng)無(wú)功控制策略研究

沈曉倩，李鵬濤，宋丹

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000）

0 引言

隨著化石能源的逐步枯竭，以及全球氣候變化問(wèn)題日益嚴(yán)峻，盡可能高效地利用可再生能源日益受到各國(guó)政府的廣泛關(guān)注，大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)已經(jīng)成為新型電力系統(tǒng)不可抵擋的發(fā)展趨勢(shì)[1]。由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)被直接并入配電網(wǎng)，因此具備配置靈活、就地消納、投資和損耗較小等特性，具有突出的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而光伏發(fā)電并網(wǎng)會(huì)對(duì)低壓配電網(wǎng)產(chǎn)生諸多弊端：因典型居民負(fù)荷的高峰時(shí)段與光伏發(fā)電出力較大的時(shí)段經(jīng)常不能匹配，所以造成低壓配電網(wǎng)白天容易面臨過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)，而夜間容易面臨欠電壓風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)損耗的增加[2]。并且，由于光伏發(fā)電具有波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)配電用戶的用電質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此，亟需研究分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功控制方法，提高光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。文獻(xiàn)[3]基于電壓-有功功率的下垂系數(shù)，選擇節(jié)點(diǎn)的有功切除量，避免并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生越限。文獻(xiàn)[4]通過(guò)削減分布式光伏系統(tǒng)有功功率，同時(shí)借助逆變器剩余無(wú)功功率容量，對(duì)節(jié)點(diǎn)越限電壓進(jìn)行治理。文獻(xiàn)[5]提出削減直流側(cè)有功出力控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓不發(fā)生越線，然而這種控制方法卻以降低經(jīng)濟(jì)效益為代價(jià)滿足電壓控制。

針對(duì)上述情況，基于德國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)提出的4種分布式光伏并網(wǎng)無(wú)功控制策略，通過(guò)對(duì)分布式光伏系統(tǒng)無(wú)功功率和功率因數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)點(diǎn)電壓的控制。通過(guò)研究4種控制策略，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，從仿真結(jié)果可知，控制方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓越限的控制。

1 光伏逆變器無(wú)功輸出模型

1.1 分布式光伏并網(wǎng)電壓特性

分布式光伏系統(tǒng)為光伏陣列PV產(chǎn)生的電壓輸送給由最大功率控制MPPT(maximum power point tracking)電路控制的DC/DC直流斬波電路，升壓后輸送給由控制器控制的DC/AC逆變電路，逆變后的三相交流電壓并入電網(wǎng)，構(gòu)成整個(gè)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。圖1為分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)線路簡(jiǎn)化模型。

圖1 分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)線路簡(jiǎn)化模型

根據(jù)基爾霍夫定律可得出逆變器和電網(wǎng)的變量關(guān)系，進(jìn)而分析并網(wǎng)逆變器的無(wú)功輸出。設(shè)電網(wǎng)電壓U為參考向量，通過(guò)計(jì)算可得：

式中：PPV、QPV—光伏系統(tǒng)發(fā)出的有功和無(wú)功功率；

Pld—本地的有功負(fù)荷；

Qld—本地的無(wú)功負(fù)荷；

UPV—并網(wǎng)點(diǎn)電壓；

R、X—線路阻抗。

由于UPV的虛部分量遠(yuǎn)小于實(shí)部分量，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可將其虛部略去，故式（1）可化簡(jiǎn)為

系統(tǒng)本地負(fù)荷一般多為感性負(fù)荷，所以Pld和Qld均大于零。

1)當(dāng)光伏系統(tǒng)沒(méi)有接入配電網(wǎng)時(shí)，其輸出有功功率PPV和無(wú)功功率QPV均為0，將其分別帶入式（3）可以得到：

由式（3）可知，此時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPV不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)電壓U，即不發(fā)生電壓越限問(wèn)題。

2)當(dāng)光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)，并在功率因數(shù)cosφ=1模式下運(yùn)行時(shí)，光伏系統(tǒng)的有功輸出PPV最大，無(wú)功輸出QPV為0，將其帶入式（4）可以得到：

當(dāng)(PPV-Pld)R-QldX≤0，此時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPV不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)電壓U，即不發(fā)生電壓越限；當(dāng)系統(tǒng)的有功輸出PPV增大，使(PPV-Pld)RQldX＞0，此時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓會(huì)反超系統(tǒng)電壓U，如果并網(wǎng)點(diǎn)電壓越限不及時(shí)采取措施，將造成用電設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。

綜上所述：影響并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPV的因素主要包括有功出力PPV、無(wú)功出力QPV、本地負(fù)載Pld以及線路電阻R和線路電抗X。本地負(fù)荷Pld由用戶決定，具有不可控性；R和X與光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的位置相關(guān)，一般為固定值；光伏的有功出力PPV和無(wú)功出力QPV可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有可控性，實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓控制。

1.2 光伏逆變器無(wú)功輸出約束

分布式光伏系統(tǒng)逆變器的無(wú)功輸出容量有限，無(wú)功功率受逆變器容量及并網(wǎng)點(diǎn)電壓的約束[6]。逆變器向配電網(wǎng)輸出的有功功率P和無(wú)功功率Q為

式中：Ug—逆變器輸出相電壓；

E—電網(wǎng)相電壓；

δ—Ug和E的夾角。

將式（5）處理可得：

將式（6）整理可得無(wú)功Q的約束條件1：

根據(jù)功率平衡關(guān)系S2=P2+Q2整理可得無(wú)功Q的約束條件2：

根據(jù)式（7）和式（8）的兩個(gè)約束條件可知：無(wú)功功率與有功功率、視在功率、逆變器輸出電壓、電網(wǎng)相電壓、線路電阻及線路電抗有關(guān)。

2 無(wú)功功率控制策略

2.1 恒無(wú)功功率控制

恒定的無(wú)功功率值根據(jù)外界環(huán)境及系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)定。根據(jù)其負(fù)荷曲線和出力曲線設(shè)定無(wú)功參考值，以保證功率因數(shù)的合理性及并網(wǎng)點(diǎn)電壓不越限[7]。當(dāng)光伏有功出力和線路負(fù)荷出力已知，可根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓求出光伏系統(tǒng)發(fā)出的無(wú)功功率：

據(jù)此可得光伏逆變器發(fā)出的無(wú)功功率QPV范圍。

2.2 恒功率因數(shù)控制

恒功率因數(shù)cosφ控制策略下并網(wǎng)的無(wú)功功率與有功功率比值為一個(gè)恒值C。

恒功率因數(shù)cosφ控制下，當(dāng)光伏逆變器的有功出力PPV很小，即PPV＜Pld時(shí)，線路電壓會(huì)隨著饋線潮流的方向下降，雖然并網(wǎng)點(diǎn)電壓并未越限，但為維持功率因數(shù)cosφ不變，無(wú)法避免會(huì)發(fā)出一定的無(wú)功功率[8]。

2.3 基于光伏有功出力控制

基于光伏有功出力的無(wú)功功率控制，即cosφ(P)控制，其功率因數(shù)cosφ值基于光伏有功出力改變，cosφ(P)控制特性曲線用一階函數(shù)可表示為

當(dāng)有功出力低于額定值Pm一半時(shí)，系統(tǒng)仍以cosφ=1并網(wǎng)，即P1=Pm/2，C1=1；當(dāng)有功出力達(dá)到額定值時(shí)，最小功率因數(shù)設(shè)置為cosφ=0.9，即P2=Pm，C2=0.9[9]。

2.4 基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制

分布式電源接入配電網(wǎng)后，由于光伏系統(tǒng)發(fā)電的不確定性，不僅會(huì)引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高，產(chǎn)生電壓越限，還會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的潮流方向變?yōu)殡p向流動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)的電壓分布的規(guī)律性被打破。傳統(tǒng)的基于本地測(cè)量信息以實(shí)現(xiàn)電壓控制的設(shè)備已不再適用。當(dāng)有功出力小于額定容量時(shí)，若電壓越限，可以通過(guò)無(wú)功調(diào)節(jié)參與電網(wǎng)電壓控制。為了使電網(wǎng)電壓仍能保持在安全范圍內(nèi)，提出基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值的無(wú)功控制策略[10]。

基于采集并網(wǎng)點(diǎn)電壓U，確立無(wú)功參考值,Q(U)控制策略特性的表達(dá)式為

U1、U2、U3、U4表示的電壓值分別為0.95、0.98、1.02、1.05p.u.；Qmax為光伏系統(tǒng)無(wú)功輸出最大值[11]。

3 仿真分析

分布式光伏系統(tǒng)的出力因受外部環(huán)境的影響，從而影響并網(wǎng)點(diǎn)電壓，通過(guò)仿真考慮外部環(huán)境急劇變化時(shí)無(wú)功控制策略對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的控制效果。由于分布式光伏系統(tǒng)出力主要受光照強(qiáng)度和溫度影響，設(shè)置場(chǎng)景一和場(chǎng)景二，當(dāng)外部環(huán)境由場(chǎng)景一在2.5 s內(nèi)變換到場(chǎng)景二，分析4種控制下的并網(wǎng)點(diǎn)電壓UPV、功率因數(shù)cosφ、逆變器輸出的無(wú)功功率Q變化狀況，場(chǎng)景狀況如表1所示。

表1 不同場(chǎng)景下光伏系統(tǒng)外部狀況

并網(wǎng)點(diǎn)電壓會(huì)在場(chǎng)景變化過(guò)程中電壓下降，當(dāng)外部環(huán)境波動(dòng)較小時(shí)電壓會(huì)恢復(fù)至設(shè)定值，其中，基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制，并網(wǎng)點(diǎn)電壓在場(chǎng)景變化過(guò)程中電壓下降達(dá)15.6 V，并且電壓低于設(shè)定電壓5 V左右，較其他控制方法對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制效果較差，并網(wǎng)點(diǎn)電壓波形如圖2所示。

圖2 不同控制下的并網(wǎng)點(diǎn)電壓

場(chǎng)景變化造成功率因數(shù)會(huì)發(fā)生驟降，在0.1 s左右會(huì)有一定的回彈進(jìn)而趨于穩(wěn)定；外部因素趨于穩(wěn)定時(shí)，功率因數(shù)也會(huì)上升恢復(fù)場(chǎng)景變化前功率因數(shù)水平。恒無(wú)功功率控制在場(chǎng)景變化過(guò)程中功率因數(shù)變化劇烈，差值達(dá)0.64，不滿足功率因數(shù)要求，場(chǎng)景變化下功率因數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 同控制下的功率因數(shù)

無(wú)功功率在場(chǎng)景變化下，恒無(wú)功功率控制保持恒定無(wú)功輸出，基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制無(wú)功在外界因素較為穩(wěn)定時(shí)，無(wú)功總量最低，削減電網(wǎng)成本。其余兩種控制方法的無(wú)功輸出在場(chǎng)景變化時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)明顯下降，在穩(wěn)定狀態(tài)無(wú)功輸出會(huì)增加，無(wú)功功率輸出如圖4所示。

圖4 不同控制下的無(wú)功功率

綜上所述：基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制與恒功率控制效果較差，恒功率因數(shù)cosφ控制比較靈活，它會(huì)隨著系統(tǒng)有功功率的改變，不斷調(diào)節(jié)光伏系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率，外界環(huán)境發(fā)生劇烈的光照或溫度變化時(shí)，有功出力也相應(yīng)增加，難免出現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)電壓越限問(wèn)題；基于有功出力cosφ(P)控制能夠基于輸出的有功功率調(diào)整功率因數(shù)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓、功率因數(shù)、無(wú)功功率控制效果都優(yōu)于cosφ控制效果，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式光伏系統(tǒng)無(wú)功控制。

4 結(jié)語(yǔ)

四種無(wú)功控制對(duì)電壓越限的控制各有利弊。恒無(wú)功功率Q控制方法簡(jiǎn)單，靈活性不強(qiáng)，光照強(qiáng)度急劇變化時(shí)，功率因數(shù)會(huì)超出規(guī)定范圍；恒功率因數(shù)cosφ控制相對(duì)靈活，但有功出力不斷增加時(shí)，依然會(huì)出現(xiàn)電壓越限問(wèn)題；基于光伏有功出力cosφ(P)控制可以有效地控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓，但是會(huì)增加無(wú)功消耗，增加電網(wǎng)運(yùn)行成本；基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓Q（U）控制的優(yōu)勢(shì)為無(wú)功總量最低，削減電網(wǎng)成本，其不足是調(diào)壓能力相對(duì)較弱。

針對(duì)不同電壓等級(jí)的并網(wǎng)系統(tǒng)，為解決大型光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)所帶來(lái)的電壓越限問(wèn)題，在無(wú)功功率控制方面有待進(jìn)一步研究。