光伏逆變器參與電網(wǎng)無功電壓控制策略

吳 博，金 崗，馮竹建，華海峰

(國網(wǎng)浙江義烏市供電有限公司，浙江 義烏 322000)

在低碳戰(zhàn)略和環(huán)境問題備受關(guān)注的今天，光伏發(fā)電作為一種清潔能源，發(fā)展越來越迅速，在配電網(wǎng)中的供電比例逐年升高[1]。大容量分布式光伏的接入將改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)潮流輻射式的流動模式，這給既有模式的傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來了極大考驗，若忽視該類問題，現(xiàn)有配電網(wǎng)將隨著光伏發(fā)電量的增加，在運行檢修中的隱患將會層出不窮。這樣既限制了可再生能源的利用率，也增加了配電網(wǎng)系統(tǒng)的運行風險[2]。

針對大容量分布式電源接入低壓配電網(wǎng)的問題，國內(nèi)外學者進行了大量的研究。文獻[3]研究了光伏發(fā)電系統(tǒng)不同容量和接入位置對配電網(wǎng)諧波的影響；文獻[4]從光伏滲透性的角度，對光伏并網(wǎng)進行了試驗計算，分析了接入時的越限現(xiàn)象，研究了其對配電網(wǎng)電壓的影響；文獻[5]從安全性的角度出發(fā)，從電壓偏差、諧波、三相不平衡度等方面對分布式電源并網(wǎng)進行了優(yōu)化規(guī)劃；文獻[6-7]考慮了分布式光伏接入容量、接入位置等關(guān)鍵因素，分析了電源接入配電網(wǎng)對節(jié)點電壓的影響。這些文獻并未將逆變器吸收與釋放無功的能力充分發(fā)揮出來，本文切實考慮到逆變器的關(guān)鍵作用，提出光伏逆變器參與電網(wǎng)無功電壓控制的策略，旨在解決光伏并網(wǎng)給電壓和電能質(zhì)量帶來的不利影響。

1 分布式光伏接入后的隱患

1.1 對電壓的影響

單向輻射狀供電因其結(jié)構(gòu)簡單、保護相對容易而廣泛應(yīng)用于10 kV配電線路中，但是其可靠性和安全性相對較低。在城市配電網(wǎng)中，隨著分布式電源的發(fā)展，配電網(wǎng)的改建勢在必行，目前越來越青睞環(huán)網(wǎng)供電和開環(huán)運行的模式，因此需要分析光伏接入電網(wǎng)引起的電壓變化波動。

分布式系統(tǒng)接入對配電網(wǎng)局部電壓的影響如圖1所示。圖1描述了分布式光伏接入配電網(wǎng)局部電壓波動的原理，在低壓配電網(wǎng)中，電壓的變化比較敏感，分布式光伏的接入，改變了配電網(wǎng)小范圍的結(jié)構(gòu)，引起配電網(wǎng)局部電壓的偏移問題。尤其是在初春或秋季晴天午后光伏發(fā)電出力高峰時，常常會出現(xiàn)因負荷側(cè)消納較低造成低壓配電網(wǎng)電壓嚴重偏高的問題，這給保障電能質(zhì)量與供電安全帶來了極大挑戰(zhàn)。

圖1 分布式系統(tǒng)接入對配電網(wǎng)局部電壓的影響

1.2 對電能質(zhì)量的影響

分布式光伏接入會引起配電網(wǎng)電壓波動、諧波和閃變等電能質(zhì)量問題。配電網(wǎng)中，頻繁接通和斷開開關(guān)設(shè)備容易產(chǎn)生諧波分量。通過專門的測試分析，測得由逆變器電力電子元件引起的諧波。在分布式光伏電源始終訪問同一位置的情況下，饋線上的總諧波畸變率由分布式光伏的總?cè)萘繘Q定。總?cè)萘颗c一般負荷的比例越高，同一饋線上的節(jié)點負荷就越大。一些嚴重畸變的節(jié)點的諧波可能超過諧波電壓和電流畸變率的限額[8]。配電網(wǎng)的諧波受分布式電源的接入位置、容量和方式等影響，且分布式光伏電源與系統(tǒng)母線之間的距離越短，對系統(tǒng)中諧波分布的影響就越小。分布式光伏接入點越靠近配電線路始端，流過配網(wǎng)主干支路的諧波電流就會越大，對電能質(zhì)量的影響也越為嚴重。

電壓波動產(chǎn)生用電端人為感知被稱為閃變，這是由于系統(tǒng)中光伏逆變器正常切換工作所產(chǎn)生的。當分布式光伏逆變器出廠測試不達標時，較差的電能質(zhì)量最壞情況下會對附近發(fā)電系統(tǒng)、敏感用電設(shè)備、信號傳輸造成破壞和干擾。光伏逆變器穩(wěn)態(tài)運行時，通常波形畸變對應(yīng)的低次諧波較少，因逆變器斬波造成的高次諧波較多，高次諧波雖然波形畸變較少，但透過電纜分布電容，對敏感電氣設(shè)備或繼電保護造成干擾的概率卻很大，大量的諧波引入系統(tǒng)，會對配電網(wǎng)中柱上斷路器等智能化設(shè)備產(chǎn)生較大潛在安全影響，另外諧波也會造成系統(tǒng)線損增加、零相電流過大等安全隱患與不利影響[9]。

2 分布式光伏接入后隱患的解決思路

在配電網(wǎng)中，短路故障、無功和有功功率沖擊等常常會造成電網(wǎng)電壓波動，引起電能質(zhì)量下降，進而影響到配電網(wǎng)中的正常電能使用。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以廣泛分布于電網(wǎng)各處，包括電網(wǎng)虛弱的末梢。其并網(wǎng)有功電能的大小決定于光伏陣列的發(fā)電功率，一般情況下要求并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位，即保證功率因數(shù)為1[10]；同時還要求其在適當情況下向電網(wǎng)發(fā)出無功功率，這樣在一定程度上既可以提升電網(wǎng)電能質(zhì)量，也可以提高光伏系統(tǒng)的利用率：即要實現(xiàn)有功發(fā)電和無功補償?shù)慕y(tǒng)一控制。另外，光伏逆變器實現(xiàn)無功功率的輸出也有助于低電壓穿越測試的通過。

光伏逆變器理論上具備電網(wǎng)無功吸收與釋放能力，然而這將占用光伏逆變器有功出力空間，并使控制趨于復(fù)雜[11]。對此問題，研究基于可控串聯(lián)補償?shù)耐庵霉夥孀兤鳛V波與無功補償裝置，通過設(shè)置寬頻帶無功電抗器，檢測末端電壓控制投切，實現(xiàn)光伏逆變器運行時的無功吸收，為解決末端電壓高的問題在無需改變光伏逆變器設(shè)置的基礎(chǔ)上，提供有效的途徑。電抗器將采用新型復(fù)合合金材料，實現(xiàn)全頻帶的頻率響應(yīng)與較低的損耗，從而在吸收無功的同時，抑制光伏逆變器的高次諧波干擾問題。

3 逆變器參與的電壓控制策略

3.1 光伏逆變器工作原理

圖2 逆變器電路及其并網(wǎng)相量圖

當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)降落時，逆變器向系統(tǒng)輸出感性無功，有助于支撐電網(wǎng)電壓；當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)升高時，逆變器向系統(tǒng)輸出容性無功，有助于支撐電網(wǎng)電壓[2]。如圖2(b)所示逆變器向系統(tǒng)輸出感性無功時，從電網(wǎng)側(cè)來看逆變器，電感電流反向180°，可以看到此時電感電流是超前電網(wǎng)電壓的，逆變器此時相當于一個電容，一般負載都呈現(xiàn)感性，電網(wǎng)中電流大部分時間是滯后電網(wǎng)電壓的。

3.2 損耗對逆變器的影響

圖3 不考慮損耗時的逆變器交流側(cè)相量圖

圖4 考慮損耗時的逆變器交流側(cè)相量圖

3.3 濾波與無功補償裝置

由簡述分析可知，采用可控串聯(lián)補償?shù)耐庵霉夥孀兤鳛V波與無功補償裝置，通過設(shè)置寬頻帶無功電抗器，檢測末端電壓控制投切，即可實現(xiàn)光伏逆變器運行時的無功吸收，而無需改變光伏逆變器裝置，從而解決末端電壓高的問題。電抗器采用新型復(fù)合合金材料，實現(xiàn)全頻帶的頻率響應(yīng)與較低的損耗，在吸收無功的同時，還可抑制光伏逆變器的高次諧波干擾[14]。

同時，還設(shè)計了全新的零相與接地回路諧波干擾抑制，光伏逆變器的諧波頻率較高，常常通過大地與零相回路干擾其他用戶與電網(wǎng)二次設(shè)備，通過新型接地點諧波移植技術(shù)，可使光伏逆變器的諧波得到有效控制[15]。該技術(shù)具備通用性，可與任何既有光伏逆變器系統(tǒng)配合使用?；谛滦偷蔫F磁材料設(shè)計具備超高磁導(dǎo)率的導(dǎo)線高頻信號抑制裝置，通過在部分容易受到干擾的回路，或逆變器主回路的電纜接地線等部位裝設(shè)該裝置，可降低通過大地耦合的高頻信號的幅值，從而降低或消 二次回路干擾隱患。據(jù)現(xiàn)場檢測，未采用干擾抑制措施的變頻器，其電纜接地線的高頻入地電流可達0.2～5 A，該電流通過接地網(wǎng)，可對很多二次設(shè)備通過耦合等方式形成干擾。將采用相對導(dǎo)磁率10 000以上的硅鋼帶磁芯設(shè)計制作成外箍形干擾抑制器，如圖5所示。通過變頻器接地線等區(qū)域的設(shè)置，可將入地高頻電流大幅降低，并減小高頻電流的波頭陡度，從而大幅抑制高頻電流帶來的干擾。

圖5 C型外箍式干擾抑制器

3.4 光伏逆變器濾波與無功補償裝置特點

傳統(tǒng)無功補償裝置采用的是靜態(tài)無功發(fā)生器(SVG)補償裝置，它是全控型有源無功發(fā)生器。將光伏逆變器濾波與無功補償裝置與SVG補償裝置進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 光伏逆變器濾波與無功補償裝置特點

從表1可以看出，光伏逆變器濾波與無功補償裝置相比于傳統(tǒng)SVG補償裝置在可靠性、運行能耗、安裝和成本上均具有一定的優(yōu)越性，通過這樣的電壓控制策略，可以有效提升電能質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文對光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)引起的電壓和電能質(zhì)量問題進行了分析，利用光伏逆變器吸收和釋放無功的原理，提出了光伏逆變器參與電網(wǎng)電壓無功控制的策略，用可控串聯(lián)補償?shù)耐庵霉夥孀兤鳛V波與無功補償裝置，實現(xiàn)了無功的吸收，并利用新型材料制作干擾抑制器，極大提升了電能質(zhì)量，為光伏接入配電網(wǎng)提供了安全保障。