基于逆變器控制的主動配電網(wǎng)臺區(qū)功率因數(shù)異常治理技術(shù)研究

黃 海 曹 瑋 吳勉宏 朱 雷 蔡德勝

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南通市通州區(qū)供電分公司，江蘇南通 226000；2.南京豐道電力科技有限公司，江蘇南京 210032）

0 引言

光伏發(fā)電出力隨太陽日照強度變化而變化，具有隨機性、間歇性和波動性等特點[1]。大規(guī)模的分布式光伏發(fā)電接入后，不僅會對配電網(wǎng)的電壓分布、諧波以及可靠性等產(chǎn)生影響，而且對用戶來說會直接影響內(nèi)部負荷潮流分布[2]。對于光伏并網(wǎng)接入用戶側(cè)的這種接入方式來說，用戶側(cè)計量關(guān)口功率因數(shù)會出現(xiàn)達不到考核標準的問題，用戶會在不同程度上存在力率調(diào)整電費損失情況[3]。

現(xiàn)階段基于無功補償設(shè)備的電能治理技術(shù)研究較多，但未充分挖掘分布式光伏逆變器的無功調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)手段較單一；基于儲能變流器的功率因數(shù)治理技術(shù)現(xiàn)階段投資成本較高，不適合大面積推廣。綜上所述，本文主要從配電網(wǎng)目前存在的問題出發(fā)，以主動配電網(wǎng)分布式光伏無功控制為基礎(chǔ)，通過挖掘逆變器無功調(diào)節(jié)能力，提出基于逆變器控制的主動配電網(wǎng)臺區(qū)功率因數(shù)異常治理技術(shù)拓撲，并進行了試點運行。

1 分布式光伏接入對配電網(wǎng)臺區(qū)功率因數(shù)的影響分析

1.1 分布式光伏并網(wǎng)方式

現(xiàn)階段，分布式光伏有3種并網(wǎng)方式，分別是：（1）完全自用；（2）自發(fā)自用，余電上網(wǎng)；（3）全部上網(wǎng)。“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”是一種主流接入方式，光伏發(fā)電經(jīng)逆變至并網(wǎng)柜接入用戶側(cè)原有配電設(shè)施，當用戶負荷需求大于光伏出力時，電網(wǎng)電量補充；當用戶負荷需求小于光伏出力時，光伏向電網(wǎng)反向送電。分布式光伏通過臺區(qū)400 V系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電，在臺區(qū)用戶內(nèi)側(cè)400 V母線設(shè)立并網(wǎng)點，并設(shè)置發(fā)電計量表，用于計費補償，同時在用戶與電網(wǎng)的產(chǎn)權(quán)分界點設(shè)置雙向電能計量表，用于結(jié)算用戶的上網(wǎng)、用網(wǎng)電量電費。用戶按照此方式新增分布式光伏時通?？紤]配套新增一定容量的無功補償設(shè)備，用于功率因數(shù)治理。分布式光伏發(fā)電接入配電臺區(qū)用戶側(cè)一次拓撲圖如圖1所示。

圖1 分布式光伏接入臺區(qū)用戶側(cè)典型拓撲圖

1.2 分布式光伏并網(wǎng)引起的功率因數(shù)影響分析

根據(jù)水利電力部、國家物價局關(guān)于《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》[（83）水電財字第215號]文件規(guī)定，容量在100 kVA及以上的電力用戶均需進行功率因數(shù)標準考核，如未達到考核標準將計收力率調(diào)整電費，超過考核標準的按超過比例進行獎勵[12]。按照上述規(guī)定，10 kV工業(yè)用戶功率因數(shù)應(yīng)高于0.9，如果用戶功率因數(shù)低于0.9，不僅會威脅電網(wǎng)運行安全，而且用戶需承擔電網(wǎng)考核費用。

用戶關(guān)口計量表功率因數(shù)計算公式如下：

式（1）中用網(wǎng)關(guān)口表在計算功率因數(shù)時只計量用戶負載使用電網(wǎng)的有功P用網(wǎng)，而負載所消耗來自光伏發(fā)電的有功P光伏不參與功率因數(shù)計算；無功是采用負荷使用電網(wǎng)無功和上網(wǎng)無功的絕對值相加。由于光伏發(fā)電的存在，企業(yè)工廠用電優(yōu)先使用光伏發(fā)電的電量。當分布式光伏發(fā)電量較大，用戶負載用電量較小，光伏發(fā)電不能全部被負載消納時，光伏發(fā)電會向電網(wǎng)倒送有功，即產(chǎn)生上網(wǎng)電量，此時用網(wǎng)電量P用網(wǎng)很小，關(guān)口表的功率因數(shù)就會降低，則會出現(xiàn)功率因數(shù)不達標的情況。

光伏逆變器本身具備無功吸收和補償能力，但臺區(qū)內(nèi)分布式光伏較分散，無統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，造成大量無功資源浪費，本文利用光伏逆變器無功調(diào)節(jié)功能，通過數(shù)據(jù)采集器與分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備組網(wǎng)，使得臺區(qū)多逆變器協(xié)同參與臺區(qū)功率因數(shù)異常治理。通常，分布式光伏逆變器安裝點較分散，需在分布式光伏并網(wǎng)處新增數(shù)據(jù)采集器，用于采集逆變器無功功率實時值與當前運行狀態(tài)，計算無功功率可控裕度；同時，分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備根據(jù)當前計量點有功功率、功率因數(shù)以及逆變器無功可控裕度、逆變器可控狀態(tài)等約束條件，計算逆變器總無功需求，按照等比例裕度計算每臺逆變器所需無功出力，進行光伏逆變器無功功率群控，實現(xiàn)對臺區(qū)側(cè)功率因數(shù)異常的治理。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 硬件架構(gòu)

如圖2所示，在低壓側(cè)并網(wǎng)的分布式光伏逆變器通過數(shù)據(jù)采集器完成與分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備的交互，分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備直接采集臺區(qū)低壓側(cè)電壓電流，計算分配的無功功率指令實時發(fā)送給逆變器，完成臺區(qū)低壓側(cè)無功自動補償，從而實現(xiàn)功率因數(shù)異常治理。

圖2 硬件架構(gòu)示意圖

2.2 軟件架構(gòu)

如圖3所示，系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要分為核心策略模塊、功率分配模塊、目標值算法處理模塊、集群算法處理模塊、信息處理模塊、本地采集模塊、上行數(shù)據(jù)交換模塊以及下行數(shù)據(jù)交換模塊。其中，上行數(shù)據(jù)交換模塊負責與集控主站或監(jiān)控主機數(shù)據(jù)交互，接收控制策略或人工指令；下行數(shù)據(jù)交換模塊負責無功功率遙調(diào)指令群發(fā)；本地采集模塊負責逆變器通信與電氣量采集；信息處理模塊負責將采集的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式；目標值算法處理負責解析集控主站或監(jiān)控主機下發(fā)的指令；集群算法處理模塊負責將計算的功率分配值轉(zhuǎn)換為逆變器所識別的數(shù)據(jù)格式；功率分配模塊負責將總無功功率需求按等比例裕度分配給每一臺逆變器；核心策略模塊負責按照控制策略與實時采集數(shù)據(jù)計算功率因數(shù)合格條件下的無功需求。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3 控制策略

3.1 逆變器可控無功容量計算

分布式光伏逆變器遠程無功控制后，假設(shè)臺區(qū)內(nèi)分布式光伏裝機容量為SDC，按照《光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50865—2013）規(guī)定，光伏逆變器功率因數(shù)cos φ=0.95范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)，則臺區(qū)可調(diào)無功容量為：

3.2 控制流程

分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備就地控制初始化接收集控主站或監(jiān)控主機控制模式設(shè)定及參數(shù)門限定值設(shè)置，支持多種模式選擇，在治理配電臺區(qū)功率因數(shù)異常場景下，選擇功率因數(shù)模式。其初始化與模式選擇流程圖如圖4所示。

圖4 初始化及控制模式選擇流程圖

在此模式下實時計算相關(guān)輸入量（包括電壓、無功功率或功率因數(shù)），跟進功率因數(shù)設(shè)定門限參數(shù)及逆變器無功裕度計算臺區(qū)低壓側(cè)無功功率總需求，并按照等比例裕度原則分配目標值，下發(fā)至逆變器，完成閉環(huán)調(diào)節(jié)下的首次控制，多次PID控制實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)精度，其控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程圖

3.3 無功控制補償策略

上述算法計算出臺區(qū)總無功需求后，將進行第一次分配調(diào)節(jié)，為提高控制精度，完成功率因數(shù)門限定值下的閉環(huán)控制，需要制訂無功功率控制補償策略。本文提出表1所示三種無功功率控制補償策略。

表1 無功功率控制補償策略

（1）不補償策略：恒功率因數(shù)模式下，無功指令就是最終計算的總的無功控制指令。

（2）PID補償策略：漸次逼近控制策略。

第一次調(diào)節(jié)，臺區(qū)無功控制指令=計算無功總需求。

第二次調(diào)節(jié)，臺區(qū)無功控制指令=上一次控制指令+（計算無功總需求-并網(wǎng)點無功），漸次逼近計算無功總需求。

PID補償策略適用于逆變器可快速響應(yīng)的場景（響應(yīng)時間毫秒級）。由于分布式光伏逆變器無功響應(yīng)時間在5 s以內(nèi)，可以應(yīng)用；若超出5 s，可使用線損補償策略。

（3）線損補償策略：臺區(qū)總的無功控制指令=計算無功總需求+無功線損。

無功線損=全站無功設(shè)備總無功出力-并網(wǎng)點無功。其中，無功設(shè)備指臺區(qū)內(nèi)分布式光伏逆變器。無功線損即主變壓器的無功損耗與臺區(qū)內(nèi)負荷無功需求。

因此，在分布式光伏接入的主動配電網(wǎng)臺區(qū)進行功率因數(shù)異常治理時，為提高無功補償精度，可選用線損補償策略。

4 試驗驗證

本文基于上述方案，在容量為495 kW的分布式光伏電站進行了試點驗證，分布式光伏采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式，園區(qū)日平均工業(yè)負荷約為200 kW，在分布式光伏發(fā)電期間有少量電量上網(wǎng)，改造前功率因數(shù)平均0.836左右，不滿足電網(wǎng)要求。在采用臺區(qū)功率因數(shù)控制模式后，日功率因數(shù)平均提高至0.927。圖6中cos PCC為并網(wǎng)點24 h功率因數(shù)曲線，cos Average為平均值0.926 5。

圖6 現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果顯示，基于逆變器控制的主動配電網(wǎng)臺區(qū)功率因數(shù)異常治理技術(shù)可以很好地解決分布式光伏接入配電網(wǎng)臺區(qū)引起的功率因數(shù)異常問題。

5 結(jié)語

本文針對分布式光伏接入配電網(wǎng)臺區(qū)引起的功率因數(shù)異常問題，設(shè)計了分布式光伏協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)架構(gòu)，提出利用逆變器的無功輸出能力以及功率因數(shù)控制算法來解決上述問題。充分挖掘逆變器無功潛在能力，采用基于多逆變器的無功協(xié)調(diào)分配策略參與配電臺區(qū)功率因數(shù)治理，并提出了一種基于無功損耗計算的無功功率控制補償策略以提升功率因數(shù)治理時無功補償計算精度。研究結(jié)果表明，本方案可為主動配電網(wǎng)臺區(qū)側(cè)提供更多的無功補償資源，切實提升臺區(qū)功率因數(shù)水平。未來可將分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備接入調(diào)度管理系統(tǒng)，從全局上利用臺區(qū)無功控制能力，優(yōu)化線路無功功率分布，降低線損。