光伏電站逆變器與靜止無(wú)功發(fā)生器無(wú)功電壓控制策略研究與應(yīng)用

邱文俊，李玉齊，支曉晨，張順仁，陳曉?xún)x，施宏亮

(上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

0 引言

太陽(yáng)能作為一種清潔、可再生且分布廣泛的能源，符合能源利用清潔高效的特點(diǎn)。近年來(lái)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，系統(tǒng)組件成本不斷下降，光伏并網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，建設(shè)并網(wǎng)光伏電站成為新型電力系統(tǒng)背景下大規(guī)模利用清潔能源的有效方式[1-3]。光伏電站，尤其是集中式并網(wǎng)的光伏電站一般遠(yuǎn)離用電負(fù)荷中心，電網(wǎng)系統(tǒng)比較薄弱，光伏發(fā)電系統(tǒng)自身會(huì)因溫度、光照的變化引發(fā)并網(wǎng)電壓波動(dòng)，乃至越限[4]。因而光伏發(fā)電站有必要參與電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)壓控制，緊急情況下為電網(wǎng)提供快速無(wú)功支撐，可有效改善光伏并網(wǎng)點(diǎn)的電壓越限，提高光伏并網(wǎng)的穩(wěn)定性、安全性[5-6]。

基于無(wú)功調(diào)壓設(shè)備的無(wú)功出力，并配置相互間的無(wú)功置換功能，可確保光伏發(fā)電系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓支撐能力[7]?？焖贌o(wú)功補(bǔ)償裝置具備較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力，可高效響應(yīng)電網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)功需求，參與光伏電站無(wú)功電壓控制。本文針對(duì)光伏逆變器與靜止無(wú)功發(fā)生器(static var generator，SVG)協(xié)調(diào)控制參與光伏電站無(wú)功電壓控制策略展開(kāi)研究探討。

1 光伏并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功電壓調(diào)節(jié)原理

光伏電站的無(wú)功源，主要包括光伏逆變器、站內(nèi)配置的無(wú)功補(bǔ)償裝置等。無(wú)功補(bǔ)償裝置需按光伏電站項(xiàng)目實(shí)際情況配置，如站內(nèi)集電線路分布、送出線路長(zhǎng)度、項(xiàng)目安裝形式和容量、光伏并網(wǎng)點(diǎn)接入電網(wǎng)情況等，在進(jìn)行無(wú)功電壓研究后確定[8]。光伏電站配置的自動(dòng)電壓控制(automatic voltage control，AVC)系統(tǒng)子站接收調(diào)度主站指令，對(duì)站內(nèi)無(wú)功電源(逆變器、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置等)下發(fā)無(wú)功分配控制指令，調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓[9-10]。某光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 某光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)

以電網(wǎng)電壓US為基準(zhǔn)，光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓Upoint[11]可近似表示為：

(1)

式中：US為電網(wǎng)系統(tǒng)電壓；ZS=RS+jXS為光伏電站送出線路阻抗；ΔP、ΔQ分別為站內(nèi)集電線路與變壓器阻抗產(chǎn)生的有功損耗、無(wú)功損耗；PG、QG分別為光伏電站逆變器的有功輸出和無(wú)功輸出；QC為光伏電站無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功輸出；UG為光伏電站出口變壓器低壓側(cè)電壓；G1、G2分別表示光伏電站逆變器和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

光伏電站有功輸出PG發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓Upoint波動(dòng)。對(duì)此可通過(guò)調(diào)節(jié)站內(nèi)逆變器無(wú)功輸出QG、無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)功輸出QC，達(dá)到調(diào)節(jié)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓的目的。

2 無(wú)功源無(wú)功補(bǔ)償特性

本文所提控制策略的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)光伏電站內(nèi)逆變器和SVG之間的無(wú)功協(xié)調(diào)控制，先分析各無(wú)功源的無(wú)功補(bǔ)償特性。

1)光伏逆變器

光伏逆變器主要將光伏發(fā)電產(chǎn)生的直流電逆變?yōu)楣ゎl交流電，且能實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率正負(fù)連續(xù)輸出，但其輸出無(wú)功功率與光伏逆變器自身功率因數(shù)、容量有關(guān)[12]。光伏逆變器需經(jīng)過(guò)多個(gè)通信環(huán)節(jié)接收光伏電站站控層下發(fā)的無(wú)功指令，其無(wú)功功率輸出響應(yīng)速度稍慢于站內(nèi)配置的無(wú)功發(fā)生器。光伏逆變器實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率輸出只需對(duì)控制策略進(jìn)行改進(jìn)，無(wú)需增加額外的設(shè)備，可以大幅降低光伏電站投資成本。

2)靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)

為保持端電網(wǎng)電壓暫態(tài)過(guò)程中的穩(wěn)定性，SVG向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率以達(dá)到支撐暫態(tài)電網(wǎng)電壓的目的[13]。SVG通過(guò)改變橋式電路交流電壓的相角、幅值來(lái)輸出滿足要求的無(wú)功電流[14-15]，以實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。當(dāng)橋式電路輸出電壓的基波分量高于電網(wǎng)系統(tǒng)分量時(shí)，SVG向電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率；等于電網(wǎng)系統(tǒng)電壓時(shí)，SVG運(yùn)行在零無(wú)功狀態(tài)；低于電網(wǎng)系統(tǒng)電壓時(shí)，SVG從電網(wǎng)系統(tǒng)吸收無(wú)功功率。可見(jiàn)，SVG能實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率正負(fù)連續(xù)輸出，具有諧波含量少、無(wú)功補(bǔ)償響應(yīng)快的特點(diǎn)。

光伏逆變器和靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)屬于動(dòng)態(tài)、連續(xù)型無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備，適用于光伏電站無(wú)功功率輸出連續(xù)控制。

3 光伏電站無(wú)功分配策略研究

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29321—2012[8]、GB/T 19964—2012[16]明確規(guī)定：光伏電站的無(wú)功電源包括光伏并網(wǎng)逆變器、無(wú)功補(bǔ)償裝置，需充分利用逆變器的無(wú)功調(diào)節(jié)能力與無(wú)功容量；當(dāng)逆變器的無(wú)功容量無(wú)法滿足系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)需要時(shí)，應(yīng)在光伏發(fā)電站配置適當(dāng)容量的無(wú)功補(bǔ)償裝置，包括動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置[17]。按上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，光伏電站大多配置了無(wú)功補(bǔ)償裝置。

若逆變器無(wú)功容量不足，無(wú)法滿足系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)需要，需利用無(wú)功補(bǔ)償裝置共同參與調(diào)節(jié)。在制定光伏電站無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略時(shí)，應(yīng)考慮光伏逆變器和無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG之間的協(xié)調(diào)控制[18-19]。下面對(duì)光伏電站光伏逆變器和SVG協(xié)調(diào)控制策略加以介紹。

3.1 控制策略整體思路

光伏電站無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略，以并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定為控制目標(biāo)，綜合考慮站內(nèi)各無(wú)功源的無(wú)功出力，實(shí)現(xiàn)無(wú)功電壓控制。本文所述無(wú)功源主要考慮逆變器和SVG參與無(wú)功協(xié)調(diào)控制[20-21]。光伏電站無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略整體思路[22]如圖2所示。

圖2 光伏電站控制策略

1)控制模式。包括遠(yuǎn)方電壓或無(wú)功跟蹤，本地電壓、無(wú)功、功率因數(shù)跟蹤。在遠(yuǎn)方控制模式下，若發(fā)生通信異常，站內(nèi)AVC系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤上一次的指令執(zhí)行。

2)無(wú)功需求量計(jì)算。根據(jù)光伏并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓實(shí)際值與調(diào)度主站下發(fā)參考值的偏差，計(jì)算光伏電站需改變的總無(wú)功出力。

3)無(wú)功分配。當(dāng)SVG參與無(wú)功調(diào)節(jié)時(shí)，計(jì)算每臺(tái)逆變器和SVG在調(diào)節(jié)中需要改變的無(wú)功量；當(dāng)SVG不參與無(wú)功調(diào)節(jié)時(shí)，計(jì)算每臺(tái)逆變器在調(diào)節(jié)中需要改變的無(wú)功量。

4)無(wú)功指令執(zhí)行。當(dāng)SVG參與無(wú)功調(diào)節(jié)時(shí)，逆變器和SVG根據(jù)接收的無(wú)功指令，完成調(diào)節(jié)；當(dāng)SVG不參與無(wú)功調(diào)節(jié)時(shí)，逆變器根據(jù)接收的無(wú)功指令，完成調(diào)節(jié)。

3.2 無(wú)功分配策略研究

3.2.1逆變器與SVG協(xié)調(diào)分配

無(wú)論分布式光伏還是集中式光伏，無(wú)論站內(nèi)有多少臺(tái)SVG，將所有逆變器視為一個(gè)整體，所有SVG視為另一個(gè)整體。AVC將無(wú)功增量分配至兩個(gè)大組：逆變器組由數(shù)據(jù)采集裝置分配，SVG由監(jiān)控裝置分配。

1)等比例分配

將無(wú)功增量按照逆變器與SVG的無(wú)功裕量比例進(jìn)行無(wú)功分配，即剩余可調(diào)控?zé)o功裕度越多，分配的無(wú)功目標(biāo)越多，保證逆變器與SVG在可調(diào)范圍內(nèi)擁有相同百分比的無(wú)功調(diào)控容量。式(2)表示AVC向上調(diào)節(jié)無(wú)功功率，式(3)表示AVC向下調(diào)節(jié)無(wú)功功率。

(2)

(3)

式中：ΔQinv、ΔQsvg表示分配給逆變器組、SVG組的無(wú)功增量；ΔQall表示光伏電站能分配的總無(wú)功；ΔQinv,max、ΔQsvg,max表示逆變器組、SVG組額定無(wú)功容量高限值；ΔQinv,min、ΔQsvg,min表示逆變器組、SVG組額定無(wú)功低限值；ΔQinv,i、ΔQsvg,i表示逆變器組、SVG組當(dāng)前無(wú)功值。

2)等容量分配

將無(wú)功增量按逆變器與SVG的無(wú)功容量比例進(jìn)行無(wú)功分配，即按照總?cè)萘看笮∵M(jìn)行無(wú)功分配，保證無(wú)功的分配量與逆變器、SVG無(wú)功容量成線性關(guān)系。

(4)

3)逆變器無(wú)功裕度優(yōu)先

若無(wú)功增量方向與逆變器回零方向相同，則優(yōu)先將無(wú)功分配至逆變器；若無(wú)功增量方向與逆變器回零方向相反，則優(yōu)先將無(wú)功分配至SVG，保證逆變器的無(wú)功可調(diào)裕度最大。此策略適合穩(wěn)態(tài)下對(duì)電壓調(diào)節(jié)需求較高的電站，以SVG快速響應(yīng)優(yōu)先，逆變器作為無(wú)功裕度儲(chǔ)備。

4)SVG無(wú)功裕度優(yōu)先

若無(wú)功增量方向與SVG回零方向相同，則優(yōu)先將無(wú)功分配至SVG；若無(wú)功增量方向與SVG回零方向相反，則優(yōu)先將無(wú)功分配至逆變器，保證SVG的無(wú)功可調(diào)裕度最大。此策略適合穩(wěn)態(tài)下對(duì)電壓調(diào)節(jié)需求較低的電站，保留SVG快速響應(yīng)的無(wú)功裕度，在暫態(tài)下?lián)碛懈鼜?qiáng)的調(diào)控能力。

5)平均分配

將無(wú)功增量平均分配至逆變器與SVG。

ΔQinv=ΔQsvg=ΔQall/2

(5)

3.2.2逆變器與SVG獨(dú)立分配

數(shù)據(jù)采集接收到逆變器組無(wú)功目標(biāo)后，將無(wú)功按比例分配至各個(gè)處于并網(wǎng)狀態(tài)的逆變器；監(jiān)控接收到SVG組無(wú)功目標(biāo)后，將無(wú)功按比例分配至各個(gè)處于并網(wǎng)狀態(tài)的SVG。

1)AVC調(diào)控逆變器組

集中式：AVC系統(tǒng)計(jì)算各個(gè)并網(wǎng)逆變器的無(wú)功目標(biāo)值，按照相似裕度，通過(guò)站控層交換機(jī)，將無(wú)功目標(biāo)發(fā)送至各臺(tái)逆變器。

分布式：AVC系統(tǒng)計(jì)算逆變器組總無(wú)功目標(biāo)值，以方陣為單位，按照相似裕度，將無(wú)功目標(biāo)發(fā)送至各個(gè)方陣的數(shù)據(jù)采集裝置；數(shù)據(jù)采集裝置再按照相似裕度，將無(wú)功分配至各逆變器。

2)AVC調(diào)控SVG組

方式一：通過(guò)監(jiān)控/后臺(tái)系統(tǒng)。AVC系統(tǒng)計(jì)算SVG組的總無(wú)功目標(biāo)，將無(wú)功目標(biāo)發(fā)送至監(jiān)控/后臺(tái)系統(tǒng)，監(jiān)控/后臺(tái)按照相似裕度將無(wú)功目標(biāo)發(fā)送至各SVG。

方式二：AVC直接控制SVG。AVC系統(tǒng)計(jì)算SVG組的總無(wú)功目標(biāo)，按照相似裕度將無(wú)功目標(biāo)直接發(fā)送至各SVG。采用此方式時(shí)需避免AVC與監(jiān)控/后臺(tái)對(duì)SVG控制權(quán)限的沖突，可增加控制權(quán)限互鎖邏輯。

3.3 SVG無(wú)功置換

啟用該功能時(shí)，當(dāng)母線電壓達(dá)到調(diào)節(jié)死區(qū)后，將SVG的無(wú)功向回零方向調(diào)節(jié)，同時(shí)將回調(diào)的無(wú)功分配至逆變器，保證母線電壓不變的情況下，給SVG留出足夠的裕度以備下一次電壓快速響應(yīng)。若在置換過(guò)程中因?yàn)殡妷翰▌?dòng)等原因，母線電壓在電壓目標(biāo)死區(qū)之外，則立即停止置換，按照設(shè)定策略進(jìn)行調(diào)控，直至母線電壓達(dá)到死區(qū)。SVG無(wú)功置換具體邏輯流程如下。

第一步：接收母線電壓目標(biāo)值。

第二步：計(jì)算光伏電站實(shí)時(shí)母線電壓差值ΔU=|實(shí)測(cè)值-目標(biāo)值|。

第三步：判斷ΔU是否小于死區(qū)θ。若ΔU≤θ，SVG啟動(dòng)無(wú)功置換，SVG無(wú)功回零，無(wú)功等額置換于逆變器；若ΔU>θ，SVG停止無(wú)功置換，SVG與逆變器按光伏電站設(shè)定的無(wú)功分配方式同時(shí)參與無(wú)功調(diào)控，每次調(diào)控結(jié)束后返回第二步計(jì)算ΔU，并循環(huán)。

4 逆變器與SVG協(xié)調(diào)控制應(yīng)用

選取浙江地區(qū)某漂浮式光伏電站示范項(xiàng)目進(jìn)行逆變器與SVG協(xié)調(diào)控制測(cè)試應(yīng)用，項(xiàng)目共12個(gè)方陣(對(duì)應(yīng)12個(gè)箱式變壓器、12個(gè)數(shù)據(jù)采集器)，3個(gè)大區(qū)，總?cè)萘繛?0 MW，光伏電站經(jīng)某35 kV電壓等級(jí)光伏支線出線，接入地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)。電站所配置AVC裝置為獨(dú)立設(shè)備，具體版本信息為：設(shè)備名稱(chēng)為新能源并網(wǎng)控制系統(tǒng)；設(shè)備型號(hào)PS 6000+ PVA；軟件版本號(hào)V0.9.16；操作系統(tǒng)Ubuntu 16.04 LTS。

4.1 參數(shù)與配置

光伏電站AVC參數(shù)及功能軟壓板配置，見(jiàn)表1、表2。

表1 光伏電站AVC參數(shù)設(shè)置

表2 光伏電站AVC功能軟壓板配置

4.2 通信測(cè)試

經(jīng)與光伏電站所屬電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)主站溝通，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置光伏電站AVC子站與調(diào)度主站的遙測(cè)、遙信、遙調(diào)信息及測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3—5所示。

表3 光伏電站遙測(cè)信號(hào)測(cè)試

表4 光伏電站遙信信號(hào)測(cè)試

表5 光伏電站遙調(diào)信號(hào)測(cè)試

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，該光伏電站AVC子站與調(diào)度主站的遙測(cè)、遙信、遙調(diào)信息配置及測(cè)試結(jié)果正確，具備子站與主站聯(lián)合調(diào)試條件。

4.3 聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

光伏電站AVC子站與調(diào)度主站聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)步驟如下：1)投入AVC功能，投入SVG功能，投入逆變器功能；2)退出AVC開(kāi)環(huán)功能(AVC功能處于閉環(huán)模式)；3)投入AVC遠(yuǎn)方功能；4)接收調(diào)度AVC電壓目標(biāo)值；5)觀察并記錄試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)；6)試驗(yàn)完成，退出AVC功能，退出SVG功能，退出逆變器功能。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用等比例分配策略，實(shí)時(shí)接收調(diào)度主站AVC電壓指令，觀察無(wú)功分配及運(yùn)行狀態(tài)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 逆變器與SVG聯(lián)調(diào)

光伏電站逆變器、SVG參與AVC聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)?zāi)妇€電壓曲線如圖3所示。

圖3 光伏電站控制策略試驗(yàn)?zāi)妇€電壓

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該光伏電站AVC子站能正確跟蹤并執(zhí)行調(diào)度主站AVC電壓指令，逆變器與SVG能合理分配站內(nèi)無(wú)功，協(xié)調(diào)控制策略有效。

4.4 無(wú)功置換

待逆變器與SVG聯(lián)調(diào)試驗(yàn)無(wú)功分配完成后，光伏電站母線電壓已相應(yīng)調(diào)控至母線電壓死區(qū)(0.4 kV)之內(nèi)，此時(shí)逆變器與SVG不再進(jìn)行無(wú)功分配；系統(tǒng)觸發(fā)啟動(dòng)SVG無(wú)功置換功能的條件，SVG啟動(dòng)無(wú)功置換功能，將SVG無(wú)功置換至逆變器。

試驗(yàn)條件：1)投入AVC功能，投入SVG功能，投入逆變器功能；2)投入AVC閉環(huán)功能；3)投入AVC就地功能；4)觀察并記錄試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)。SVG無(wú)功置換試驗(yàn)過(guò)程如下。

第一步：光伏電站AVC子站接受調(diào)度電壓指令，逆變器與SVG按等比例分配策略進(jìn)行調(diào)控。

第二步：當(dāng)母線電壓實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值達(dá)到死區(qū)(0.4 kV)之內(nèi)，逆變器與SVG停止調(diào)控(此時(shí)逆變器與SVG無(wú)功，為置換前無(wú)功)。

第三步：AVC子站判定母線電壓調(diào)控結(jié)束，啟動(dòng)SVG無(wú)功置換功能，SVG將無(wú)功置換至逆變器(此時(shí)逆變器與SVG無(wú)功，為置換后無(wú)功)。

投入5區(qū)數(shù)據(jù)采集器、6區(qū)數(shù)據(jù)采集器、7區(qū)數(shù)據(jù)采集器、8區(qū)數(shù)據(jù)采集器；電壓穩(wěn)定在死區(qū)之內(nèi)時(shí)方可啟動(dòng)SVG無(wú)功置換功能；SVG容量±4.000 Mvar，SVG無(wú)功置換注入無(wú)功過(guò)大，存在母線電壓超過(guò)限制值并觸發(fā)保護(hù)跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，故SVG無(wú)功置換功能使用±1.000 Mvar以?xún)?nèi)的無(wú)功容量進(jìn)行試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表7。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該光伏電站SVG能在母線電壓調(diào)控結(jié)束后，將無(wú)功置換至逆變器，SVG無(wú)功置換功能有效。

表7 SVG無(wú)功功率置換測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)光伏電站電壓調(diào)控，總結(jié)逆變器與SVG無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略及SVG無(wú)功置換功能，并通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證有效性，對(duì)新能源并網(wǎng)電站實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制研究具有參考意義。

在新型電力系統(tǒng)背景下，以光伏、風(fēng)電為代表的新能源并網(wǎng)主體接入電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)電壓有較大影響，需加強(qiáng)新能源接入電網(wǎng)在無(wú)功電壓控制方面的研究，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性。