基于電壓跌落程度的并網(wǎng)型光伏電站無功調(diào)壓控制策略研究

王海峰，李鳳婷

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆烏魯木齊830047；2.國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏銀川750000)

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基于電壓跌落程度的并網(wǎng)型光伏電站無功調(diào)壓控制策略研究

王海峰1，2，李鳳婷1

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆烏魯木齊830047；2.國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏銀川750000)

在研究光伏逆變器控制策略的基礎(chǔ)上，研究了光伏逆變器的功率約束及其無功輸出能力，對比分析了SVC(靜止無功補(bǔ)償器)與逆變器的無功響應(yīng)特性，提出了逆變器參與無功調(diào)節(jié)的光伏電站無功控制策略。研究結(jié)果表明，逆變器參與光伏電站的無功調(diào)節(jié)，可有效改善光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的無功響應(yīng)特性，有助于提高光伏接入電網(wǎng)穩(wěn)定性和逆變器的利用水平，降低光伏電站無功配置成本，對光伏電站實(shí)現(xiàn)低電壓穿越及無功配置優(yōu)化有一定的參考。

逆變器；靜止無功補(bǔ)償器；無功控制策略；光伏電站

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，光伏電站的接入有可能造成電壓超限，影響電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，為此《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求大中型光伏電站應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng)，具備無功功率及電壓控制能力[1- 3]。在并網(wǎng)光伏電站中，MCR、TCR、SVG 3種型式的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置都有運(yùn)用。很多地區(qū)的光伏電站根據(jù)光伏接入點(diǎn)的電壓偏差來控制SVC補(bǔ)償?shù)臒o功功率[4- 6]。但SVC的補(bǔ)償效果受電壓的影響較大，外部電網(wǎng)電壓偏低時(shí)，其效果相對于額定電壓時(shí)有所下降。且目前工程上采用的大部分SVC是TCR+FC型，為降低損耗，工作人員一般改為手動(dòng)投切FC支路，響應(yīng)速度較慢，在故障切除瞬間，會(huì)發(fā)出過量的無功功率，使系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓，嚴(yán)重時(shí)造成光伏電站脫網(wǎng)[7]。SVG的響應(yīng)速度可達(dá)到毫秒級(jí)，補(bǔ)償效果不受電壓的影響，可用來改善光伏電站暫態(tài)電壓穩(wěn)定性[8- 9]，但SVG價(jià)格昂貴，會(huì)加大光伏電站的前期投資成本。

逆變器作為并網(wǎng)光伏的核心器件，主要作用是將光伏側(cè)的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻同相的交流電，可通過調(diào)整控制策略使逆變器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償功能[10- 12]。但光伏電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中通常不考慮逆變器無功輸出能力。再者，光伏電站輸出功率具有隨機(jī)性、波動(dòng)性[13]，光伏并網(wǎng)逆變器經(jīng)常在低效率下運(yùn)行，造成視在功率的浪費(fèi)。

本文在研究光伏并網(wǎng)逆變器的有功、無功控制方法及無功輸出約束條件的基礎(chǔ)上，提出光伏逆變器參與無功調(diào)節(jié)的光伏電站無功補(bǔ)償方案，研究了基于不同電壓跌落程度的光伏電站無功調(diào)壓控制策略。通過實(shí)例仿真驗(yàn)證無功調(diào)壓控制策略的可行性，結(jié)果表明逆變器無功輸出響應(yīng)速度快，通過單獨(dú)作用或與其他無功補(bǔ)償裝置共同支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，可改善光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的無功響應(yīng)特性，有助于光伏電站的低電壓穿越，并在一定程度上降低投資成本。

1 光伏逆變器的功率輸出控制

光伏逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下逆變器的電壓關(guān)系為

(1)

式中，ud、uq分別為逆變器側(cè)電壓d、q軸分量；L為LC濾波器等效電感；usd、usq分別為電網(wǎng)側(cè)電壓的d、q軸分量；id、iq分別為有功、無功電流的分量；逆變器d、q軸電流存在交叉耦合項(xiàng)ωLid、ωLiq，不利于有功、無功的獨(dú)立控制，為解決此問題，應(yīng)用如圖2所示前饋解耦控制策略[14]。圖中Ua、Ub、Uc為逆變器輸出相電壓；Uga、Ugb、Ugc為并網(wǎng)點(diǎn)相電壓。

圖2 逆變器有功、無功控制策略

控制方程為

(2)

采用瞬時(shí)無功檢測技術(shù)檢測逆變器并網(wǎng)點(diǎn)處無功功率，將檢測無功功率與參考無功功率進(jìn)行比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)控制，最終實(shí)現(xiàn)逆變器無功補(bǔ)償。

(3)

式中，Q*為無功功率參考值；Q為無功測量值。無功功率參考值通過比較電壓控制點(diǎn)實(shí)際電壓與參考電壓，將差值經(jīng)過PI控制器來獲取[14- 15]。

其中，PI控制器的傳遞函數(shù)采用如下形式

(4)

式中，ω1、ω2的選取僅和系統(tǒng)相位裕度有關(guān)，參數(shù)kPI的選取要結(jié)合電壓/無功靜態(tài)線性有差調(diào)節(jié)特性以及光伏電站接入地的無功電壓等具體情況整定得到。

(5)

式中，Udc為直流側(cè)電壓；Uout為最大功率點(diǎn)工作電壓。

2 光伏逆變器無功功率輸出能力分析

光伏逆變器無功功率輸出能力受逆變器視在功率、逆變器直流側(cè)電壓兩個(gè)因素制約。

2.1 光伏逆變器的功率約束

逆變器允許短時(shí)工作在視在功率的1.1倍，輸出的無功功率受有功功率影響，其約束條件為

(6)

2.2 光伏逆變器直流側(cè)電壓的約束

逆變器無功功率輸出能力還受直流側(cè)電壓的限制，忽略電感損耗，非單位功率因數(shù)運(yùn)行的逆變器電壓矢量幾何關(guān)系為

(7)

即

(8)

為了保證逆變器輸出電壓的波形質(zhì)量，綜合式(7)、(8)，可得直流側(cè)電壓的約束條件下的無功輸出為

(9)

2.3 逆變器的無功輸出能力

綜合考慮逆變器的功率約束及直流側(cè)電壓約束，得逆變器的無功輸出極限值為

(10)

(11)

由上式可知，當(dāng)光伏逆變器輸出額定有功功率時(shí)，其無功功率輸出極限約為0.47(p.u.)。當(dāng)光伏逆變器輸出有功功率低于額定功率時(shí)，其無功功率輸出會(huì)更大。即光伏逆變器在保證有功功率輸出的同時(shí)，可提供一定量的無功功率。

在過去的幾十年里，大量的連續(xù)語音識(shí)別系統(tǒng)被開發(fā)出來。一方面，諸如AT&T Watson、Microsoft Speech Server、谷歌Speech API和Nuance識(shí)別器等十分成熟的語音識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)得到較為廣泛的商業(yè)應(yīng)用[1-4]。另一方面，商業(yè)語音識(shí)別器幾乎不能為其他專用系統(tǒng)提供接口功能，使得對其他軟件實(shí)現(xiàn)本地的功能集成造成極大限制，導(dǎo)致大量開源自動(dòng)語音識(shí)別系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)[5-6]。

光伏電站若有n個(gè)逆變器，則無功輸出總量為

(12)

綜上所述，當(dāng)電壓跌落較深時(shí)，由于逆變器無功輸出能力有限，可能會(huì)出現(xiàn)不滿足光伏電站低電壓穿越要求的情況。仿真分析系統(tǒng)2s時(shí)發(fā)生短路故障，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0.4(p.u.)，0.1 s后故障切除。逆變器無功輸出和電壓支撐情況如圖3、4所示。

圖3 無功補(bǔ)償情況

圖4 并網(wǎng)點(diǎn)電壓

由于受逆變器輸出無功的限制，輸出無功功率已經(jīng)接近上限14.1 MW(約0.47p.u.)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓提升至0.44(p.u.)。

當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落較深時(shí)，逆變器通過輸出無功支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓的情況如圖5所示。

圖5 并網(wǎng)點(diǎn)電壓

由圖5可知，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌路至0.2(p.u.)時(shí)，在逆變器單獨(dú)作用下，并網(wǎng)點(diǎn)電壓提升至0.24(p.u.)。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0.15(p.u.)及以下時(shí)，由于逆變器無功輸出能力有限，并網(wǎng)點(diǎn)電壓不能短時(shí)提升至0.2(p.u.)，不符合光伏電站低電壓穿越的要求。

通過以上仿真分析可知，采用逆變器單獨(dú)作用時(shí)，光伏電站能夠?qū)﹄娋W(wǎng)故障期間的并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行一定程度的支撐，提高光伏電站并網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。但逆變器無功輸出能力有限，在電壓跌落程度較大，并網(wǎng)點(diǎn)無功功率需求大于逆變器無功輸出總量時(shí)，逆變器對并網(wǎng)點(diǎn)的無功電壓支撐情況不符合光伏電站低電壓穿越的要求。

3 SVC、逆變器無功響應(yīng)特性的對比分析

SVC是用于無功補(bǔ)償?shù)湫偷碾娏﹄娮友b置，利用晶閘管作為開關(guān)來控制接入系統(tǒng)的電抗器和電容器的容量，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。而逆變器則通過控制可關(guān)斷器件的通斷來向系統(tǒng)提供無功?，F(xiàn)對SVC與逆變器的無功響應(yīng)特性進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

表1 SVC與逆變器的無功響應(yīng)特性比較

響應(yīng)特性SVC逆變器工作原理晶閘管投切電容/電抗器控制可關(guān)斷器件通斷響應(yīng)時(shí)間40～60ms10ms以內(nèi)輸出容量輸出容性或感性無功功率感性到容性連續(xù)可調(diào)低電壓特性輸出無功功率隨系統(tǒng)電壓下降呈平方級(jí)下降輸出無功電流與系統(tǒng)電壓無關(guān)

相比于逆變器，SVC的補(bǔ)償效果受電壓的影響較大，在外部電網(wǎng)電壓偏低時(shí)，補(bǔ)償效果相對于額定電壓時(shí)有所下降。通過分析計(jì)算，SVC輸出的無功功率為

(13)

逆變器的無功輸出為

Q逆=UIq

(14)

式中，α為觸發(fā)角；ω為電源額定角速度，rad/s；XR為TCR中電抗器阻抗，U為并網(wǎng)點(diǎn)電壓，Iq為無功電流。

由式(13)、(14)可知：當(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致電壓跌落時(shí)，逆變器輸出無功功率與電壓成正比，而輸出無功電流與系統(tǒng)電壓無關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落需逆變器優(yōu)先進(jìn)行無功控制時(shí)，同容量的逆變器和SVC，逆變器能提供比SVC更多的無功來支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

構(gòu)建30 MWp光伏電站并網(wǎng)模型，模型中分別選取等容量的SVC和逆變器，0.1 s時(shí)系統(tǒng)故障，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0.6 (p.u.)，故障0.1 s切除，SVC和逆變器對并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐情況如圖6所示。

圖6 SVC和逆變器對并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐情況

相比于SVC，逆變器能夠提供更多的無功來調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓，維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

4 光伏電站無功調(diào)壓控制策略

通過研究逆變器、SVC的無功響應(yīng)特性和逆變器的有功、無功控制策略，基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的不同跌落程度，得到逆變器與SVC共同作用的無功調(diào)壓策略。其控制策略流程如圖7所示。

當(dāng)電網(wǎng)故障造成并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落且Q逆min

圖8 無功調(diào)壓控制策略一

當(dāng)Q*>Q逆tmax時(shí)，逆變器與SVC輸出無功共同支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，逆變器響應(yīng)速度快，以最大無功要求輸出無功，使電壓得到一定程度的提升，為SVC提供較好的無功輸出環(huán)境。

圖9 無功調(diào)壓控制策略二

5 算例仿真

基于PSCAD/EMTDC軟件平臺(tái)，搭建如圖10所示的光伏電站并網(wǎng)模型以驗(yàn)證上述無功補(bǔ)償方案。

圖10 光伏并網(wǎng)等效電路

不同于同步發(fā)電機(jī)的故障電流特性，在電網(wǎng)對稱和不對稱故障情況下，逆變型分布式電源均只輸出對稱電流分量[16]。故假設(shè)電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障(其中故障開始時(shí)間2 s，故障結(jié)束時(shí)間2.1 s)，仿真分析上述無功調(diào)壓策略下無功源(逆變器、SVC)無功輸出能力及對并網(wǎng)電壓的支撐情況。

當(dāng)光伏電站逆變器無功輸出能力不能滿足光伏電站低電壓穿越要求時(shí)，采用逆變器與SVC協(xié)調(diào)控制策略，分析其對并網(wǎng)點(diǎn)電壓支撐和無功補(bǔ)償情況。

圖11 逆變器與SVC混合無功響應(yīng)曲線

圖12 并網(wǎng)點(diǎn)電壓

如圖11、12所示，基于逆變器和SVC的無功輸出能力，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至0.2(p.u.)時(shí)，經(jīng)過協(xié)調(diào)控制，可提升至0.33(p.u.)；當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0.15(p.u.)時(shí)，電壓可提升至0.26(p.u.)；當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至0.1(p.u.)時(shí)，電壓可提升至0.21(p.u.)，均能夠滿足光伏電站的低電壓穿越要求。

6 結(jié) 論

針對由于電網(wǎng)故障引起的光伏電站電壓跌落問題，提出基于不同的電壓跌落程度，得到光伏電站的無功電壓協(xié)調(diào)控制策略，通過分析可得如下結(jié)論：

(1)基于光伏電站逆變器的無功輸出能力和響應(yīng)特性，當(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致電壓跌落且逆變器的無功輸出能力可以滿足光伏電站低電壓穿越對無功功率的需求時(shí)，僅利用逆變器的無功輸出能力而不需要其他無功補(bǔ)償設(shè)備，可以降低無功補(bǔ)償裝置的耗電量，減少廠用電，在一定程度上節(jié)省投資，但其無功輸出能力有限。

(2)采用逆變器與SVC的協(xié)同控制策略，可以給SVC提供更好的無功輸出環(huán)境、預(yù)留更多的無功可調(diào)裕度。在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，能夠有足夠的無功補(bǔ)償能力保證電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

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(責(zé)任編輯 高 瑜)

Research on Reactive Power Control Strategy of Grid-connected Photovoltaic Power Station Based on Voltage Sag Depth

WANG Haifeng1,2, LI Fengting1

(1. Engineering Research Center of Ministry of Education for Renewable Energy Power Generation & Grid Technology, College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang, China； 2. State Grid Ningxia Electric Power Maintenance Company, Yinchuan 750000, Ningxia, China)

On the basis of studying the control strategy of photovoltaic (PV) inverter, the power constraint of PV inverter and its reactive power output capacity are analyzed, the reactive power response characteristics of PV inverter and static var compensator (SVC) are compared, and finally the reactive power control strategy of photovoltaic power station with inverter participating in reactive power regulation is proposed. The research results show that the reactive power response characteristics of grid-connected photovoltaic system can be effectively improved. This study will improve the stability of grid-connected PV and the use of inverter, reduce the cost of reactive power allocation in photovoltaic power station, and also has certain reference value for the optimization of low voltage ride-through and reactive power allocation in photovoltaic power station．

inverter; static reactive power compensator; reactive power control strategy; photovoltaic power station

2016- 03- 29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51267019，51367017)；新疆自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(XJGRI2015028)；新疆維吾爾族自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016D01C036)

王海峰(1990—)，男，河北唐山人，碩士研究生，研究方向?yàn)榭稍偕茉床⒕W(wǎng)技術(shù)與電力系統(tǒng)繼電保護(hù)．

TM615

A

0559- 9342(2016)09- 0108- 05