直接功率控制策略在光伏無(wú)功補(bǔ)償中的應(yīng)用

李晨華

摘要：本文分析了基于直接功率控制光伏并網(wǎng)逆變器的三種無(wú)功補(bǔ)償工作模式。利用直接功率控制策略具有快速功率控制響應(yīng)的特點(diǎn)，提出了光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電與無(wú)功補(bǔ)償功能相結(jié)合的工作模式。實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的多功能使用，不僅可以并網(wǎng)發(fā)電，而且可以改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，提高設(shè)備的利用率。利用Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了該理論的正確性。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)，直接功率控制，無(wú)功補(bǔ)償

0引言

目前，大多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償通過安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方式雖然可以達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償目的，但提高了光伏發(fā)電成本，增加了控制難度。本文的光伏發(fā)電系統(tǒng)所采用的逆變器為三相橋式逆變電路，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與三橋臂靜止無(wú)功功率發(fā)生器（SVG）的主電路結(jié)構(gòu)相同。因此，可以采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥蓪?shí)現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)與無(wú)功補(bǔ)償兩種功能相結(jié)合，不僅能提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，并能節(jié)省無(wú)功補(bǔ)償裝置的費(fèi)用。

采用直接功率控制的光伏并網(wǎng)逆變器可以通過分別調(diào)節(jié)有功和無(wú)功功率的給定，快速改變并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率。因此本文研究了基于直接功率控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償工作模式：當(dāng)光照充足時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以在發(fā)出有功功率的同時(shí)產(chǎn)生一定的無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，將并網(wǎng)發(fā)電和無(wú)功補(bǔ)償兩種功能相結(jié)合;夜間或當(dāng)光照強(qiáng)度很低時(shí)，仍能根據(jù)電網(wǎng)要求為電網(wǎng)饋送無(wú)功功率。鑒于光伏并網(wǎng)直接功率控制逆變器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率控制有效控制的特性，能夠有效提高設(shè)備的利用效率，節(jié)省購(gòu)置補(bǔ)償設(shè)備的成本[1]。

1無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x和方式

1.1 無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康暮鸵饬x

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力工業(yè)的不斷壯大，對(duì)電網(wǎng)中無(wú)功的要求也越來(lái)越高。無(wú)功電源和有功電源同樣成為電力系統(tǒng)中不和或缺的一部分，是減少電網(wǎng)損耗、提高電能質(zhì)量以及保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵部分。電網(wǎng)中無(wú)功功率分布不平衡會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，嚴(yán)重情況下將損壞電力設(shè)備，造成電網(wǎng)電壓崩潰等嚴(yán)重事故。

電力系統(tǒng)中的存在著大量的無(wú)功負(fù)荷，如變壓器、電力線路和用戶用電設(shè)備等。這些無(wú)功負(fù)荷所需的無(wú)功功率如果通過系統(tǒng)長(zhǎng)距離輸送將會(huì)增大線路損耗，降低系統(tǒng)的功率因數(shù);反之不及時(shí)補(bǔ)償負(fù)荷所需的無(wú)功功率將會(huì)危及電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全，減少電力設(shè)備的使用壽命。所以，無(wú)功補(bǔ)償對(duì)于電網(wǎng)以及電力設(shè)備安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行有十分重要的意義，歸納可得出以下幾點(diǎn)[2]：

①保障電力系統(tǒng)的無(wú)功平衡和無(wú)功穩(wěn)定;

②可以優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性;

③提高系統(tǒng)功率因數(shù)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量;

④減少線路損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 光伏電站無(wú)功補(bǔ)償配置

根據(jù)功率因數(shù)的定義，光伏電站的功率因數(shù)（PF）可由發(fā)電站的輸出總有功功率與總無(wú)功功率計(jì)算而得，其計(jì)算公式為：

式中—電站輸出總有功功率;

Q—電站輸出總無(wú)功功率。

小型光伏發(fā)電站的輸出有功功率在額定功率的20%到50%之間，其功率因數(shù)不能低0.95;當(dāng)輸出有功功率大于額定功率的50%時(shí)，其功率因數(shù)不能低于0.98。

陰雨天氣光照強(qiáng)度不足時(shí)，整個(gè)光伏電站輕載運(yùn)行，線路的充電功率大于系統(tǒng)所需，光伏電站發(fā)電系統(tǒng)呈容性，需要大量的感性無(wú)功補(bǔ)償;光照充沛時(shí)，光伏發(fā)電站重載，送出系統(tǒng)需要配置一定數(shù)量的容性無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償電站中的無(wú)功需求，穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓。

一般條件下，光伏電站的無(wú)功補(bǔ)償裝置配置主要為以下原則[3]：

①在光伏電站無(wú)升壓變壓器時(shí)，在匯集變電站處安裝;有升壓變壓器時(shí)，在其低壓側(cè)安裝。

②增加動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，能夠減少并網(wǎng)后由電流波動(dòng)造成的網(wǎng)側(cè)電壓不穩(wěn)定，增加線路輸送電能容量，改善電壓與系統(tǒng)穩(wěn)定性。

③增加裝置后，不能夠?qū)φｋ娋W(wǎng)運(yùn)行造成不良影響，同時(shí)能滿足控制要求。

1.3 常用無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備

電力系統(tǒng)中，早期的無(wú)功補(bǔ)償裝置有電力電容器和同步調(diào)相機(jī)。電力電容器由于其安裝、維護(hù)、運(yùn)行都比較簡(jiǎn)單，是配電網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。同步調(diào)相機(jī)的結(jié)構(gòu)與同步電動(dòng)機(jī)基本相同，轉(zhuǎn)軸不帶機(jī)械負(fù)載，可以向電力系統(tǒng)提供或吸收感性無(wú)功功率。當(dāng)同步調(diào)相機(jī)欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，從電網(wǎng)吸收感性無(wú)功;過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，向電網(wǎng)發(fā)出感性無(wú)功。但由于其是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，運(yùn)行維護(hù)成本高，功率損耗較大，雖然同步調(diào)相機(jī)在有些地方還在使用，但已逐漸被其他無(wú)功補(bǔ)償裝置所淘汰。

靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Static Var Compensator，SVC）隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，并得到了廣泛應(yīng)用。靜止無(wú)功補(bǔ)償器是一種利用晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器或兩種裝置混合，可以發(fā)出或吸收無(wú)功功率。SVC主要使用電力電子器件實(shí)現(xiàn)投切和調(diào)節(jié)功能，相比于同步調(diào)相機(jī)及電力電容器，SVC有運(yùn)行維護(hù)成本低，響應(yīng)速度快，噪音小，調(diào)節(jié)能力好等優(yōu)點(diǎn)。因此，靜止無(wú)功補(bǔ)償器被廣泛使用，而且頗具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

靜止無(wú)功功率發(fā)生器（Static Var Generation，SVG）的主體是電力電子器件組成的電壓源型橋式逆變器，交流側(cè)通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，可以靈活控制橋式電路網(wǎng)側(cè)輸出電壓的相位和幅值，也可以通過控制其并網(wǎng)電流，使其可以工作在發(fā)出感性或容性無(wú)功的工作狀態(tài)。SVG是一種更加先進(jìn)的靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置，相比于SVC具有更寬的運(yùn)行范圍和快速的響應(yīng)速度，還有一個(gè)特點(diǎn)，即能夠電壓較低時(shí)向電網(wǎng)注入無(wú)功電流。因此SVG的輸出性能非常優(yōu)越[4]。

5.2 基于直接功率控制的光伏并系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償模式

本文光伏并網(wǎng)逆變器所采用的為三相電壓型全橋逆變器，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與三橋臂電壓型橋式靜止無(wú)功功率發(fā)生器（SVG）的主電路結(jié)構(gòu)相同。因此，可以考慮采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥蓪?shí)現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)與無(wú)功補(bǔ)償兩種功能相結(jié)合。采用直接功率控制策略，實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出有功和無(wú)功功率的快速跟蹤和靈活的控制，無(wú)需增加其他復(fù)雜的算法，就可以使得光伏并網(wǎng)逆變器工作在無(wú)功補(bǔ)償模式，不僅能提高設(shè)備運(yùn)行效率，并能節(jié)省添置無(wú)功補(bǔ)償裝置的費(fèi)用，降低發(fā)電成本。根據(jù)外部環(huán)境條件和負(fù)載的不同，得到以下三種無(wú)功補(bǔ)償工作模式：

①白天補(bǔ)償本地負(fù)載工作模式。本地?fù)碛懈行曰蛉菪载?fù)載，需要消耗一定的感性或容性無(wú)功功率。白天光照充足時(shí)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)出有功和無(wú)功功率滿足本地負(fù)載的消耗，無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)自給自足，并將多余的有功功率饋送電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。

②夜間補(bǔ)償本地負(fù)載工作模式。本地?fù)碛懈行曰蛉菪载?fù)載，夜間或光照強(qiáng)度較低時(shí)，光伏電池輸出的有功功率無(wú)法滿足并網(wǎng)要求，可以斷開DC-DC變換器與直流側(cè)電容的連接。使直流側(cè)電容與全橋變換器構(gòu)成補(bǔ)償電路，繼續(xù)發(fā)送無(wú)功補(bǔ)償本地負(fù)載，本地負(fù)載所消耗的有功功率由電網(wǎng)提供。以上兩種統(tǒng)稱為補(bǔ)償本地負(fù)載工作模式，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)補(bǔ)償本地負(fù)載無(wú)功功率工作模式如圖1所示。

圖中ia、ib、ic，分別為逆變器的輸出電流，iLa、iLb、iLc為負(fù)載電流，iga、igb、igc為電網(wǎng)電流。根據(jù)瞬時(shí)功率理論可以得到補(bǔ)償無(wú)功功率的計(jì)算公式：

式中為需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率，和分別為電網(wǎng)電壓在兩相靜止坐標(biāo)系中α和β分量，和分別為負(fù)荷電流在兩相靜止坐標(biāo)系中α和β分量。根據(jù)式（2）計(jì)算本地負(fù)載的瞬時(shí)無(wú)功功率，從而調(diào)整逆變器的無(wú)功功率給定qref，使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在輸出有功功率的同時(shí)，發(fā)出無(wú)功功率補(bǔ)償本地負(fù)載，保證單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

③無(wú)功功率輸送電網(wǎng)工作模式。無(wú)論白天或黑夜，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)都可以根據(jù)電網(wǎng)的需要為電網(wǎng)提供超前或滯后的無(wú)功功率。該工作方式只需將無(wú)功功率給定調(diào)節(jié)為電網(wǎng)所需的無(wú)功功率指令即可。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償能力受到逆變器容量的限制，無(wú)功補(bǔ)償能力取決于逆變器的容量和光伏電池所發(fā)的有功功率，其關(guān)系可以表示為：

式中為最大無(wú)功補(bǔ)償能力，Smax為并網(wǎng)逆變器的容量;P為逆變器輸出的有功功率。

5.3 仿真驗(yàn)證

在前文理論分析的基礎(chǔ)上，利用Matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在Simulink下根據(jù)建立了基于直接功率控制的兩級(jí)式光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。在標(biāo)準(zhǔn)條件下（光照強(qiáng)度S=1kW/m2，溫度T=25℃），光伏陣列模型最大功率點(diǎn)功率為4000W，最大功率點(diǎn)工電壓為283.2V。

3.1 白天補(bǔ)償本地負(fù)載模式

光伏陣列在光照強(qiáng)度S=1kW/m2，溫度T=25℃，本地采用阻感負(fù)載，負(fù)載參數(shù)為PL=2000W，QL=2000Var。開始運(yùn)行時(shí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不提供無(wú)功補(bǔ)償，0.4s時(shí)突給無(wú)功補(bǔ)償指令。仿真結(jié)果如圖3所示。

如圖3所示，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)未補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)，逆變器輸出電流ia與電網(wǎng)電壓ea同相位，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)僅發(fā)出有功功率。此時(shí)阻感負(fù)載所消耗的有功功率和無(wú)功功率分別由光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)提供。0.4s突給無(wú)功補(bǔ)償指令以后，補(bǔ)償之后的電網(wǎng)電流iga和電網(wǎng)電壓ea同相位，并網(wǎng)電流不含無(wú)功分量，光伏系統(tǒng)發(fā)出2000Var無(wú)功功率全部用于補(bǔ)償本地負(fù)載。此時(shí)光伏系統(tǒng)為本地負(fù)載提供所消耗有功功率和無(wú)功功率，并且將多余的電能饋送電網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

3.2 夜間補(bǔ)償本地負(fù)載模式

光伏陣列在光照強(qiáng)度S=0W/m2，溫度T=25℃，本地采用阻感負(fù)載PL=2000W，QL=2000Var，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)不接入無(wú)功補(bǔ)償，0.4s時(shí)突給無(wú)功補(bǔ)償指令。仿真結(jié)果如圖4所示。

夜間由于無(wú)光照，在沒給無(wú)功補(bǔ)償指令前，光伏系統(tǒng)即不發(fā)出有功功率，也不進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。本地負(fù)載完全由電網(wǎng)供電，光伏系統(tǒng)處于閑置狀態(tài)。0.4s給定無(wú)功補(bǔ)償指令之后，光伏系統(tǒng)計(jì)算本地負(fù)載消耗的無(wú)功功率并給予補(bǔ)償。從圖5.3可以看出，0.4s后，電網(wǎng)電流iga與電網(wǎng)電壓ea相位相差180度，電網(wǎng)只為負(fù)載提供有功功率。逆變器輸出電流ia滯后電網(wǎng)電壓ea近90度，完全補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功功率。

3.3 無(wú)功功率輸送電網(wǎng)模式

設(shè)定光照強(qiáng)度S=1kW/m2，溫度T=25℃，無(wú)本地負(fù)載，開始運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率給定為qref=﹣2000Var，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生容性無(wú)功功率，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，0.4秒無(wú)功功率給定變?yōu)閝ref=2000Var，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生感性無(wú)功功率。仿真結(jié)果如圖5所示。

如圖5所示，0.4s之前，無(wú)功功率給定為qref=﹣2000Var，光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)出超前無(wú)功。由于沒有本地負(fù)載，逆變器輸出電流ia等于電網(wǎng)電流iga，相位超前電網(wǎng)電壓，電流波形保持了很好的正弦性。0.4s時(shí)，無(wú)功功率給定發(fā)生跳變qref=2000Var，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)出滯后無(wú)功，電網(wǎng)電流相位滯后電網(wǎng)電壓。經(jīng)過非常短的暫態(tài)過程后重新達(dá)到穩(wěn)定。電流的幅值和頻率沒有改變，僅僅相位發(fā)生變動(dòng)。無(wú)功功率跳變時(shí)，有功功率幾乎保持不變，說明光伏并網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償不會(huì)干擾有功功率的饋送。

4小結(jié)

本文介紹了光伏電站無(wú)功補(bǔ)償原則以及常用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。提出了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)基于瞬時(shí)功率計(jì)算的直接功率控制無(wú)功補(bǔ)償方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電與無(wú)功補(bǔ)償相結(jié)合的功能。重點(diǎn)研究了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直接功率控制下的三種工作模式。仿真結(jié)果表明：采用直接功率控制策略的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可以通過實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流和系統(tǒng)電壓或直接給定無(wú)功指令，來(lái)控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)無(wú)功功率。對(duì)無(wú)功功率和有功功率實(shí)現(xiàn)了解耦控制，在逆變器的容量允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償并沒有停止或者改變系統(tǒng)有功的輸送，無(wú)功補(bǔ)償也不受有功功率輸送變化的影響。夜間或當(dāng)光照強(qiáng)度很低時(shí)，系統(tǒng)仍能發(fā)出無(wú)功功率，因此提高了整個(gè)系統(tǒng)的利用率。

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