探究光伏電站低電壓穿越時的無功控制策略

莫林

摘? 要：本文將圍繞光伏電站低電壓穿越的主要要求進(jìn)行分析討論，闡述光伏電站采用的逆變器特點，提出搭建平臺、控制功率因數(shù)、計算輸電耗損、操控穿越能力等一系列光伏電站低電壓穿越時的無功控制策略，以此打造優(yōu)良的電網(wǎng)運行環(huán)境，確保無功設(shè)備的穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：光伏電站;無功控制策略;逆變器

引言：

低壓穿越能力是指光伏發(fā)電系統(tǒng)端電壓減少到一定值條件下不脫離電網(wǎng)，維持正常運行，甚至為系統(tǒng)提供一定功從而幫助系統(tǒng)恢復(fù)電壓的能力。本文將以此作為研究中心，切實增強(qiáng)系統(tǒng)的低壓穿越能力，以此滿足居民多樣化的生活用電需求，打造穩(wěn)定、安全的電網(wǎng)運行環(huán)境。為了確保后續(xù)提出的光伏電站低電壓穿越時的無功控制策略更具有針對性與適用性，需要對光伏電站低電壓穿越的主要要求進(jìn)行深入了解。

一、光伏電站低電壓穿越的主要要求分析

第一，我國光伏發(fā)電站的發(fā)展特點以低電壓接地接入以及中高壓接入并存為主，因此在實踐環(huán)節(jié)逐漸呈現(xiàn)出一些不穩(wěn)定的運行情況，為了確保電網(wǎng)運行空間穩(wěn)定，需要電網(wǎng)公司注重光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范的融合應(yīng)用，對光伏電站采取實時監(jiān)控，使其始終處在持續(xù)并網(wǎng)運行的狀態(tài)下。第二，在并網(wǎng)光伏電站低壓穿越環(huán)節(jié)需要重視將最低電壓維持在額定電壓的0.9倍，同時要將光伏電站運行時間T1設(shè)為1s、T2為3s，從而滿足電網(wǎng)運行需求，保持最佳的運行狀態(tài)。第三，并網(wǎng)光伏站低電壓穿越時需要無功電流數(shù)值為0，所以技術(shù)人員需要在操控光伏發(fā)電系統(tǒng)時保證其故障后的無功電流為：

IB=kIN（△U/UN）（k≥2）

二、光伏電站中采用的逆變器探究

（一）單組式逆變器

目前我國采用的逆變器大多為集中式逆變器的簡化產(chǎn)品，只有單組光電模塊需要連接在逆變器上，借助該逆變器使其位于直流側(cè)時具有最大功率跟蹤功能，而在交流側(cè)并聯(lián)網(wǎng)中單組式逆變器的滯留電壓偏大，無需進(jìn)行電壓放大處理，若逆變器具有直流升壓電路，也可串聯(lián)少量光電模塊，并用在中功率環(huán)境中。與集中式逆變器相比，單組逆變器不受遮影影響，也不存在分組二極管，因此不會產(chǎn)生在分組二極管上的功率損耗，可以有效降低成本，優(yōu)化可靠性。

（二）多組式逆變器

多組式逆變器屬于單組逆變器的進(jìn)一步發(fā)展，能夠利用獨立的變換器與公用的逆變器連接，且每組光伏陣列都可實現(xiàn)獨立控制，變換器主要負(fù)責(zé)光伏陣列的最大功率跟蹤與控制，能夠提升電壓功能，逆變器則負(fù)責(zé)輸出交流電流，這樣操作人員便可采用多個模塊組成光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)建性，由于每組都包含獨立的變換器，因此可以將組串遮影影響降到最低。

三、光伏電站低電壓穿越時的無功控制策略分析

（一）基本思想

在光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)運行環(huán)境的過程中，容易出現(xiàn)擾動誘發(fā)以及故障現(xiàn)象，為了解決此類問題，相關(guān)電網(wǎng)企業(yè)需要加強(qiáng)對電網(wǎng)運行環(huán)境的把控，將無功補(bǔ)償設(shè)備投入到光伏電站當(dāng)中，及時消除電網(wǎng)故障問題。但根據(jù)實際調(diào)查顯示，許多電網(wǎng)公司沒有重視光伏逆變器性能的充分發(fā)揮，導(dǎo)致故障解決效果不佳，因此需要企業(yè)加強(qiáng)對光伏逆變器性能的關(guān)注程度，將10kv或35kv的交流母線接入到電網(wǎng)中，借助無功整定的方法使控制點電壓變化狀況轉(zhuǎn)變?yōu)闊o功輸出參考數(shù)據(jù)，之后根據(jù)逆變器無功輸出參考數(shù)據(jù)，實現(xiàn)控制點電壓的支撐，以此達(dá)到保證系統(tǒng)最佳運行效果的目的。除此之外，在確定無功控制策略的基本思想過程中需要明確光伏逆變裝置的實際無功功率，其計算公式為：

Qrefi=QrefQimax/Qtmax

其中Qref表示無功參考量，Qimax表示逆變器無功功率極限值，Qtmax表示光伏電站無功功率極限值。

（二）平臺搭建

光伏逆變器作為無功控制時能夠起到重要影響作用的設(shè)備，需要為其組建專門的運行平臺，利用三相六橋并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步推動直流電向交流電的轉(zhuǎn)變。在該平臺中，逆變器的輸出是確保并網(wǎng)光伏電站完成低壓穿越的關(guān)鍵節(jié)點，當(dāng)產(chǎn)生過電流時會使逆變器跳開，甚至?xí)茐哪孀兤鞯恼Ｊ褂?，造成光伏電站脫網(wǎng)，因此為了解決此類問題，需要進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)低電壓穿越效果，做好內(nèi)環(huán)有功電流的把控。由于光伏電站本身無轉(zhuǎn)動部分，一旦出現(xiàn)安全故障，直流側(cè)電壓大小的變化幅度相對較小，此時輸出電流便成為了能夠影響低電壓穿越效果的主要因素，而無功電流的控制難度較大，最佳的控制方法往往是利用控制有功電流的給定值，實現(xiàn)有功電流的間接把控，以此達(dá)到控制輸出電流的目的。

若在故障期間，并網(wǎng)交流測電壓的下降幅度高于80%，仍可通過控制對策的保護(hù)避免出現(xiàn)光伏電站脫網(wǎng)狀況，同時由于輸出功率產(chǎn)生一定變化，直流側(cè)電壓會呈現(xiàn)適當(dāng)提升，而直流側(cè)電流則會呈現(xiàn)一定程度的減少。由此可知，該方法的低壓穿越效果優(yōu)良，可以保障電網(wǎng)的正常運行。并且在低壓穿越環(huán)節(jié)，還能進(jìn)一步保證無功功率的輸出，能夠為電網(wǎng)輸出提供0.1pu的無功功率，從而降低并網(wǎng)點電壓跌落量。根據(jù)實際調(diào)查顯示，額外無功功率能夠使并網(wǎng)點電壓落差由以往的0.8倍降低至0.6倍，可以被控制在0.45pu以下。而在有功電流限制在指定范圍時，只有在故障出現(xiàn)時以及故障終止時會出現(xiàn)單個跳動，其余時間保持不變。

（三）無功控制措施

第一，控制功率因數(shù)，當(dāng)電網(wǎng)不存在無功交換時，電網(wǎng)企業(yè)需要在操控光伏電站低電壓穿越的環(huán)境中將功率因數(shù)作為控制目標(biāo)，要求做好35kv變壓器高壓側(cè)母線功率因數(shù)的把控與調(diào)節(jié)，通常需滯后0.9s以上，此時電網(wǎng)能夠發(fā)出少量無功，且無功大小需要由有功大小決定，該控制方法能夠有效緩解電網(wǎng)耗損現(xiàn)象，促進(jìn)電網(wǎng)的正常運行。若光伏電站低壓穿越過程中所發(fā)出的有功數(shù)值較小，且機(jī)組冗余容量偏大，但在功率因數(shù)保持不變的條件下，發(fā)電機(jī)仍持續(xù)不斷發(fā)出無功，此時采用功率因數(shù)的控制方案便無法對電壓波動起到良好的抑制效果，也難以穩(wěn)定母線電線，甚至情況嚴(yán)重時會導(dǎo)致光伏電站電機(jī)脫網(wǎng)，這時便需要采取另一種無功控制措施。

第二，計算支路潮流，具體的輸電損耗公式為：

△P=R·P2U2+R·Q2U2

線路壓降的計算公式則為：

△U≈（P·R+Q·X）U

上述公式中，R表示線路電阻，U表示母線電壓，X表示線路電抗，P表示有功功率，Q表示無功功率。根據(jù)計算可知無功功率與母線電壓呈反比關(guān)系，即母線電壓越高，則輸送無功功率越小，而輸電耗損以及線路壓降則與輸送無功功率呈正比關(guān)系。當(dāng)無功功率數(shù)值為0時，線路壓降便代表經(jīng)濟(jì)壓差，而線路無功分點則表示中點。

區(qū)域無功通常會出現(xiàn)兩種情況，分別為過補(bǔ)與欠補(bǔ)，因此電壓無功控制系統(tǒng)的無功控制同樣可分為無功切除與無功投入，當(dāng)區(qū)域無功切除過程中，首先需要從區(qū)域根結(jié)點實現(xiàn)掃描處理，若區(qū)域無功高于標(biāo)準(zhǔn)無功，且偏差大于帶寬，則電壓無功自動控制系統(tǒng)便要對區(qū)域無功進(jìn)行切除。在區(qū)域無功投入使用的過程中，一方面要從區(qū)域末端節(jié)點實施掃描處理，若區(qū)域無功低于標(biāo)準(zhǔn)無功，且偏差高于帶寬，則電壓無功自動控制系統(tǒng)便要開展區(qū)域無功投入，當(dāng)某站投入電容器時，要全面探究投入電容器的無功是否存在超過上限的情況，若電容器在投入使用后無功并未超過上限，則可投入電容器，并在投入過程中做好電壓的分析，若電容器投入后電壓存在超過上限的情況，則要預(yù)先進(jìn)行檔位下調(diào)，最后再投入電容器。

結(jié)論：綜上所述，通過對光伏電站低電壓穿越的主要要求進(jìn)行分析討論，探究光伏電站中采用的逆變器，并提出對光伏電站低電壓穿越時的無功控制策略，從而降低電網(wǎng)耗損，切實滿足居民的用電需求，促進(jìn)電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全運行。

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