光伏逆变器无功调节能力分析与控制策略研究

黄亚峰，于洋，严干贵，李龙，常青云

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012）

随着气候变暖、能源危机问题的日益突出，可再生能源已成为发展趋势，其中太阳能光伏发电是可再生能源利用的重要形式[1-2]。而以农村屋顶光伏发电或城市小规模建筑光伏发电为主的分布式光伏发电[3-4]，大多处于比较偏远的地区，距离主干电网较远，需要通过长距离的输电线与电网相连[5-6]。分布式光伏发电的这种弱电网[7-8]连接形式使得由于光照条件改变以及配电网负荷变化引起的接入点电压波动问题较为明显，严重时甚至出现电压越限风险，引起人们广泛关注[3]。对于三相光伏并网发电系统中的并网逆变器，其主电路一般采用电压型全桥结构[9]，该结构与常规的静态无功补偿装置（SVG）的主电路[10]完全一致。而在实际运行过程中，因为自然条件光照的原因，逆变器运行的功率水平较低，因此具有大量的功率余量可用于无功调节为所接入电网提供无功支撑[11]，改善电网运行质量，并能节省无功补偿装置的费用。因此分布式光伏在发电同时能兼顾电网电压无功调节需求就会非常有价值。

本文通过建立光伏逆变器接入配电网稳态分析模型，分析了逆变器的无功调节能力及其主要影响因素。构建了接入配电网运行时面向电网电压调整的无功功率控制策略，通过仿真实验，验证了该策略的有效性。

1 联网光伏逆变器稳态分析模型

目前，常用的光伏逆变器拓扑结构[12-13]有单级式和两极式。两极式结构逆变器虽然从成本与效率上不及单级式逆变器，但其具有直流母线电压稳定、系统设计灵活、控制目标明确等诸多优点，使两极式拓扑结构得到了广泛的应用，成为当前户用光伏并网系统的标准应用形式之一。

因此本文研究的光伏逆变器采用两级式结构，考虑到稳态情况下前级DC/DC环节对后一级逆变器DC/AC环节的影响仅是一个有功功率的注入关系，所以本章讨论光伏逆变器无功调节能力时对前一级做了简化，仅视为一个有功功率注入源，这里用一个可控的直流电流源替代。大功率并网逆变器开关频率不高，为有效降低滤波器体积和损耗，则采用LCL型滤波器设计[14]。为了稳态分析方便，作以下假设：

1）忽略逆变器自身损耗及滤波电路损耗；

2）只考虑基波分量，其余高次谐波分量忽略不计。

基于上述假设条件，稳态情况下，光伏逆变器部分简化的分析模型如图1所示。

图1 简化逆变器稳态模型示意图Fig.1 Schematic diagram of simplified inverter steady-state model

图1 中，Udc为直流电压；U觶inv为逆变器交流侧输出电压；Upcc为逆变器并网点电压；I觶g为逆变器注入电网电流；XfL1，XfL2及Xfc分别表示LCL滤波电路的3条支路电抗。

在两相d/q同步旋转坐标系下，d轴定向于接入点电压矢量位置，那么对于任意一稳态工况下，接入点电压矢量将是一个定值，且只有d轴分量，即：

设逆变器并网电流为I觶g=id·g+jiq·g，根据逆变器方程，在基波正弦稳态情况下，微分项为0，网侧DC/AC逆变器在d/q坐标下的稳态模型可以用如下方程描述：

式（2）给出了逆变器输出电压与接入点电压和电网电流之间的关系，其中，如果结合具体LCL设计参数[15-16]，有ω2L1Cf垲1，ω2L1L2Cf垲L1+L2成立，所以在基波稳态情况下，对于LCL滤波器逆变器分析可以简化为配置单个L=L1+L2滤波器的逆变器分析，即式（2）可简化为

稳态情况下，忽略逆变器动态过程，有：udinv=稳态情况下，在给定的一直流环节运行电压Udc情况下，控制器输出[m，δ]可表示为

式中，m为SPWM调制比；δ为U觶inv超前于U觶pcc的相位角度。

设联网逆变器前端注入直流环节的有功功率为P，逆变器注入系统的无功功率为Q，采用并网点电压定向控制情况下，逆变器经并网点注入系统功率可表示为

联立式（3）、（4）、（5），形成以Udc及Upcc为给定量，P、Q为自变量，id·g、iq·g、m和δ为因变量的代数方程组。因此在任意给定一功率调节工况情况下，都可以根据以上代数方程组求取联网逆变器达到稳态运行时的电压、电流运行状态及控制器输出的关键控制量信息。

2 联网逆变器无功调节能力分析

2.1 联网逆变器稳态运行约束条件

显然，逆变器发出的无功功率能力并不是无限的，而是受到多方面因素制约。这里为了讨论逆变器在传输有功功率的同时其允许的无功功率调节范围，给出光伏并网逆变器稳态运行约束条件。

2.1.1 接入点运行电压约束

逆变器设计时一般考虑到系统电压的变化，会允许逆变器接入点电压与其额定运行电压存在一定的偏差，一般设计的接入点电压范围为UN（1±10%）。

2.1.2 最大运行电流Imax

为了保证逆变器电力电子器件的运行安全，设计选型时，允许的最大电流留有较大的裕度，一般取2倍的额定电流有效值，本文讨论无功调节能力

2.1.3 控制约束条件

对于采用正弦波调制的三相逆变电路而言，为了保证SPWM控制的有效性和逆变器输出电压的波形质量，在采用规则采样法SPWM脉冲控制方式，调制比m取值范围（0，1]，当调制比取最大值1时，其输出相电压基波幅值最大为Udc/2。

逆变器在传输某一有功情况下，如果进一步从系统中吸收无功功率，随着吸收无功功率的增大，将首先触及最大电流约束边界；同样，在传输该有功功率情况下，如果向系统提供无功功率，随着提供无功功率的增大，将首先触及最大逆变电压约束边界。

2.2 无功调节能力计算方法

本文研究的具体问题是：在给定系统参数情况下，逆变器在传输某一有功功率P时，其无功调节能力如何计算。

讨论中涉及的主要系统参数有：

SN，UN，IN分别为逆变器额定功率，额定电压，额定电流；L为滤波器电抗；Udc为直流母线电压；Upcc为接入点电压；f为开关频率。

下面根据逆变器运行的主要约束条件，对无功调节能力进行分析。

由最大电流约束条件有：

上式结合式（5）可得：

由逆变器最大可逆变电压约束条件有：

上式结合式（3）及（5）可得：

设定逆变器无功调节下限为Qmin，无功调节的上限为Qmax，根据式（7）和式（9）可得无功调节上下限为:

逆变器接入点的电压Upcc在额定条件下为UN，实际场景中，接入点电压会随系统运行状况发生变化，一般在额定电压0.9 pu~1.1 pu内波动。

3 改善接入电网电压运行质量的无功控制策略

传统的光伏逆变器控制策略通常采用cosφ=1的单位功率因数控制，其无功电流参考指令值直接设置为0，本文在原有控制之前加入电压无功调整策略，其无功电流参考指令给定方式如图2所示。

图2 面向接入电网调压要求的逆变器无功控制策略Fig.2 Inverter reactive power control strategy facing regulation requirements of the grid voltage

图2 所示无功控制策略，是以追踪给定的接入点电压为目标的，当光伏注入功率或配电网负荷变化引起接入点电压Upcc波动时，逆变器尽量补偿系统需求的无功，对电压进行支撑以改善接入点电压质量。逆变器的无功调节参考值由电压偏差经过PI控制器来确定，该无功参考指令通过无功实时的无功限幅环节后作为最终逆变器控制输出的无功功率目标。

4 算例及仿真分析

为了验证本文无功控制策略的有效性，利用仿真软件PSCAD搭建逆变器接入某一配电网运行的仿真算例。仿真系统的简化连接电路如图3所示，给出了光伏逆变器通过公共接入点（PCC）接入某配网运行示意图。该运行模式下，光伏逆变器以分布式电源方式接入配电网，与系统电源一起为负载提供电能。逆变器出口电压经变压器T2升到10 kV，连接长距离输送线路（9.48Ω+j8.457Ω）由变压器T1升到35 kV，母线2接有负载。

图3 光伏逆变器接入配电网示意图Fig.3 Diagram of photovoltaic inverters connected to distribution network

4.1 光伏逆变器无功调节能力算例分析

表1给出了无功控制策略验证仿真中所用到的某100 kV·A光伏逆变器主要系统参数，对其无功调节能力进行计算分析。

表1 100 kV·A光伏逆变器系统参数Tab.1 Parameters of the 100 kV·A photovoltaic invert

结合式（10），考虑到逆变器无功调节能力受接入点电压影响，在给定系统参数的情况下，图4给出了逆变器输出无功功率Q与有功功率P、接入点电压Upcc的三维关系图。

图4 输出无功功率Q与有功功率P，接入点电压U pcc的三维关系图Fig.4 Output reactive power output Q，active power P，voltage of connected point U pcc

表2给出逆变器在接入点不同电压水平下具体的无功调节能力计算结果。分析得出两极式结构光伏逆变器输出无功功率的能力随输出有功功率的增加而减弱；同时也随接入点电压的升高而加强。

4.2 负荷变化时电压无功调节仿真

仿真过程中模拟配电网负荷的变化对接入点电压的影响。从t=0时刻开始，直到t=2 s前，配电网负荷P=100 kW，Q=60 kV·A；在第2秒时使配电网负荷增加1倍（P=200 kW，Q=120 kV·A）。图5（a）所示为光伏逆变器输出无功功率波形，图5（b）所示为接入点电压的波形。光伏逆变器采用cosφ=1的单位功率因数控制策略，在2 s时由于配电网负荷增加使接入点电压从1.008 pu降到0.978 pu，接入点电压水平下降；当逆变器采用无功控制策略时，在第2秒时由配电网负荷增加导致降低的接入点电压由0.978 pu迅速提升到1.006 pu，基本补偿了由负荷变化引起的接入点电压水平下降问题。当逆变器容量进一步增大，其电压支撑作用则更强，可使电压完全恢复到配电网负荷波动前的水平。

表2 不同工况下可发无功功率Q/puTab.2 Output of the available reactive power under different conditions Q/pu

图5 配电网负荷变化时仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of distribution network load variations

4.3 光伏有功功率变化时电压无功调节仿真

仿真过程中模拟光伏注入有功功率变化，比较了cosφ=1的单位功率因数控制和文本研究的无功控制两种控制方式下接入点电压的电压质量。从t=0时刻开始，直到t=2 s前，气候条件为G=400 W/m2和T=25℃；t=2 s时刻，气候条件发生改变（G=800 W/m2和T=25℃）致使光伏注入功率增加，波形如图6（a）所示。当光伏并网逆变器采用cosφ=1的单位功率因数控制时，逆变器输出的无功功率为0 pu，配电网接入点电压由1.007 pu上升到1.028 pu，存在接入点电压波动问题。采用无功控制策略，如图6（b）所示在光伏注入功率增加的同时立刻使逆变器吸收一定数量的无功功率，此时接入点的电压在波动后迅速降低到1.01 pu，基本上维持了接入点电压的稳定。

图6 光伏注入功率变化时仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of PV injected power variations

5 结论

本文分析了光伏逆变器无功调节能力及其影响因素，构建分布式光伏接入配电网运行时电压无功调节控制策略，经过理论分析和仿真验证，得出以下基本结论：

对于两极式光伏逆变器，其无功调节能力受接入点电压影响较大。在电网额定条件下，逆变器传输有功功率p=1.0 pu时，传输无功功率范围是[-0.66 pu，0.66 pu]；传输有功功率P=0 pu时，传输无功功率范围是[-1.2 pu，1.2 pu]。可见无功功率调节的潜力很大。

分布式光伏接入配电网运行时，发挥逆变器无功调节作用将有效改善由配电网负荷变化和光伏注入功率变化引起的接入点电压波动，改善电压质量。

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