光伏并网发电的功率补偿控制研究

王航空 刘雄新 强兆峰

五冶集团上海有限公司

光伏并网发电的功率补偿控制研究

王航空 刘雄新 强兆峰

五冶集团上海有限公司

随着全球可再生能源的不断发展，太阳能已经成为可再生能源的重要组成部分，光伏发电技术方面的研究也越来越深入。光伏并网发电系统通过光伏阵列和并网逆变器实现功率传输，传输电网的功率与光伏发电的拓扑结构、逆变器控制、最大功率点跟踪(MPPT)等有关，基于此，本文将着重分析探讨光伏并网发电的功率补偿控制，以期能为以后的实际工作起到一定的借鉴作用。

光伏并网；发电；功率补偿

1 、光伏并网发电系统概述

太阳电池的光伏特性是制约光伏发电效率的主要原因，由于受到光照、温度和负载的影响，太阳电池的输出特性表现为非线性模式，光伏电池可以在不同的输出电压下工作，但对应的输出功率有所不同，这里对应存在最大功率点(maximum power point，MPP)。通过测量短路电流，并假设短路电流和最大功率点电流成比例关系，得到最大功率点电压的方法为短路电流法，其不足在于测量短路电流过程中会造成能量的损耗；恒定电压跟踪法根据理论计算得到最大功率点，具有结构简单的特点，但是存在环境变化后不能做到实时变化的缺点；扰动观察法作为常用的最大功率输出点跟踪控制方法，其原理是通过改变占空比，调整输出功率实现最大功率的逼近，具有较好的实时性，结构也比较简单，但是在步长调整过程中，存在步长确定困难的问题；增量电导法的原理与扰动观察法相似，不同点在于增量电导法是通过判断电压变化率即电压变化曲线斜率来调整占空比，实现最大功率点跟踪，该方法需要引入微分，造成控制算法的复杂性，对硬件要求较高。

2 、光伏阵列的最大功率点跟踪

光伏阵列是光伏并网发电系统的重要组成部分，其输出特性易受太阳光辐射度、光伏阵列工作温度等自然环境的影响，呈强烈的非线性特性。在一定的太阳光辐射度与工作温度下，光伏阵列根据不同的负载值运行在不同的工作点上。只有当光伏阵列运行在某一特定的工作点时，光伏阵列输出的功率才会到达最大，该工作点称为最大工作点(Maximum Power Point，MPP)。为了使光伏阵列最大限度的输出能量，就必须根据外部环境的不同而实时变化光伏阵列的工作点，保证使其最大限度的接近最大工作点，这就是最大功率跟踪(MPPT)。由于光伏电池可以看作电流源，光伏板发出的功率与输出电压有关，通过PWM调节BOOST斩波电路的占空比可以实现电压的调节，进而找到最大功率点。单个光伏电池可以等效为1个理想电流源Isc与二极管D的并联，考虑到光伏电池本身产生的损耗和受天气的影响，其等效模型需要并联1个电阻Rp，串联1个电阻Rs。假设光伏阵列中并联的光伏电池板有Np个，串联的光伏电池板有Ns个，则光伏阵列的等效电路图如图1所示。

3 、工程实例分析

3.1 工程概述

本文以常熟达涅利3MW分布式光伏示范项目为例加以分析说明，常熟达涅利冶金设备有限公司主要从事开发、生产冶金用设备和配件、液压系统及电气和自动化系统，其使用设备含有退火炉等非线性设备，工作时会产生一定量的谐波，对电网及自身设备产生危害。该厂原有两台1.6MVA变压器和两台1.0MVA变压器(其中一台1.0MVA变压器处于停用状态)。

3.2 功率补偿控制

图1 光伏阵列的等效电路图

从相关的评估的数据中我们发现新设3MWp光伏发电项目的谐波类型主要为三次，五次，七次，十一次，十三次谐波，虽然现有评估值谐波数值没有超过国标值，但使用的四台升压变压器自身空载需要消耗一定量的无功，夜间使用时会造成光伏发电系统一次侧的功率因数偏低，为了避免造成整个系统功率因数低于0.9被罚款和造成变压器自身的损耗，故需要对光伏发电站升压变压器低压侧进行额外的无功补偿措施。

从评估数值看，新增的六台光伏发电逆变器谐波数值没有超标，如上所述，为了避免造成系统功率因数低而被罚款和对变压器过渡损耗，故需要对光伏发电站升压变压器低压侧进行额外的无功补偿措施，根据以往经验纯电容补偿会造成系统谐波放大，有发生串并联谐振的隐患，故此次无功补偿方案建议使用采用调谐滤波的形式进行无功补偿，即调谐电容器串6%的电抗器的形式。

无功补偿量：

变压器无功损耗计算如下：

其中：△Q--变压器实际无功消耗(kvar)；Pn--变压器空载损耗(kW)；Q0--变压器空载励磁功率(kvar)；P--变压器负载有功功率(kW)；QS--变压器实际励磁功率(kvar)；Q--变压器负载无功功率(kvar)；I0%--变压器空载电流%；U--变压器额定电压(kV)；Sn--变压器额定容量(kVA)；Xβ--变压器感抗(kΩ)。

0.5 MVA变压器，已知：I0%=0.8，Pn=2kW，Sn=0.5MVA由上述变压器空载无功损耗公式可计算得出：Q0=√12=3.5kvar。

1MVA变压器，已知：I0%=0.8，Pn=2kW，Sn=1MVA由上述变压器空载无功损耗公式可计算得出：Q0=√60=7.7kvar。

最终方案是每台变压器给补的无功额定容量是20kvar，输出容量为14kvar，这样晚上变压器空载情况下时形成一点过补状态，不会有串并联谐振隐患，白天逆变器工作时，每台逆变器功率因数为0.98，补到1的情况下需要101kvar无功量，故白天无功补偿装置投运后系统的功率因数是小于1的也不会产生串并联谐振。

总而言之，太阳能作为一种再生能源，具有清洁性、可再生性和经济性等特点，得到广泛的应用。太阳能利用主要分为光伏、光热和光化利用，其原理是一种能量转换过程。其中光伏发电是将太阳能转换成电能进行传输和使用，是一种新的发电模式，具有结构简单、清洁安全和维护方便的特点。这就要求我们在以后的实际工作中必须对其进行进一步探究应用。

[1]邱培春.光伏并网发电的功率平抑控制[D].北京交通大学，2010.

[2]郭佳.光伏并网发电和无功补偿综合控制技术研究[D].河北工业大学，2013.