基于电压跌落程度的并网型光伏电站无功调压控制策略研究

王海峰，李凤婷

(1.新疆大学电气工程学院可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆乌鲁木齐830047；2.国网宁夏电力公司检修公司，宁夏银川750000)



基于电压跌落程度的并网型光伏电站无功调压控制策略研究

王海峰1，2，李凤婷1

(1.新疆大学电气工程学院可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆乌鲁木齐830047；2.国网宁夏电力公司检修公司，宁夏银川750000)

在研究光伏逆变器控制策略的基础上，研究了光伏逆变器的功率约束及其无功输出能力，对比分析了SVC(静止无功补偿器)与逆变器的无功响应特性，提出了逆变器参与无功调节的光伏电站无功控制策略。研究结果表明，逆变器参与光伏电站的无功调节，可有效改善光伏并网系统的无功响应特性，有助于提高光伏接入电网稳定性和逆变器的利用水平，降低光伏电站无功配置成本，对光伏电站实现低电压穿越及无功配置优化有一定的参考。

逆变器；静止无功补偿器；无功控制策略；光伏电站

当电网发生故障时，光伏电站的接入有可能造成电压超限，影响电网的暂态稳定性，为此《光伏电站接入电网技术规定》要求大中型光伏电站应配置无功电压控制系统，具备无功功率及电压控制能力[1- 3]。在并网光伏电站中，MCR、TCR、SVG 3种型式的动态无功补偿装置都有运用。很多地区的光伏电站根据光伏接入点的电压偏差来控制SVC补偿的无功功率[4- 6]。但SVC的补偿效果受电压的影响较大，外部电网电压偏低时，其效果相对于额定电压时有所下降。且目前工程上采用的大部分SVC是TCR+FC型，为降低损耗，工作人员一般改为手动投切FC支路，响应速度较慢，在故障切除瞬间，会发出过量的无功功率，使系统出现过电压，严重时造成光伏电站脱网[7]。SVG的响应速度可达到毫秒级，补偿效果不受电压的影响，可用来改善光伏电站暂态电压稳定性[8- 9]，但SVG价格昂贵，会加大光伏电站的前期投资成本。

逆变器作为并网光伏的核心器件，主要作用是将光伏侧的直流电转换为与电网同频同相的交流电，可通过调整控制策略使逆变器实现动态无功补偿功能[10- 12]。但光伏电站的设计和运行中通常不考虑逆变器无功输出能力。再者，光伏电站输出功率具有随机性、波动性[13]，光伏并网逆变器经常在低效率下运行，造成视在功率的浪费。

本文在研究光伏并网逆变器的有功、无功控制方法及无功输出约束条件的基础上，提出光伏逆变器参与无功调节的光伏电站无功补偿方案，研究了基于不同电压跌落程度的光伏电站无功调压控制策略。通过实例仿真验证无功调压控制策略的可行性，结果表明逆变器无功输出响应速度快，通过单独作用或与其他无功补偿装置共同支撑并网点电压，可改善光伏并网系统的无功响应特性，有助于光伏电站的低电压穿越，并在一定程度上降低投资成本。

1 光伏逆变器的功率输出控制

光伏逆变器电路拓扑结构如图1所示。

图1 逆变器电路拓扑结构

在dq旋转坐标系下逆变器的电压关系为

(1)

式中，ud、uq分别为逆变器侧电压d、q轴分量；L为LC滤波器等效电感；usd、usq分别为电网侧电压的d、q轴分量；id、iq分别为有功、无功电流的分量；逆变器d、q轴电流存在交叉耦合项ωLid、ωLiq，不利于有功、无功的独立控制，为解决此问题，应用如图2所示前馈解耦控制策略[14]。图中Ua、Ub、Uc为逆变器输出相电压；Uga、Ugb、Ugc为并网点相电压。

图2 逆变器有功、无功控制策略

控制方程为

(2)

采用瞬时无功检测技术检测逆变器并网点处无功功率，将检测无功功率与参考无功功率进行比较，经过PI调节控制，最终实现逆变器无功补偿。

(3)

式中，Q*为无功功率参考值；Q为无功测量值。无功功率参考值通过比较电压控制点实际电压与参考电压，将差值经过PI控制器来获取[14- 15]。

其中，PI控制器的传递函数采用如下形式

(4)

式中，ω1、ω2的选取仅和系统相位裕度有关，参数kPI的选取要结合电压/无功静态线性有差调节特性以及光伏电站接入地的无功电压等具体情况整定得到。

(5)

式中，Udc为直流侧电压；Uout为最大功率点工作电压。

2 光伏逆变器无功功率输出能力分析

光伏逆变器无功功率输出能力受逆变器视在功率、逆变器直流侧电压两个因素制约。

2.1 光伏逆变器的功率约束

逆变器允许短时工作在视在功率的1.1倍，输出的无功功率受有功功率影响，其约束条件为

(6)

2.2 光伏逆变器直流侧电压的约束

逆变器无功功率输出能力还受直流侧电压的限制，忽略电感损耗，非单位功率因数运行的逆变器电压矢量几何关系为

(7)

即

(8)

为了保证逆变器输出电压的波形质量，综合式(7)、(8)，可得直流侧电压的约束条件下的无功输出为

(9)

2.3 逆变器的无功输出能力

综合考虑逆变器的功率约束及直流侧电压约束，得逆变器的无功输出极限值为

(10)

(11)

由上式可知，当光伏逆变器输出额定有功功率时，其无功功率输出极限约为0.47(p.u.)。当光伏逆变器输出有功功率低于额定功率时，其无功功率输出会更大。即光伏逆变器在保证有功功率输出的同时，可提供一定量的无功功率。

在过去的几十年里，大量的连续语音识别系统被开发出来。一方面，诸如AT&T Watson、Microsoft Speech Server、谷歌Speech API和Nuance识别器等十分成熟的语音识别系统已经得到较为广泛的商业应用[1-4]。另一方面，商业语音识别器几乎不能为其他专用系统提供接口功能，使得对其他软件实现本地的功能集成造成极大限制，导致大量开源自动语音识别系统成为研究热点[5-6]。

光伏电站若有n个逆变器，则无功输出总量为

(12)

综上所述，当电压跌落较深时，由于逆变器无功输出能力有限，可能会出现不满足光伏电站低电压穿越要求的情况。仿真分析系统2s时发生短路故障，并网点电压跌落至0.4(p.u.)，0.1 s后故障切除。逆变器无功输出和电压支撑情况如图3、4所示。

图3 无功补偿情况

图4 并网点电压

由于受逆变器输出无功的限制，输出无功功率已经接近上限14.1 MW(约0.47p.u.)，并网点电压提升至0.44(p.u.)。

当并网点电压跌落较深时，逆变器通过输出无功支撑并网点电压的情况如图5所示。

图5 并网点电压

由图5可知，当并网点电压跌路至0.2(p.u.)时，在逆变器单独作用下，并网点电压提升至0.24(p.u.)。当并网点电压跌落至0.15(p.u.)及以下时，由于逆变器无功输出能力有限，并网点电压不能短时提升至0.2(p.u.)，不符合光伏电站低电压穿越的要求。

通过以上仿真分析可知，采用逆变器单独作用时，光伏电站能够对电网故障期间的并网点电压进行一定程度的支撑，提高光伏电站并网的暂态稳定性。但逆变器无功输出能力有限，在电压跌落程度较大，并网点无功功率需求大于逆变器无功输出总量时，逆变器对并网点的无功电压支撑情况不符合光伏电站低电压穿越的要求。

3 SVC、逆变器无功响应特性的对比分析

SVC是用于无功补偿典型的电力电子装置，利用晶闸管作为开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而实现无功补偿。而逆变器则通过控制可关断器件的通断来向系统提供无功。现对SVC与逆变器的无功响应特性进行比较，结果见表1。

表1 SVC与逆变器的无功响应特性比较

响应特性SVC逆变器工作原理晶闸管投切电容/电抗器控制可关断器件通断响应时间40～60ms10ms以内输出容量输出容性或感性无功功率感性到容性连续可调低电压特性输出无功功率随系统电压下降呈平方级下降输出无功电流与系统电压无关

相比于逆变器，SVC的补偿效果受电压的影响较大，在外部电网电压偏低时，补偿效果相对于额定电压时有所下降。通过分析计算，SVC输出的无功功率为

(13)

逆变器的无功输出为

Q逆=UIq

(14)

式中，α为触发角；ω为电源额定角速度，rad/s；XR为TCR中电抗器阻抗，U为并网点电压，Iq为无功电流。

由式(13)、(14)可知：当电网故障导致电压跌落时，逆变器输出无功功率与电压成正比，而输出无功电流与系统电压无关。当电网电压跌落需逆变器优先进行无功控制时，同容量的逆变器和SVC，逆变器能提供比SVC更多的无功来支撑并网点电压。

构建30 MWp光伏电站并网模型，模型中分别选取等容量的SVC和逆变器，0.1 s时系统故障，并网点电压跌落至0.6 (p.u.)，故障0.1 s切除，SVC和逆变器对并网点电压的支撑情况如图6所示。

图6 SVC和逆变器对并网点电压的支撑情况

相比于SVC，逆变器能够提供更多的无功来调节并网点电压，维持系统电压稳定。

4 光伏电站无功调压控制策略

通过研究逆变器、SVC的无功响应特性和逆变器的有功、无功控制策略，基于并网点电压的不同跌落程度，得到逆变器与SVC共同作用的无功调压策略。其控制策略流程如图7所示。

当电网故障造成并网点电压跌落且Q逆min

图8 无功调压控制策略一

当Q*>Q逆tmax时，逆变器与SVC输出无功共同支撑并网点电压，逆变器响应速度快，以最大无功要求输出无功，使电压得到一定程度的提升，为SVC提供较好的无功输出环境。

图9 无功调压控制策略二

5 算例仿真

基于PSCAD/EMTDC软件平台，搭建如图10所示的光伏电站并网模型以验证上述无功补偿方案。

图10 光伏并网等效电路

不同于同步发电机的故障电流特性，在电网对称和不对称故障情况下，逆变型分布式电源均只输出对称电流分量[16]。故假设电网发生三相短路故障(其中故障开始时间2 s，故障结束时间2.1 s)，仿真分析上述无功调压策略下无功源(逆变器、SVC)无功输出能力及对并网电压的支撑情况。

当光伏电站逆变器无功输出能力不能满足光伏电站低电压穿越要求时，采用逆变器与SVC协调控制策略，分析其对并网点电压支撑和无功补偿情况。

图11 逆变器与SVC混合无功响应曲线

图12 并网点电压

如图11、12所示，基于逆变器和SVC的无功输出能力，当并网点电压跌至0.2(p.u.)时，经过协调控制，可提升至0.33(p.u.)；当并网点电压跌落至0.15(p.u.)时，电压可提升至0.26(p.u.)；当并网点电压跌至0.1(p.u.)时，电压可提升至0.21(p.u.)，均能够满足光伏电站的低电压穿越要求。

6 结 论

针对由于电网故障引起的光伏电站电压跌落问题，提出基于不同的电压跌落程度，得到光伏电站的无功电压协调控制策略，通过分析可得如下结论：

(1)基于光伏电站逆变器的无功输出能力和响应特性，当电网故障导致电压跌落且逆变器的无功输出能力可以满足光伏电站低电压穿越对无功功率的需求时，仅利用逆变器的无功输出能力而不需要其他无功补偿设备，可以降低无功补偿装置的耗电量，减少厂用电，在一定程度上节省投资，但其无功输出能力有限。

(2)采用逆变器与SVC的协同控制策略，可以给SVC提供更好的无功输出环境、预留更多的无功可调裕度。在电网发生故障时，能够有足够的无功补偿能力保证电网的暂态稳定性。

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(责任编辑 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

国家自然科学基金项目(51267019，51367017)；新疆自治区研究生科研创新项目(XJGRI2015028)；新疆维吾尔族自治区自然科学基金资助项目(2016D01C036)

王海峰(1990—)，男，河北唐山人，硕士研究生，研究方向为可再生能源并网技术与电力系统继电保护．

TM615

A

0559- 9342(2016)09- 0108- 05