分布式光伏无功电压主动支撑控制方法

郑许林，袁 源，柏晶晶，姜 望，刘祎文，王亚祥

(1.国网江苏省电力有限公司盐城供电分公司，江苏 盐城 224005；2.河海大学，江苏 南京 211100）

0 引言

随着我国光伏产业的的快速发展，分布式光伏并网的比例大幅度提高[1]，[2]。而分布式光伏并网的发展改变了电网的基本结构，由单端辐射型网络逐步变为双端和环形网络。同时，以电力电子设备为核心的大量非线性负荷以及冲击性负载被大量使用，由此引起的谐波与无功电流对电网造成了 污 染[3]～[5]。

电压是电能质量的一个重要指标，配电网电压的稳定性直接影响负载的稳定运行。目前，电压质量治理的思路主要有两种，一种是使用无功补偿控制，无功补偿调节电压原理是根据配电网中无功功率与电压之间呈现的线性关系实现。常用的无功补偿方式有并联电容器或电抗器、同步调相机、静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC）、静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM）等[6]，[7]。文 献[8]研 究 了 配 电 网并联或串联进行无功补偿稳定电压的方式，以及电容和电感进行串并组合形式的无功补偿方式，并验证了补偿效果。文献[9]，[10]分析了SVC的工作原理，SVC是基于电力电子技术发展起来的一种无功补偿装置，由晶闸管控制电容器和晶闸管控制电抗器组合而成，通过控制晶闸管的开通和关断改变其阻抗特性，实现无功补偿的目的。但该类方法均为固定式补偿，不具备动态调节能力。文献[11]～[13]研究了STATCOM在配电网无功补偿中的应用及控制，STATCOM通过改变流入或流出电流的相位达到吸收或发出无功功率的目的。这一类方法需要额外增加无功补偿设备，大大增加了配电网的投资成本。另一种是直接电压补偿方式。文献[14]～[16]研究了有载调压变压器在配电网中的应用及控制，通过控制配电网变压器分接头位置改变输出电压，但其调压方式属于有级调压模式，不能平滑切换电压。文献[17]，[18]研究了动态电压恢复器在配电网中对电压的补偿作用，动态电压恢复器串联在配电网中，通过产生与配电网电压同相位同频率的正弦信号直接叠加在配电网电压上，实现直接电压补偿，可以看做在配电网中串联了一个动态电源，因此需要额外的储能支撑，成本较高。已有方法均需要单独配置补偿装置，大大增加了电网的投资，而合理利用分布式光伏并网变流器本身的电流裕量实现无功补偿，具有明显的成本优势。

本文针对电网电压质量问题展开研究，从电能线路传输角度分析了无功功率对电网电压的影响，研究了光伏并网逆变器在无功补偿中的控制方法，并提出了基于母线下垂控制的主动电压质量支撑控制方法。

1 光伏逆变器电压主动支撑原理

1.1 无功功率与电压响应

在电力系统中，电压的稳定取决于系统的无功功率，当系统无功功率不平衡时，将导致电压偏离基准值。为清晰地说明电力系统中电压与无功功率的关系，本文以单相为例，建立了简化电力传输线模型，如图1所示。

图1 输电线等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of transmission lines

图中：E˙为线路首端电压；V˙为线路末端电压；I˙为 线 路 电 流；Z˙为 线 路 阻 抗；R为 等 效 电 阻；X为等效电抗。假设V˙相位角为0，根据输电线模型中电气量之间的相量关系画出其相量图，如图2所示。

图2 输电线相量图Fig.2 Phasor diagram of power lines

图 中：δ为V˙和I˙之 间 的 相 位 角；θ为E˙和V˙的 相位角；ΔV为压降的横向分量；δV为压降的纵向分量；ΔV˙为线路阻抗造成的压降。

根据相量关系，有：

以末端电压为参考，将电流I˙分解为有功分量和无功分量，其有功分量可表示为Ia=Icosφ，无功分量可表示为Ir=jIsinφ。通过线路电流的有功分量和无功分量表示线路压降，则压降由两个部分组成：

输电线路传输的复功率可以表示为S˙=P+jQ，电流的有功无功分量表示为

将 式(2）与 式(3）结 合，可 得：

由于输电线电阻一般远远小于电抗，忽略线路电阻可得：

由图2相量关系可得：

将 式(5）代 入 式(6），求 解 出V关 于X，P，Q，E的表达式。因为其中两个为负，应舍去，其余两个解为

根据稳定性判据[19]，式(7）所描述的关于V的方程有且仅有唯一解，其解为

由式(8）可以看出，线路末端电压受无功功率的影响最大，当负载感性无功功率越大时，电压就会越低。

1.2 主动下垂控制基本原理

考虑到线路上电压降落，定义母线电压调节系数如下：

式中：ΔV1为母线电压允许跌落的最小电压，对应逆变器输入级的最大输入容性无功电流ICmax；ΔV2为母线电压允许升高的最小电压，对应逆变器输入级能够补偿的最大感性无功电流ILmax。

根据国家标准，220 V单向供电电压偏差为基 准 电 压 的+7%，-10%，即198 V∶235.4 V。为 进 一步提高母线电压质量，取 ΔV1=ΔV2=10 V。母线电压下垂调节特性曲线如图3所示。

图中：Vref为母线电压指令值；V*ref为修正后的母线电压指令值。当母线电压降低时，U-I特性如负载线2所示，结合式(10）可 知，因k>0，Iq>0，因此V*ref>Vref。可以看出，在母线电压降低时，下垂调节使母线电压略高于基准值。

式中：Δv为母线电压指令值的修正量。

在母线电压升高时，为使母线电压仍然维持在基准值之上，考虑使用反向下垂调节，如式(11）所 示。在 反 向 下 垂 调 节 模 式 下，-k＜0，Iq＜0，因 此，也实现了母线电压略高于基准值的目的。

由图3可以看出：在使用理想调节时，母线电压的给定值为平行于横轴的一条直线，其值为Vref；而在结合使用了下垂调节与反向下垂调节后，母线电压参考值为图3中的反向下垂调节及下垂调节对应的实线部分，在一定程度上提高了母线电压，负载的电压质量得到了保障。当母线电压降低时，光伏逆变器向配电网多补偿一定的无功功率；当母线电压升高时，光伏逆变器从配电网少吸收一定的无功功率。

基于减小损耗和抵抗无功扰动的思路，本文使用下垂控制和反向下垂控制使电压略高于基准电压。由于当前配电网中电器大都表现为阻感性，且更多地朝着恒功率方向发展，因此在电压允许范围内略提高电压有助于减小线路损耗，避免末端电压过低；有助于减轻负载接入对配电网母线电压的影响，提高电压质量和抗干扰能力。

2 光伏逆变器电压支撑控制策略

2.1 母线电压控制原理

如图4所示，三相太阳能光伏并网结构由光伏电池板、Boost升压电路和三相逆变器构成。本文利用三相并网逆变器的额外容量进行电网的无功支撑。

图4 三相太阳能光伏并网结构图Fig.4 Three-phase solar photovoltaic grid-connected structure diagram

通过光伏并网逆变器进行无功补偿的原理如图5所示。首先采样三相母线电压，经过dq变换后得到d轴电压，其中 ω为网侧角频率，由于Vq=0，因此d轴电压即可看作母线电压。d轴电压指令值为母线电压指令值的倍，当d轴电压偏离指令值时，其误差值经过PI环节矫正后得到输入级三相变流器的无功电流指令值iq_ref。iq_ref作为输入级电流内环控制的指令值，经双闭环控制后得到调制波，控制输入级三相变流器的开关管和输入三相电流的相位，达到无功补偿的目的。

图5 光伏并网逆变器参与电压支撑控制原理Fig.5 Photovoltaic grid-connected inverter participates in the voltage support control schematic

当母线电压低于指令值时，即负载上消耗过多无功功率，逆变器需要向电网发出无功功率，此时逆变器输入无功电流Iq＜0；当母线电压高于指令值时，即负载向电网发出无功功率，逆变器吸收无功功率维持电压稳定，此时逆变器Iq>0。

2.2 无功电流反馈的母线电压下垂控制

在光伏逆变器电压主动支撑控制策略的控制过程中，光伏并网逆变器严格按照指令电压进行调节，考虑到母线距离负载有一定的距离，线路上的压降不可忽略，所以在控制时可以将母线电压提高少许，稍高于基准电压，这就是母线电压的下垂调节方法。

图6为逆变器母线电压下垂调节控制方法的原理。对比图5的理想调节，下垂调节引入了逆变器无功电流反馈环节，逆变器无功电流与母线电压下垂调节系数k相乘后得到母线电压指令值的修正量，再与母线电压指令值相加得到修正后的母线电压指令值，后续控制方式与图5描述的理想调节一致。

图6 并网逆变器母线电压下垂调节控制Fig.6 Grid-connected inverter bus voltage droop regulation control

当母线电压降低时，逆变器向电网多补偿一定的无功功率；当母线电压升高时，逆变器从电网少吸收一定的无功功率。值得注意的是，逆变器的无功电流受其容量限制，若超出补偿能力范围，则逆变器只能以额定最大无功电流ILmax或ICmax运 行 。

3 实验验证

本文利用在Typhoon HIL中搭建的模型进行实验测试，系统参数设计如表1所示。

表1 实验参数设计Table 1 Experimental parameter design table

在母线电压降低实验中，0.5 s时在母线上增加150 kVar的无功负载，引起母线电压降低，逆变器通过无功补偿实现电压的稳定。实验详细波形如图7所示，其中逆变器输入输出三相电压电流均取有效值的平均值，Udc为逆变器输出电压有效值。

图7 母线电压降低时实验波形Fig.7 Experimental waveform when the bus voltage decreases

图7展示了电压降低情况下，0.2 s∶1.2 s时逆变器的各环节波形。图7(a）中母线电压V初始值为220 V，在0.5 s时光伏并网逆变器输入级进行无功补偿，逆变器的输入无功Q开始减少至-200 kVar，对比扰动量150 kVar，逆变器多补偿的无功量是由于采用下垂调节控制而产生的，对应的母线电压最终恢复至约224 V，整个过程中光伏并网的有功P保持不变。

由图7(a），(b）可以看出，在电压降低时逆变器输入级无功电流Iq由0开始增大，对应向配电网补偿无功功率。图7(c）中输入电流I由300 A开始增加，无功补偿总视在功率增加。图7(d）为未发生无功扰动时的输入输出波形，可以看出，输入A相电压电流同相位，因三相平衡，输入、输出功率因数均为1。在图7(e）中引入无功扰动，光伏逆变器对配电网进行无功补偿后，A相电流超前于电压(三相对称，B相、C相与之相同），相当于一个阻容性负载向配电网发出无功功率，同时由于容性负载滤波作用，电压波形环宽变小。

在母线电压升高实验中，0.5 s时在母线上增加-150 kVar的无功负载，引起母线电压升高。实验详细波形如图8所示，其中逆变器输入输出三相电压电流均取有效值的平均值。

图8 母线电压升高时实验波形Fig.8 Experimental waveform when the bus voltage increases

图8(a）中，由于容性无功负载的原因，母线电压开始升高，逆变器输入级需要从配电网吸收无功功率，因此逆变器输入无功功率Q由0减少至100 kVar，低于扰动量(-150 kVar）。这是由于在电压升高时采用反向下垂控制，母线电压会略高于基准电压，最终约为222 V，其输入有功功率P在调节过程中仍然保持200 kW不变。图8(d）为未发生容性无功扰动时的输入输出波形，可以看出，输入A相电压电流同相位，因三相平衡，输入、输出功率因数均为1。图8(e）中，在引入容性无功扰动后，光伏逆变器电压调节器稳定母线电压后，A相电流滞后于电压(三相对称，B相、C相与之相同），相当于一个阻感性负载从配电网吸收无功功率，同时由于容性负载的滤波作用，电压波形环宽变小，基本无环宽。

由图8(a），(b）可以看出，在电压降低时逆变器输入级无功电流Iq由0开始增大，对应向配电网补偿无功功率。图8(c）中，输入电流从300 A开始增加，对应无功补偿时总视在功率的增加。

从实验可以得出结论：在配电网母线电压降低时，光伏并网逆变器能够对配电网进行无功补偿保持电压稳定，且由于引入下垂调节，母线电压会略高于基准电压，同时光伏并网逆变器的有功功率不受影响；而在配电网母线电压升高时，逆变器能够从配电网吸收无功功率保持电压稳定，且由于反向下垂调节的作用，母线电压会略高于基准电压，同时逆变器的输入输出有功功率不受影响。

4 结论

本文首先对光伏并网逆变器支持电网电压稳定的关系进行了量化分析，进一步将电压下垂控制与逆变器的无功补偿控制相结合，给出了基于并网逆变器的电压下垂控制方法。通过半实物仿真验证了逆变器调节母线电压的效果，结果表明，本文所提出的电压下垂控制能够有效改善母线电压质量，且有助于减小线路损耗，避免末端电压过低，提高了配电网的电压质量和抗干扰能力。