光伏并網發電的功率補償控制研究

王航空 劉雄新 強兆峰

五冶集團上海有限公司

光伏并網發電的功率補償控制研究

王航空 劉雄新 強兆峰

五冶集團上海有限公司

隨著全球可再生能源的不斷發展，太陽能已經成為可再生能源的重要組成部分，光伏發電技術方面的研究也越來越深入。光伏并網發電系統通過光伏陣列和并網逆變器實現功率傳輸，傳輸電網的功率與光伏發電的拓撲結構、逆變器控制、最大功率點跟蹤(MPPT)等有關，基于此，本文將著重分析探討光伏并網發電的功率補償控制，以期能為以后的實際工作起到一定的借鑒作用。

光伏并網；發電；功率補償

1 、光伏并網發電系統概述

太陽電池的光伏特性是制約光伏發電效率的主要原因，由于受到光照、溫度和負載的影響，太陽電池的輸出特性表現為非線性模式，光伏電池可以在不同的輸出電壓下工作，但對應的輸出功率有所不同，這里對應存在最大功率點(maximum power point，MPP)。通過測量短路電流，并假設短路電流和最大功率點電流成比例關系，得到最大功率點電壓的方法為短路電流法，其不足在于測量短路電流過程中會造成能量的損耗；恒定電壓跟蹤法根據理論計算得到最大功率點，具有結構簡單的特點，但是存在環境變化后不能做到實時變化的缺點；擾動觀察法作為常用的最大功率輸出點跟蹤控制方法，其原理是通過改變占空比，調整輸出功率實現最大功率的逼近，具有較好的實時性，結構也比較簡單，但是在步長調整過程中，存在步長確定困難的問題；增量電導法的原理與擾動觀察法相似，不同點在于增量電導法是通過判斷電壓變化率即電壓變化曲線斜率來調整占空比，實現最大功率點跟蹤，該方法需要引入微分，造成控制算法的復雜性，對硬件要求較高。

2 、光伏陣列的最大功率點跟蹤

光伏陣列是光伏并網發電系統的重要組成部分，其輸出特性易受太陽光輻射度、光伏陣列工作溫度等自然環境的影響，呈強烈的非線性特性。在一定的太陽光輻射度與工作溫度下，光伏陣列根據不同的負載值運行在不同的工作點上。只有當光伏陣列運行在某一特定的工作點時，光伏陣列輸出的功率才會到達最大，該工作點稱為最大工作點(Maximum Power Point，MPP)。為了使光伏陣列最大限度的輸出能量，就必須根據外部環境的不同而實時變化光伏陣列的工作點，保證使其最大限度的接近最大工作點，這就是最大功率跟蹤(MPPT)。由于光伏電池可以看作電流源，光伏板發出的功率與輸出電壓有關，通過PWM調節BOOST斬波電路的占空比可以實現電壓的調節，進而找到最大功率點。單個光伏電池可以等效為1個理想電流源Isc與二極管D的并聯，考慮到光伏電池本身產生的損耗和受天氣的影響，其等效模型需要并聯1個電阻Rp，串聯1個電阻Rs。假設光伏陣列中并聯的光伏電池板有Np個，串聯的光伏電池板有Ns個，則光伏陣列的等效電路圖如圖1所示。

3 、工程實例分析

3.1 工程概述

本文以常熟達涅利3MW分布式光伏示范項目為例加以分析說明，常熟達涅利冶金設備有限公司主要從事開發、生產冶金用設備和配件、液壓系統及電氣和自動化系統，其使用設備含有退火爐等非線性設備，工作時會產生一定量的諧波，對電網及自身設備產生危害。該廠原有兩臺1.6MVA變壓器和兩臺1.0MVA變壓器(其中一臺1.0MVA變壓器處于停用狀態)。

3.2 功率補償控制

圖1 光伏陣列的等效電路圖

從相關的評估的數據中我們發現新設3MWp光伏發電項目的諧波類型主要為三次，五次，七次，十一次，十三次諧波，雖然現有評估值諧波數值沒有超過國標值，但使用的四臺升壓變壓器自身空載需要消耗一定量的無功，夜間使用時會造成光伏發電系統一次側的功率因數偏低，為了避免造成整個系統功率因數低于0.9被罰款和造成變壓器自身的損耗，故需要對光伏發電站升壓變壓器低壓側進行額外的無功補償措施。

從評估數值看，新增的六臺光伏發電逆變器諧波數值沒有超標，如上所述，為了避免造成系統功率因數低而被罰款和對變壓器過渡損耗，故需要對光伏發電站升壓變壓器低壓側進行額外的無功補償措施，根據以往經驗純電容補償會造成系統諧波放大，有發生串并聯諧振的隱患，故此次無功補償方案建議使用采用調諧濾波的形式進行無功補償，即調諧電容器串6%的電抗器的形式。

無功補償量：

變壓器無功損耗計算如下：

其中：△Q--變壓器實際無功消耗(kvar)；Pn--變壓器空載損耗(kW)；Q0--變壓器空載勵磁功率(kvar)；P--變壓器負載有功功率(kW)；QS--變壓器實際勵磁功率(kvar)；Q--變壓器負載無功功率(kvar)；I0%--變壓器空載電流%；U--變壓器額定電壓(kV)；Sn--變壓器額定容量(kVA)；Xβ--變壓器感抗(kΩ)。

0.5 MVA變壓器，已知：I0%=0.8，Pn=2kW，Sn=0.5MVA由上述變壓器空載無功損耗公式可計算得出：Q0=√12=3.5kvar。

1MVA變壓器，已知：I0%=0.8，Pn=2kW，Sn=1MVA由上述變壓器空載無功損耗公式可計算得出：Q0=√60=7.7kvar。

最終方案是每臺變壓器給補的無功額定容量是20kvar，輸出容量為14kvar，這樣晚上變壓器空載情況下時形成一點過補狀態，不會有串并聯諧振隱患，白天逆變器工作時，每臺逆變器功率因數為0.98，補到1的情況下需要101kvar無功量，故白天無功補償裝置投運后系統的功率因數是小于1的也不會產生串并聯諧振。

總而言之，太陽能作為一種再生能源，具有清潔性、可再生性和經濟性等特點，得到廣泛的應用。太陽能利用主要分為光伏、光熱和光化利用，其原理是一種能量轉換過程。其中光伏發電是將太陽能轉換成電能進行傳輸和使用，是一種新的發電模式，具有結構簡單、清潔安全和維護方便的特點。這就要求我們在以后的實際工作中必須對其進行進一步探究應用。

[1]邱培春.光伏并網發電的功率平抑控制[D].北京交通大學，2010.

[2]郭佳.光伏并網發電和無功補償綜合控制技術研究[D].河北工業大學，2013.