無功補償不足對新能源光伏接入弱電網的影響分析

王文娟

摘要：PWM整流器的四象限控制分析，電網電壓對逆變器端電壓影響，逆變器端電壓對逆變器無功控制的影響，逆變無功的控制對功角影響，進而分析光伏并網引起電網振蕩的原因，并根據分析結果提出相應的控制措施。

關鍵詞：逆變器無功控制、新能源光伏振蕩

0引言

大規模水電機組長距離重負荷送出時，由于勵磁系統快速調節，造成電力系統的低頻振蕩。光伏電站無轉子，無勵磁系統。大規模光伏弱電網接入，長距離重負荷送出時仍然發生電網振蕩。

電網結構薄弱的地區，電壓對無功的變化比較敏感。電網結構薄弱地區，長距離重功率送出時，無功的輕微變化會導致末端電壓變化很大。

根據現有實施的設計規程，接人110kV（66kV）及以上電壓等級公用電網光伏發電站，其配置的容性無功補償應能夠補償光伏發電站滿發時站內匯集線路、主變壓器的全部感性無功及光伏發電站送出線路的一半感性無功之和;其配置的感性無功容量能夠補償光伏發電站內全部充電功率及光伏發電站送出線路的一半充電無功功率之和。本文從電網無功電壓控制角度分析光伏并網振蕩原因。

一、基本介紹

（一）實例描述

薄弱地區110kV電網末端先投運裝機50MW的光伏電站1，電網運行正常，后期又投運了裝機20MW的光伏電站2，兩個光伏電站滿發時電網末端A、B站母線電壓在0.9-1.1pu內頻繁波動，頻率在50±0.2赫茲內頻繁波動。接線圖如下圖。

（二）電力系統基本知識

（三）PWM整流器四象限運行及控制

為簡化分析忽略交流側電阻側電阻，當以電網電動勢為參考時，通過控制交流電壓矢量v即可實現PWM整流器的四象限運行。若假設I不變，因此VL=IX也固定不變，在這種情況下PWM整流器交流電壓矢量v端點運動軌跡構成一個以Ix為半徑的圓，當電壓矢量短點位于軌跡A點時，電流矢量I滯后E 90°此時PWM整流器網測呈純電感特性，當位于B點時電流I與E平行同向，此時PWM整流器電網側呈正電阻特性，當位于c點時，電流I超前電電壓E 90°，此時PWM整流器電網側呈純電容性，當位于D點時，電流I與電流E平行反向，此時PWM整流器電網側呈負電阻特性。

設變流器首端電壓為Ut，電網電壓為E，換流器與交流電網之間有功傳輸為式（3），無功傳輸為式（4）

二、原因分析

水電機組勵磁系統調整的是機端電壓。在光伏發電系統中，直流經逆變器逆變轉化為交流，然后升壓并網，沒有水輪發電機勵磁系統和轉子，逆變器無功調整控制類似充當了水輪發電機的勵磁系統。逆變器交流出口側電壓類似于水輪發電機的機端電壓。

實際運行中，光伏未發電或者發電功率比較低時，光伏電站近端負荷從電網下網有功，根據式（1）運算得△U<0，逆變器出口電壓低于電網電壓，為滿足電網電壓要求，逆變器并網時向電網輸送感性功率。

光伏滿功率送出時，由于功率送出反向，根據式（1）運算得△U>0，光伏電站2在電網末端并網滿發時SVG不補償情況下110kV達123kV，逆變器出口電壓ut遠大于電網電壓E，為滿足光伏并網點電壓在合格范圍內，AVC根據目標電壓值及電壓差值向SVG及逆變器發出指令，SVG及逆變器會調整無功進而調整光伏并網點電壓接近目標值電壓。光伏電站2，通過9kM并網線路并人B站，B站又經200多公里線路并入主電網。光伏電站無功補償SVG設計時根據設計規程要求僅考慮并網線路的一半即4.5kM，而不會考慮B站并入主網的320多公里線路。

光伏滿發送出時就會出現SVG補償不足。為滿足目標電壓要求，SVG容量不足的情況下，逆變器吸收的無功量就會比較大。

光伏發電功率由0逐漸增大時，SVG及逆變器有向電網輸送感性無功逐漸變為從電網上吸收感性無功，功角由δ變大為δ如下圖所示。

變流器由發出感性無功變為吸收感性無功會使變流器出口電壓與電網電壓之間的相角δ增加。

在光伏并網運行過程中可以發現，電網振蕩一般發生在上午11時左右光伏出力逐漸增加至最大時，而下午16：00時光伏出力減少時從未發生過振蕩。

光伏電站1遇云層時，發電出力波動比較大，電網末端電壓波動比較大，SVG補償不足或者SVG調差誤差比較大時，光伏電站2逆變器檢測到的端電壓變化就會比較到大會導致變流器在吸收無功和發出無功之間頻繁波動，導致功角δ頻繁變化。 dδ/dt=w-1=2πf-1（6） 功角8變換時根據式（6）反應在電網中是某一個頻次的頻率，該頻率跟控制回路的延時有關。

三、仿真分析

三、控制措施

（一）設計階段適當擴大無功補償SVG容量，恒定并網點電壓相當于縮短并網電氣距離，提高系統的動態穩定性。

（二）弱電網接入時，光伏逆變器參數設計、調試階段要考慮并網的短路比。

（三）鎖相器回路引入相角補償，提高控制系統的阻尼。