光伏電站多源無功電壓控制新技術研究

馬以濤

（國網新疆綜合能源服務有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

隨著當前全球環境危機日益加劇，傳統能源日漸枯寂，積極探索、大力發展再生能源成了人類命運共同體推進生態環境保護的共同目標，可再生能源發電即將成為未來電力產業高質量發展的必然性趨勢。歐洲專家在未來電力發展中提出，2050年整個歐洲大陸及北非部分地區按照技術路線規劃推進可再生能源發電量達100%；美國設立的可再生能源實驗室同樣提出，在2050年全美新能源發電量將達到80%的目標；可再生能源發展相關報告指出，到2050年，我國將實現60%電力來自可再生能源。充分利用自然光發電作為可再生清潔能源發電技術之一，將來光伏發電尤其是分布式光伏發電將會迅猛發展[1,2]。

太陽能光伏發電系統通常使用的發電并網技術形式有2種，一種是通過高壓線路直接并入電網，另一種則是經低壓線路接入配電網，也就是分布式光伏發電系統。鑒于當前空間布局有限以及集中式光伏發電站在設計布局、建設施工等方面的不便之處，分布式光伏發電站應運而生[3]。

引入分布式光伏發電技術使用相比發現，不僅可節約土地資源，還可有效降低能耗損失，但并入電網時會對原有配電網絡系統造成一定影響。通過研究分布式發電并網無功電壓（Automatic Voltage Control，AVC）控制發現，分布式光伏發電技術推廣使用具有十分重要的意義[4]。

1 光伏電站多源無功電壓波動原理分析

當配電網中的電壓受到分布式潮流影響時，電力網絡系統中的電源輸送功率和承載負荷發生變化，造成輸配電網母線上每一個電載節點出現電壓波動[5]。分布式光伏發電進入輸配式電網后，發電量除了傳統影響因素外，還受光照強度、光照時間、季節溫度等自然因素影響，進而引起配電網中電壓波動。

通常情況下，配電網并網中公共連接點受分布式光伏系統的沖擊性最大。日常分析計算中，分布式太陽能發電站逆變器功率因子的變化在正負0.95之間，但為了簡化計算、更好分析，往往在電壓波動分析中將近似功率變化因子忽略不計，視為無功率因素影響。

由于分布式光伏發電輸出的最大功率會受自然因素影響，接入并電網系統后，電壓波動現象較為明顯[6]。若瞬時輸出功率P0與額定功率P的比為η，距離母線第k個節點lk處的電壓波動為d，則有

式中：Ri為母線電阻；Pk為第k個節點lk處的功率；UN為波動電壓。

假設抗阻比為KZ，離饋線的等值阻抗為

如果分布式光伏發電系統的電源側母線阻抗忽略不計，那么距離母線第k個節點lk處的短路容量Slk可似為

通過式（1）和式（3）計算可得

從式（4）可看出，電壓波動受分布式光伏發電輸出功率波動值、功率因數、距離母線的長度、抗阻比和短路容量等因素的影響[7]。由于單位功率因數直接控制著光伏發電站發電電源，電源功率變化視為有功功率變化，確保饋線中阻抗角比維持恒定。綜上分析下來，光伏發電系統中配電網絡系統的電壓波動主要受光伏發電站發電功率變化和元器件短路容量的影響[8]。

2 光伏電站多源無功電壓當前所具備的控制模式

根據光伏電站的實際運行狀況，當前的控制模式主要有發電檢修模式、SVG檢修模式及經濟運行模式3大類，每種控制模式都具有各自的特點，其詳細情況如下文所述[9]。

第1種為發電檢修模式，光伏發電站逆變器的運行狀態在功率執行站能條件下可實現實時監測，當光伏發電站部分光伏逆變器由于檢修原因致使離線時，為了確保光伏發電站在發電檢修過程中無功電壓可持續性，功率執行站能開展智能識別，這出現無功可調節裕度。

第2種為SVG檢修模式，光伏發電站的功率執行站能可時時監測到SVG的運行狀態，當出現故障檢修SVG設備而離線時，逆變器僅作為功率執行站的無功電壓調節對象；若SVG實現重新上線，SVG檢修模式可以自動切換到經濟實用型模式。

第3種為經濟實用型模式，光伏發電站在正常發電情況下，功率執行站會優先把逆變器當作是場站內的無功電壓調節對象，有效降低SVG的運行耗損同時，SVG作為光伏發電站的容量補充，充分體現出了光伏電站的經濟實用性。

3 光伏電站多源無功電壓控制策略

3.1 優化光伏電站多源無功電壓控制模式

光伏電站多源無功電壓波動原理分析中已闡述，電壓波動受分布式光伏發電輸出功率波動值、功率因數、距離母線的長度、抗阻比和短路容量等因素的影響，然而受到影響最大的因素還是發電功率變化和元器件短路容量。因此，分布式光伏逆變器具有發出無功條件及參與光伏發電網絡電壓控制的能力[10]。

容性及感性無功對光伏發電網電壓升降有著決定性作用。無功大小決定電壓升降幅度，分布式光伏發電站的每一個組成部分都是一個受控對象，并網節點電壓受逆變器發出的無功調節，使其電壓運行滿足配電網要求。根據分布式光伏電站的固有特性，有恒無功、恒功率因數、恒電壓控制著并網節點無功電壓。綜上所述，恒功率因數控制光伏電站多源無功電壓更有效[11]。并網點不同，電壓變化幅值不一樣，同一電壓目標值也不可能適宜所有并網節點，具體情況還需要具體分析，恒無功也是同樣的道理。

然而，恒功率因素與恒無功、恒電壓的受控因素雖然不一樣，但對輸配電網、終端用戶、多點分布式光伏電源同樣是重要影響參數，密切影響著有無功。確定分布式光伏發電站輸配電網其中一個調節目標時，則可根據某一有功瞬時調整，確定某一發電單元的無功大小，并將這一無功大小目標值控制在一個合理范圍，確保滿足分布式光伏發電站輸配電網的要求。即使分布式光伏發電電源處于非工作狀態時，也可切換到恒無功模式發出無功，以支撐輸配電網電壓，確保實現多無功控制[12]。

3.2 強化光伏電站多源無功電壓網絡控制

模塊化設計分布式光伏發電并網逆變器控制框如圖1所示。圖中：Q1代表光伏發電無功出力；P1代表實際有功出力；Q2代表PV逆變器無功出力參考值；P2代表PV逆變器的有功出力參考值。通過圖1中鎖相環反饋控制所示，PV逆變器與光伏發電配電網實現同步運行；在最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）光伏控制器模塊的作用下，PV逆變器可實現發電效率最大化。若最大有功與PV逆變器有功參考值P2等效，則無功功率環時時定期跟蹤，確保PV逆變器無功功率參考值為Q2，實現數據值確定。

圖1 分布式光伏發電并網模式下PV逆變器的控制模型

3.3 光伏電站多源無功電壓控制下的智能化管理

為了確保光伏電站多源無功電壓控制更加精準、高效、有序，在光伏電站的設計和建設過程，同步將智能化系統植入到光伏電站多源無功電壓控制調節系統中，既可以實現光伏電站多源無功電壓控制的智能化管理，也可以對其系統進行故障檢測、判斷、排除。一方面，當光伏電站進入運行階段后，通過前端工況運行情況的信息反饋到系統，系統根據數形模擬作出判斷，并將指令發到圖1中的MPPT光伏控制器模塊或DC模塊，讓分布式光伏發電并網模式下PV逆變器實現智能化控制管理；另一方面，當系統出現故障時，智能化系統通過自動檢測發出報警信號或者亮紅燈提醒，并將故障信號反饋到發電站的現場管理人員，現場管理人員根據報警信號或者紅燈提示信號對其故障作出快速判斷，及時對其故障排除。

4 結 論

綜合分析電源輸出功率波動值、功率因數、距離母線的長度、抗阻比和短路容量等因素可知：受到影響最大的因素是發電功率變化和元器件短路容量；綜合分析并網節點無功電壓控制的恒無功、恒功率因數、恒電壓3大要素，其中恒功率因數控制光伏電站多源無功電壓更加有效；MPPT光伏控制器模塊的作用下，PV逆變器可實現發電效率最大化；若最大有功與PV逆變器有功參考值P2等效，則無功功率環時時定期跟蹤，確保PV逆變器無功功率參考值為Q2，實現數據值確定。