基于逆變器控制的主動配電網臺區功率因數異常治理技術研究

黃 海 曹 瑋 吳勉宏 朱 雷 蔡德勝

（1.國網江蘇省電力有限公司南通市通州區供電分公司，江蘇南通 226000；2.南京豐道電力科技有限公司，江蘇南京 210032）

0 引言

光伏發電出力隨太陽日照強度變化而變化，具有隨機性、間歇性和波動性等特點[1]。大規模的分布式光伏發電接入后，不僅會對配電網的電壓分布、諧波以及可靠性等產生影響，而且對用戶來說會直接影響內部負荷潮流分布[2]。對于光伏并網接入用戶側的這種接入方式來說，用戶側計量關口功率因數會出現達不到考核標準的問題，用戶會在不同程度上存在力率調整電費損失情況[3]。

現階段基于無功補償設備的電能治理技術研究較多，但未充分挖掘分布式光伏逆變器的無功調節能力，調節手段較單一；基于儲能變流器的功率因數治理技術現階段投資成本較高，不適合大面積推廣。綜上所述，本文主要從配電網目前存在的問題出發，以主動配電網分布式光伏無功控制為基礎，通過挖掘逆變器無功調節能力，提出基于逆變器控制的主動配電網臺區功率因數異常治理技術拓撲，并進行了試點運行。

1 分布式光伏接入對配電網臺區功率因數的影響分析

1.1 分布式光伏并網方式

現階段，分布式光伏有3種并網方式，分別是：（1）完全自用；（2）自發自用，余電上網；（3）全部上網。“自發自用，余電上網”是一種主流接入方式，光伏發電經逆變至并網柜接入用戶側原有配電設施，當用戶負荷需求大于光伏出力時，電網電量補充；當用戶負荷需求小于光伏出力時，光伏向電網反向送電。分布式光伏通過臺區400 V系統并網發電，在臺區用戶內側400 V母線設立并網點，并設置發電計量表，用于計費補償，同時在用戶與電網的產權分界點設置雙向電能計量表，用于結算用戶的上網、用網電量電費。用戶按照此方式新增分布式光伏時通常考慮配套新增一定容量的無功補償設備，用于功率因數治理。分布式光伏發電接入配電臺區用戶側一次拓撲圖如圖1所示。

圖1 分布式光伏接入臺區用戶側典型拓撲圖

1.2 分布式光伏并網引起的功率因數影響分析

根據水利電力部、國家物價局關于《功率因數調整電費辦法》[（83）水電財字第215號]文件規定，容量在100 kVA及以上的電力用戶均需進行功率因數標準考核，如未達到考核標準將計收力率調整電費，超過考核標準的按超過比例進行獎勵[12]。按照上述規定，10 kV工業用戶功率因數應高于0.9，如果用戶功率因數低于0.9，不僅會威脅電網運行安全，而且用戶需承擔電網考核費用。

用戶關口計量表功率因數計算公式如下：

式（1）中用網關口表在計算功率因數時只計量用戶負載使用電網的有功P用網，而負載所消耗來自光伏發電的有功P光伏不參與功率因數計算；無功是采用負荷使用電網無功和上網無功的絕對值相加。由于光伏發電的存在，企業工廠用電優先使用光伏發電的電量。當分布式光伏發電量較大，用戶負載用電量較小，光伏發電不能全部被負載消納時，光伏發電會向電網倒送有功，即產生上網電量，此時用網電量P用網很小，關口表的功率因數就會降低，則會出現功率因數不達標的情況。

光伏逆變器本身具備無功吸收和補償能力，但臺區內分布式光伏較分散，無統一的協調控制系統，造成大量無功資源浪費，本文利用光伏逆變器無功調節功能，通過數據采集器與分布式光伏協調控制設備組網，使得臺區多逆變器協同參與臺區功率因數異常治理。通常，分布式光伏逆變器安裝點較分散，需在分布式光伏并網處新增數據采集器，用于采集逆變器無功功率實時值與當前運行狀態，計算無功功率可控裕度；同時，分布式光伏協調控制設備根據當前計量點有功功率、功率因數以及逆變器無功可控裕度、逆變器可控狀態等約束條件，計算逆變器總無功需求，按照等比例裕度計算每臺逆變器所需無功出力，進行光伏逆變器無功功率群控，實現對臺區側功率因數異常的治理。

2 系統架構

2.1 硬件架構

如圖2所示，在低壓側并網的分布式光伏逆變器通過數據采集器完成與分布式光伏協調控制設備的交互，分布式光伏協調控制設備直接采集臺區低壓側電壓電流，計算分配的無功功率指令實時發送給逆變器，完成臺區低壓側無功自動補償，從而實現功率因數異常治理。

圖2 硬件架構示意圖

2.2 軟件架構

如圖3所示，系統軟件架構主要分為核心策略模塊、功率分配模塊、目標值算法處理模塊、集群算法處理模塊、信息處理模塊、本地采集模塊、上行數據交換模塊以及下行數據交換模塊。其中，上行數據交換模塊負責與集控主站或監控主機數據交互，接收控制策略或人工指令；下行數據交換模塊負責無功功率遙調指令群發；本地采集模塊負責逆變器通信與電氣量采集；信息處理模塊負責將采集的數據類型轉換為統一格式；目標值算法處理負責解析集控主站或監控主機下發的指令；集群算法處理模塊負責將計算的功率分配值轉換為逆變器所識別的數據格式；功率分配模塊負責將總無功功率需求按等比例裕度分配給每一臺逆變器；核心策略模塊負責按照控制策略與實時采集數據計算功率因數合格條件下的無功需求。

圖3 系統軟件架構

3 控制策略

3.1 逆變器可控無功容量計算

分布式光伏逆變器遠程無功控制后，假設臺區內分布式光伏裝機容量為SDC，按照《光伏發電接入配電網設計規范》（GB/T 50865—2013）規定，光伏逆變器功率因數cos φ=0.95范圍內動態可調，則臺區可調無功容量為：

3.2 控制流程

分布式光伏協調控制設備就地控制初始化接收集控主站或監控主機控制模式設定及參數門限定值設置，支持多種模式選擇，在治理配電臺區功率因數異常場景下，選擇功率因數模式。其初始化與模式選擇流程圖如圖4所示。

圖4 初始化及控制模式選擇流程圖

在此模式下實時計算相關輸入量（包括電壓、無功功率或功率因數），跟進功率因數設定門限參數及逆變器無功裕度計算臺區低壓側無功功率總需求，并按照等比例裕度原則分配目標值，下發至逆變器，完成閉環調節下的首次控制，多次PID控制實現穩態精度，其控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程圖

3.3 無功控制補償策略

上述算法計算出臺區總無功需求后，將進行第一次分配調節，為提高控制精度，完成功率因數門限定值下的閉環控制，需要制訂無功功率控制補償策略。本文提出表1所示三種無功功率控制補償策略。

表1 無功功率控制補償策略

（1）不補償策略：恒功率因數模式下，無功指令就是最終計算的總的無功控制指令。

（2）PID補償策略：漸次逼近控制策略。

第一次調節，臺區無功控制指令=計算無功總需求。

第二次調節，臺區無功控制指令=上一次控制指令+（計算無功總需求-并網點無功），漸次逼近計算無功總需求。

PID補償策略適用于逆變器可快速響應的場景（響應時間毫秒級）。由于分布式光伏逆變器無功響應時間在5 s以內，可以應用；若超出5 s，可使用線損補償策略。

（3）線損補償策略：臺區總的無功控制指令=計算無功總需求+無功線損。

無功線損=全站無功設備總無功出力-并網點無功。其中，無功設備指臺區內分布式光伏逆變器。無功線損即主變壓器的無功損耗與臺區內負荷無功需求。

因此，在分布式光伏接入的主動配電網臺區進行功率因數異常治理時，為提高無功補償精度，可選用線損補償策略。

4 試驗驗證

本文基于上述方案，在容量為495 kW的分布式光伏電站進行了試點驗證，分布式光伏采用“自發自用，余電上網”模式，園區日平均工業負荷約為200 kW，在分布式光伏發電期間有少量電量上網，改造前功率因數平均0.836左右，不滿足電網要求。在采用臺區功率因數控制模式后，日功率因數平均提高至0.927。圖6中cos PCC為并網點24 h功率因數曲線，cos Average為平均值0.926 5。

圖6 現場運行數據

試驗結果顯示，基于逆變器控制的主動配電網臺區功率因數異常治理技術可以很好地解決分布式光伏接入配電網臺區引起的功率因數異常問題。

5 結語

本文針對分布式光伏接入配電網臺區引起的功率因數異常問題，設計了分布式光伏協調控制系統架構，提出利用逆變器的無功輸出能力以及功率因數控制算法來解決上述問題。充分挖掘逆變器無功潛在能力，采用基于多逆變器的無功協調分配策略參與配電臺區功率因數治理，并提出了一種基于無功損耗計算的無功功率控制補償策略以提升功率因數治理時無功補償計算精度。研究結果表明，本方案可為主動配電網臺區側提供更多的無功補償資源，切實提升臺區功率因數水平。未來可將分布式光伏協調控制設備接入調度管理系統，從全局上利用臺區無功控制能力，優化線路無功功率分布，降低線損。