直接功率控制策略在光伏無功補償中的應用

李晨華

摘要：本文分析了基于直接功率控制光伏并網逆變器的三種無功補償工作模式。利用直接功率控制策略具有快速功率控制響應的特點，提出了光伏并網逆變器實現并網發電與無功補償功能相結合的工作模式。實現了并網逆變器的多功能使用，不僅可以并網發電，而且可以改善電網的電能質量，提高設備的利用率。利用Matlab/Simulink仿真驗證了該理論的正確性。

關鍵詞：光伏并網，直接功率控制，無功補償

0引言

目前，大多數光伏發電系統的無功補償通過安裝無功補償裝置來實現，這種方式雖然可以達到無功補償目的，但提高了光伏發電成本，增加了控制難度。本文的光伏發電系統所采用的逆變器為三相橋式逆變電路，其電路拓撲結構與三橋臂靜止無功功率發生器（SVG）的主電路結構相同。因此，可以采用適當的控制策略可實現光伏發電并網與無功補償兩種功能相結合，不僅能提高電網運行質量，并能節省無功補償裝置的費用。

采用直接功率控制的光伏并網逆變器可以通過分別調節有功和無功功率的給定，快速改變并網系統的輸出功率。因此本文研究了基于直接功率控制的光伏發電系統的無功補償工作模式：當光照充足時，光伏發電系統可以在發出有功功率的同時產生一定的無功功率，對電網進行補償，將并網發電和無功補償兩種功能相結合;夜間或當光照強度很低時，仍能根據電網要求為電網饋送無功功率。鑒于光伏并網直接功率控制逆變器可以實現對有功功率和無功功率控制有效控制的特性，能夠有效提高設備的利用效率，節省購置補償設備的成本[1]。

1無功補償的意義和方式

1.1 無功補償的目的和意義

隨著我國的經濟發展，電力工業的不斷壯大，對電網中無功的要求也越來越高。無功電源和有功電源同樣成為電力系統中不和或缺的一部分，是減少電網損耗、提高電能質量以及保障系統安全運行的關鍵部分。電網中無功功率分布不平衡會引起電網電壓的波動，嚴重情況下將損壞電力設備，造成電網電壓崩潰等嚴重事故。

電力系統中的存在著大量的無功負荷，如變壓器、電力線路和用戶用電設備等。這些無功負荷所需的無功功率如果通過系統長距離輸送將會增大線路損耗，降低系統的功率因數;反之不及時補償負荷所需的無功功率將會危及電力系統的運行安全，減少電力設備的使用壽命。所以，無功補償對于電網以及電力設備安全穩定經濟的運行有十分重要的意義，歸納可得出以下幾點[2]：

①保障電力系統的無功平衡和無功穩定;

②可以優化電力系統運行，提高電力系統穩定性;

③提高系統功率因數，改善電網電能質量;

④減少線路損耗，延長設備使用壽命，提高經濟效益。

1.2 光伏電站無功補償配置

根據功率因數的定義，光伏電站的功率因數（PF）可由發電站的輸出總有功功率與總無功功率計算而得，其計算公式為：

式中—電站輸出總有功功率;

Q—電站輸出總無功功率。

小型光伏發電站的輸出有功功率在額定功率的20%到50%之間，其功率因數不能低0.95;當輸出有功功率大于額定功率的50%時，其功率因數不能低于0.98。

陰雨天氣光照強度不足時，整個光伏電站輕載運行，線路的充電功率大于系統所需，光伏電站發電系統呈容性，需要大量的感性無功補償;光照充沛時，光伏發電站重載，送出系統需要配置一定數量的容性無功補償裝置來補償電站中的無功需求，穩定系統的電壓。

一般條件下，光伏電站的無功補償裝置配置主要為以下原則[3]：

①在光伏電站無升壓變壓器時，在匯集變電站處安裝;有升壓變壓器時，在其低壓側安裝。

②增加動態無功補償裝置，能夠減少并網后由電流波動造成的網側電壓不穩定，增加線路輸送電能容量，改善電壓與系統穩定性。

③增加裝置后，不能夠對正常電網運行造成不良影響，同時能滿足控制要求。

1.3 常用無功補償設備

電力系統中，早期的無功補償裝置有電力電容器和同步調相機。電力電容器由于其安裝、維護、運行都比較簡單，是配電網中應用最廣泛的無功補償設備。同步調相機的結構與同步電動機基本相同，轉軸不帶機械負載，可以向電力系統提供或吸收感性無功功率。當同步調相機欠勵磁運行時，從電網吸收感性無功;過勵磁運行時，向電網發出感性無功。但由于其是一種旋轉機械，運行維護成本高，功率損耗較大，雖然同步調相機在有些地方還在使用，但已逐漸被其他無功補償裝置所淘汰。

靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）隨著電力電子技術的發展應運而生，并得到了廣泛應用。靜止無功補償器是一種利用晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器或兩種裝置混合，可以發出或吸收無功功率。SVC主要使用電力電子器件實現投切和調節功能，相比于同步調相機及電力電容器，SVC有運行維護成本低，響應速度快，噪音小，調節能力好等優點。因此，靜止無功補償器被廣泛使用，而且頗具發展潛力。

靜止無功功率發生器（Static Var Generation，SVG）的主體是電力電子器件組成的電壓源型橋式逆變器，交流側通過電抗器并聯在電網上，可以靈活控制橋式電路網側輸出電壓的相位和幅值，也可以通過控制其并網電流，使其可以工作在發出感性或容性無功的工作狀態。SVG是一種更加先進的靜止型無功補償裝置，相比于SVC具有更寬的運行范圍和快速的響應速度，還有一個特點，即能夠電壓較低時向電網注入無功電流。因此SVG的輸出性能非常優越[4]。

5.2 基于直接功率控制的光伏并系統無功補償模式

本文光伏并網逆變器所采用的為三相電壓型全橋逆變器，其電路拓撲結構與三橋臂電壓型橋式靜止無功功率發生器（SVG）的主電路結構相同。因此，可以考慮采用適當的控制策略可實現光伏發電并網與無功補償兩種功能相結合。采用直接功率控制策略，實現了光伏并網系統輸出有功和無功功率的快速跟蹤和靈活的控制，無需增加其他復雜的算法，就可以使得光伏并網逆變器工作在無功補償模式，不僅能提高設備運行效率，并能節省添置無功補償裝置的費用，降低發電成本。根據外部環境條件和負載的不同，得到以下三種無功補償工作模式：

①白天補償本地負載工作模式。本地擁有感性或容性負載，需要消耗一定的感性或容性無功功率。白天光照充足時，光伏并網系統發出有功和無功功率滿足本地負載的消耗，無功功率實現自給自足，并將多余的有功功率饋送電網，實現光伏系統的單位功率因數運行。

②夜間補償本地負載工作模式。本地擁有感性或容性負載，夜間或光照強度較低時，光伏電池輸出的有功功率無法滿足并網要求，可以斷開DC-DC變換器與直流側電容的連接。使直流側電容與全橋變換器構成補償電路，繼續發送無功補償本地負載，本地負載所消耗的有功功率由電網提供。以上兩種統稱為補償本地負載工作模式，光伏并網系統補償本地負載無功功率工作模式如圖1所示。

圖中ia、ib、ic，分別為逆變器的輸出電流，iLa、iLb、iLc為負載電流，iga、igb、igc為電網電流。根據瞬時功率理論可以得到補償無功功率的計算公式：

式中為需要補償的無功功率，和分別為電網電壓在兩相靜止坐標系中α和β分量，和分別為負荷電流在兩相靜止坐標系中α和β分量。根據式（2）計算本地負載的瞬時無功功率，從而調整逆變器的無功功率給定qref，使光伏并網系統在輸出有功功率的同時，發出無功功率補償本地負載，保證單位功率因數并網。

③無功功率輸送電網工作模式。無論白天或黑夜，光伏并網系統都可以根據電網的需要為電網提供超前或滯后的無功功率。該工作方式只需將無功功率給定調節為電網所需的無功功率指令即可。

光伏并網系統的無功補償能力受到逆變器容量的限制，無功補償能力取決于逆變器的容量和光伏電池所發的有功功率，其關系可以表示為：

式中為最大無功補償能力，Smax為并網逆變器的容量;P為逆變器輸出的有功功率。

5.3 仿真驗證

在前文理論分析的基礎上，利用Matlab進行仿真驗證。在Simulink下根據建立了基于直接功率控制的兩級式光伏逆變并網系統仿真模型。在標準條件下（光照強度S=1kW/m2，溫度T=25℃），光伏陣列模型最大功率點功率為4000W，最大功率點工電壓為283.2V。

3.1 白天補償本地負載模式

光伏陣列在光照強度S=1kW/m2，溫度T=25℃，本地采用阻感負載，負載參數為PL=2000W，QL=2000Var。開始運行時光伏并網系統不提供無功補償，0.4s時突給無功補償指令。仿真結果如圖3所示。

如圖3所示，光伏并網系統未補償無功功率時，逆變器輸出電流ia與電網電壓ea同相位，光伏并網系統僅發出有功功率。此時阻感負載所消耗的有功功率和無功功率分別由光伏系統和電網提供。0.4s突給無功補償指令以后，補償之后的電網電流iga和電網電壓ea同相位，并網電流不含無功分量，光伏系統發出2000Var無功功率全部用于補償本地負載。此時光伏系統為本地負載提供所消耗有功功率和無功功率，并且將多余的電能饋送電網，并實現了單位功率因數并網。

3.2 夜間補償本地負載模式

光伏陣列在光照強度S=0W/m2，溫度T=25℃，本地采用阻感負載PL=2000W，QL=2000Var，系統開始運行時不接入無功補償，0.4s時突給無功補償指令。仿真結果如圖4所示。

夜間由于無光照，在沒給無功補償指令前，光伏系統即不發出有功功率，也不進行無功補償。本地負載完全由電網供電，光伏系統處于閑置狀態。0.4s給定無功補償指令之后，光伏系統計算本地負載消耗的無功功率并給予補償。從圖5.3可以看出，0.4s后，電網電流iga與電網電壓ea相位相差180度，電網只為負載提供有功功率。逆變器輸出電流ia滯后電網電壓ea近90度，完全補償負載的無功功率。

3.3 無功功率輸送電網模式

設定光照強度S=1kW/m2，溫度T=25℃，無本地負載，開始運行時無功功率給定為qref=﹣2000Var，光伏并網系統產生容性無功功率，穩定運行一段時間后，0.4秒無功功率給定變為qref=2000Var，光伏并網系統產生感性無功功率。仿真結果如圖5所示。

如圖5所示，0.4s之前，無功功率給定為qref=﹣2000Var，光伏并網逆變器發出超前無功。由于沒有本地負載，逆變器輸出電流ia等于電網電流iga，相位超前電網電壓，電流波形保持了很好的正弦性。0.4s時，無功功率給定發生跳變qref=2000Var，光伏并網系統發出滯后無功，電網電流相位滯后電網電壓。經過非常短的暫態過程后重新達到穩定。電流的幅值和頻率沒有改變，僅僅相位發生變動。無功功率跳變時，有功功率幾乎保持不變，說明光伏并網系統無功補償不會干擾有功功率的饋送。

4小結

本文介紹了光伏電站無功補償原則以及常用的無功補償設備。提出了光伏并網系統基于瞬時功率計算的直接功率控制無功補償方法。該方法可以實現光伏并網發電與無功補償相結合的功能。重點研究了光伏并網系統直接功率控制下的三種工作模式。仿真結果表明：采用直接功率控制策略的光伏并網系統可以通過實時檢測負載電流和系統電壓或直接給定無功指令，來控制系統發出相應無功功率。對無功功率和有功功率實現了解耦控制，在逆變器的容量允許范圍內，系統的無功補償并沒有停止或者改變系統有功的輸送，無功補償也不受有功功率輸送變化的影響。夜間或當光照強度很低時，系統仍能發出無功功率，因此提高了整個系統的利用率。

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