光伏电站多并网逆变器无功电压控制王鹏

光伏电站多并网逆变器无功电压控制王鹏

王鹏

特变电工新疆新能源股份有限公司新疆乌鲁木齐010000

摘要：目前，我国是经济快速发展的新时期，对电网来说，大规模光伏电站的接入，可能会引起其并网点电压波动。为了防止并网点电压越限，需要光伏电站自身具备一定的无功支撑能力。为此，在光伏电站未配备无功补偿装置时，提出了一种光伏电站三层无功电压控制策略。该策略在光伏电站并网点电压发生波动时，能够以线路损耗最小为优化目标，通过协调控制各个光伏发电单元逆变器之间的无功输出来维持并网电压在要求的范围内，从而确保电网安全稳定运行。最后，通过仿真算例验证了控制策略的准确性和可行性。

关键词：光伏电站；无功补偿；电压控制

引言

我国大部分地区的太阳能资源较为丰富，适合大规模发展太阳能光伏发电。但光伏发电规模的不断扩大给电网系统的安全运行和调度管理工作带来了诸多挑战，尤其在电网网架薄弱地区，光伏发电出力的控制和发电计划的制定难度极大。我国太阳能光伏发电具有“大规模集中开发、中高压接入”与“分散开发、低电压就地接入”并举特征，当光伏出力在区域电网中的占比大到一定比例时，就必须采取合理的管控手段进行有效调度和控制。国家电网公司最新发布的《光伏电站接入电网技术规定》中明确指出大、中型光伏并网电站必须配备有功功率自动控制系统，实现光伏电站远程有功功率自动控制，确保各光伏电站按照电网的调度要求及时完成有功功率控制。基于此，本文对某光伏发电有功自动控制系统在云南某光伏电站的实际运用情况进行了分析，旨在提高电网的安全可靠运行。

1大型光伏电站的基本原理

1．1大型光伏电站拓扑结构

以国电蒙电某40MWp光伏发电项目为例，大型光伏电站的拓扑结构示意图如图1所示。图中，ug表示光伏电站中并网逆变器实际的并网点电压，u1pcc和u2pcc分别表示送端配电站低压侧和高压侧并网公共点电压（pointofcommoncou-pling，PCC）。u1和u2分别表示受端配电站低压侧和高压侧电压。从图中可以看出，光伏电站由多组光伏发电单元组成，每组光伏发电单元分别通过各自的0．27kV/10kV升压变压器汇入10kV/110kV升压配电站，然后以110kV电压等级实现远距离高压交流输电。每组光伏发电单元由两台500kW并网逆变器组成。同时，每组光伏发电单元中光伏阵列分别通过直流侧电容连接各自的并网逆变器，然后再通过各自的LCL滤波器接入并网公共点，彼此之间仅共用并网公共点，避免了系统之间产生环流。此外，每台并网逆变器分别采用相同的结构、参数和控制策略，当一台并网逆变器出现故障时，不影响剩余各组的工作，便于对各组进行独立控制。对于一个额定功率P=40MWp的大型光伏电站，当单台并网逆变器的额定功率P1=500kW时，所需要的并网逆变器总台数即为

1.2光伏电站输出功率与电压关系

为便于分析，对图1所示的大型光伏电站结构图进行简化，可得如图2所示的光伏电站等效模型。其中，Pi+jQi为第i组光伏发电单元的输出功率；ZTi为第i组升压变压器（Ti）的等效阻抗；Zi为相邻2组光伏发电单元间的线路阻抗；Ui为第i组0.315kV/35kV升压变压器高压侧电压；UPOI为主变压器110kV侧电压，U2POI为主变压器35kV侧电压。

图1大型光伏电站结构图

图2大型光伏电站等效模型

2光伏电站无功电压控制策略

2.1调度主站有功分配策略

（１）平均分配。我国大部分光伏电站主要由容量、规格相同的光伏阵列和光伏逆变器构成，各光伏逆变器在同一时刻输出的功率差异性较小，因此光伏电站可采用平均分配策略向光伏逆变器平均分配有功功率。平均分配算法的数学模型为：Ｐｉ＝Ｐｒｅｆ／Ｎ（１）式中，Ｐｉ为光伏逆变器ｉ分配到的功率；Ｐｒｅｆ为电网调度分配的有功控制目标值；Ｎ为光伏逆变器数量。平均分配策略局限性较明显，一旦光伏电站采用不同型号的光伏逆变器、建设在不同的地域和采用不同的控制模式，就将导致各光伏逆变器输出的有功功率不同，因此平均分配策略只适用于光照分布均匀、地域偏差较小、光伏矩阵结构相同的地区电网调度。（２）装机容量比例分配。装机容量比例分配策略是根据光伏逆变器的装机容量和发电能力的大小来进行分配的。首先计算光伏逆变器的最大功率，然后计算光伏逆变器的最大有功功率与光伏电站总功率比例，即按照光伏电站中各光伏逆变器总输出、可输出的最大有功功率的比例实施分配。装机容量比例分配数学模型为：式中，Ｐｉｍａｘ为第ｉ台光伏逆变器的最大有功功率。装机容量比例分配策略可弥补平均分配策略的弊端，能结合各光伏电站的装机规模、实际出力和电网中的占比进行有功功率分配，更符合光伏电站的发展现状。

2.2光伏逆变器电压控制策略分析

在光伏逆变器参与电压调整的过程中，通过调节功率因数角发出感性无功功率进行调压，在提高逆变器容量利用率的同时，减少了线路上的无功功率传输，可以降低配电网的功率损耗和电压损失，因此光伏逆变器发出感性无功功率对电力系统中出现的节点电压越上限情况具有非常积极的作用。由此，将调整逆变器功率因数角作为光伏逆变器调压过程中的第一选择。光伏电站注入配电线路的有功功率过剩是导致节点电压越限的根本原因。虽然在逆变器功率因数约束阶段（cO段）中会牺牲光伏电站发出的部分有功功率，但可以从源头上缓解电压越限对众多电力设备及配电线路造成的严重危害。考虑到该阶段会减小光伏电站的有功出力，经济性较差，因此将削减光伏逆变器有功功率作为电压调整策略中的最后手段。本文以调整逆变器功率因数角且最大限度地避免有功功率缩减为原则，提出了一种光伏逆变器电压控制策略，其控制流程如附录中图A1所示。光伏并网后，对光伏电站接入点目标电压限值Uk，lim和逆变器最大功率因数角θmax进行设置，并对光伏逆变器的功率S、功率因数角θ和光伏电站接入点电压Uk进行监测，其中下标k为光伏接入节点号。无功功率补偿阶段：当Uk＞Uk，lim时，若逆变器的功率S未达到最大值Smax且功率因数角θ也未达到最大值θmax，则进入光伏逆变器的无功功率补偿阶段（ab段），即通过调大光伏逆变器的功率因数角θ，在不牺牲有功功率输出的情况下，发出感性无功功率进行补偿。最大功率调整阶段：当Uk＞Uk，lim时，若逆变器的功率S已达到最大值Smax而功率因数θ还未达到最大值θmax，则进入光伏逆变器的最大功率调整阶段（bc段），即调整光伏逆变器的功率因数角θ，通过牺牲有功功率输出的方式多发出无功功率QPV进行补偿。

2.3光伏发电站无功补偿最新规定

由中国电力科学研究院、国网电力科学研究院于2012年12月31日发布的标准号为GB/T29321-2012的光伏发电站无功补偿技术规范标准中，对光伏发电站接入电网等级、允许电压偏差、无功电源、电压调节方式等进行了相应规定。

结语

针对大规模光伏电站接入电网引起并网点电压波动问题，提出了一种三层无功功率控制策略。当光伏电站未配备无功补偿装置时，该策略能以站内无功损耗最小为目标对站内进行无功优化，协调控制各个光伏逆变器发出对应无功功率，从而保证在并网点电压稳定的基础上尽可能地降低损耗，大大降低了光伏电站的发电成本。最后，对提出的三层无功功率控制策略进行了仿真，仿真结果进一步验证了分析结果的合理性、准确性。

参考文献：

［1］袁建华，高厚磊，高峰.多光伏发电直流网及其控制策略［J］.电力自动化设备，2011，31（11）：8-12.

［2］邓向阳.光伏建模与并网系统电压稳定性分析［D］.乌鲁木齐：新疆大学，2011.