光伏电站内的逆变器无功调节能力分析与控制策略研究

光伏电站内的逆变器无功调节能力分析与控制策略研究*于洋1，黄亚峰2，严干贵1，李龙1，常青云1（1.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012；2.华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206）摘要：针对光伏逆变器稳态模型，分析了不同结构逆变器运行控制特点和无功调节能力。构建逆变器电压调整模式和系统无功补偿模式的光伏电站无功控制策略，该方案在发电同时利用其本身自有无功调节能力来作为无功补偿设备的补充以减少无功补偿设备投入容量。在该方案中根据电网需求无功得出光伏电站P-λ运行关系曲线，通过验证证明该策略在满足系统无功需求的同时降低了电能损耗，增加经济效益。最后以某光伏电站实际案例搭建psat仿真对该控制策略的有效性和实用性进行了评价。关键词：逆变器；无功调节能力；电压调整；P-λ运行关系曲线中图分类号：TM464文献标识码：B文章编号：1001-1390（2014）13-0070-06ResearchontheControlStrategyofInverterReactivePowerOptimizationforPVPlantYUYang1，HUANGYa-feng2，YANGan-gui1，LILong1，CHANGQing-yun1（1.ElectricEngineeringSchoolofNortheastDianliUniversity，Jilin132012，Jilin，China.2.SchoolofElectricalandElectronicEngineering，NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing102206，China）Abstract：APVinvertersteady-statemodelisbuilttoanalyzetheoperationcontrolrelationshipofinverterandthereactivepowerregulationofdifferentstructuresinverters.Areactivepowercontrolstrategythatprioritytoreactivepowercompensationsystemmodelandconsideredwiththevoltageadjustmentmodelisgiven.PVpowerstationmakesuseofitssparereactivepowerabilityasasupplementforreactivepowercompensationequipmenttoreduceit’scapac-ity.ThecontrolstrategyofcompensatingreactivepowergridneedstoanalyzedPVpowerstationP-λcurve.Throughtheverificationverificatethatinmeetthedemandofsystemreactivepowerwhilereducethepowerlossandincreasee-conomicbenefits.BasedonaPVpowerstationoperationproceduresasimulationofpasthavebeensetuptoevaluatetheeffectivenessandpracticality.keywords：inverter，powerofreactiveregulation，voltageadjustment，P-λcurve*基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（51277024）0引言光伏发电是实现太阳能大规模开发利用的有效途径，并网逆变器作为光伏电源与电网之间能量转换与控制的接口，其性能的优劣对整个光伏发电系统至关重要［1］。对于并网逆变器，一般采用电压型全桥结构主电路，该电路与常规的静态无功补偿装置（SVG）主电路结构几乎一致也具有一定的向电网输出无功的功能。目前国内外的光伏电站逆变器基本上都是要求以功率因数为1（实际通常为大于等于0.99）方式运行，最大程度输出有功功率忽略其无功输出的能力［2］。为保证系统电压稳定和维持电网无功平衡，电网要求光伏电站内安装容量较大（约占总电站容量的10~30%）且价格昂贵的无功补偿设备，使得光伏电站前期的无功补偿投资很大。文中以电压外环电流内环控制策略为基础加入无功控制，使得光伏电站在发电的同时利用其自身的无功调节能力作为无功补偿设备的补充以减少无—07—第51卷第13期电测与仪表Vol.51No.132014年7月10日ElectricalMeasurement&InstrumentationJul.10，2014功补偿设备的投入容量，辅助其实现系统电压稳定和维持电网无功平衡。1并网光伏逆变系统稳态分析模型与无功调节能力分析1.1并网光伏逆变系统稳态分析模型图1为带LCL型滤波器的三相光伏并网逆变器拓扑结构图［3］。其中Udc为直流电压，U·inv是逆变器交流侧输出电压，Upcc是逆变器并网点电压，I·g为逆变器注入电网电流。为分析光伏逆变器无功调节能力对光伏前端做了简化，这里将光伏阵列视为一个有功功率注入源，用一个可控的直流电流源替代。这里只考虑基波分量，其余高次谐波分量忽略不计。图1简化逆变器稳态模型示意图Fig.1SchematicdiagramofsimplifiedinverterSteady-Statemodel根据park变换将三相静止坐标系下逆变器状态方程转换为两相d、q同步旋转坐标系下［4］，d轴定向于接入点电压矢量位置，d轴与电网电压矢量重合，q轴超前d轴90°。ud.pcc＝Upccuq.pcc＝{0（1）设逆变器并网电流为I·＝id+jiq，在基波正弦稳态情况下，微分项为0，d、q同步旋转坐标系下逆变器状态方程可化简为［4］：ud.inv＝Upcc（1-ω2L1Cf）-ω（L1+L2-ω2L1L2Cf）iquq.inv＝ω（L1+L2-ω2L1L2Cf）i{d（2）在基波稳态情况下LCL滤波器可以简化为配置单个L＝L1+L2滤波器分析［5］，即式（3）可简化为：ud.inv＝ud.pcc-ωLiquq.inv＝ωLi{d（3）逆变器输出的调制比和相位角度［m，δ］可表示为：m＝2Udcu2d.inv+u2槡q.invδ＝arctan（uq.invud.inv{）（4）逆变器注入系统功率表示为：P＝32ud.pccidQ＝-32ud.pcci{q（5）联立式（3）、（4）、（5），在任意给定一功率调节工况情况下，都可以根据以上代数方程组求取逆变器达到稳态运行时的电压、电流运行状态及输出的控制信息。1.2无功调节能力计算为保证逆变器电力电子器件的运行安全，允许的最大电流留有较大的裕度为额定电流有效值的10%，最大运行电流幅值Imax取槡2×1.1×IN。由最大电流约束条件有：i2d.g+i2q.g≤I2max（6）结合式（5）可得：-94U2pccI2max-P槡2≤Q≤94U2pccI2max-P槡2（7）为了保证逆变器SPWM控制的有效性和输出电压的波形质量，调制比m取最大值1时，由逆变器可逆变电压约束条件有：u2d.inv+u2q.inv≤14U2dc（8）上式结合式（3）及（4）可得：-（34UdcUpccωL）2-P槡2-32U2pccωL≤Q≤（34UdcUpccωL）2-P槡2-32U2pccωL（9）根据式（7）和式（9）可得无功调节上限Qmax和下限Qmin为：Qmin＝max（-94U2pccI2max-P槡2，-（34UdcUpccωL）2-P槡2-32U2pccωL）Qmax＝min（94U2pccI2max-P槡2，（34UdcUpccωL）2-P槡2-32U2pccωL）（10）式中UN、IN分别电网额定电压、额定电流；这里认为—17—第51卷第13期电测与仪表Vol.51No.132014年7月10日ElectricalMeasurement&InstrumentationJul.10，2014Upcc在额定条件下为UN保持不变。由式（10）可见，Udc的取值大小会对逆变器无功调节范围带来影响。1.3不同结构逆变器无功调节能力分析无功控制策略中电站需要将总的无功参考量按不同逆变器的无功功率极限（容量/裕度）合理分配到每台逆变器中，为防止无功输出越限并提高无功调节能力利用率。文中先对单级式和两极式结构光伏逆变器的无功能力极限作分析。其中逆变器功率单位1pu为500kVA。逆变器主要系统参数如表1所示。表1光伏逆变器系统参数Tab.1Theparametersofsimulationsystem参数数值电网低压侧并网点电压/UN270V额定频率50Hz额定容量/SN500kVA逆变器开关频率/fsw3.3kHz逆变器电感/L10.108mH网侧电感/L20.117mH滤波电容/Cf218μF1.3.1两级式逆变器无功输出能力分析对两极式逆变器，具有直流母线电压稳定特点，Udc值通常在450~820V范围之间。结合式（10）和表1参数给出了逆变器在不同Udc值时，随输出P变化的Q极限关系如图2所示。在Udc值大于698V时逆变器无功输出极限可以达到最大，可以作为设计逆变器和太阳能光伏方阵时的一项依据。在Udc为698V时容量500kVA逆变器Q输出最小工况约为0.4pu功率容量。图2两级式逆变器无功输出极限Fig.2Reactivepoweroutputlimitsoftwostageinverter1.3.2单级式逆变器无功输出能力分析单级式逆变器，需要通过不断调节直流母线电压大小使逆变器追踪功率运行最大点［6］，使得不同的Pm将对应一个变化的Udc，图3在25℃下Pm与Udc对应关系曲线可近似成Udc＝αtPm+βt的直线（其中αt为0.000245，βt为500），线性拟合后最大相对误差1.29%对于无功能力评估可近似忽略［7］，结合式（10）得出了单级式逆变器无功输出能力如图4所示，容量500kVA逆变器在Q输出最小工况约为0.24pu功率容量。图3Pm与Udc对应关系曲线Fig.3CurveofPmwithUdc图4单级式逆变器无功输出极限Fig.4Reactivepoweroutputlimitsofsingle-stageinverter综上，对于相同系统参数条件下，可选定直流母线电压的两级式结构的光伏逆变器较单级式具有更强的无功输出能力。2无功控制策略光伏逆变器通常采用电压外环、电流内环的双闭环解耦控制策略［4］，其无功功率参考值设为0。本文在传统双闭环控制之前加入无功控制，无功功率参考值如图5所示。无功控制策略由电压调整模式和无功补偿模式两部分组成，取代电站逆变器常规功率因数接近于1运行方式。针对在发生电网扰动、故障等情况导致电网电压跌落时，光伏电站内逆变器运行在调整电压模式，—27—第51卷第13期电测与仪表Vol.51No.132014年7月10日ElectricalMeasurement&InstrumentationJul.10，2014图5无功控制策略框图Fig.5Schematicdiagramofreactivepowercontrolstrategy以追踪给定接入点电压为目标，总的无功调节参考值由电压偏差经过PI控制器来确定。正常运行时，电站以补偿系统所需的无功为目标，构造符合电站经济效益运行的P-λ功率因数关系曲线并运行，其中λ为逆变器运行功率因数。总的无功调节参考值由这一时刻电站有功出力对应的P-λ关系曲线来确定。P-λ功率因数曲线获得可由以下步骤：（1）根据实际光伏电站运行规程用模拟搭建仿真平台对系统潮流做预算；（2）通过预算得出光伏电站每一有功出力工况下系统所需的无功总量，对应得出电站不同有功出力工况下的功率因数P-λ关系曲线；（3）根据实际电路情况对预算得出的功率因数P-λ关系曲线进行微调和修正。电站进行无功分