无功补偿不足对新能源光伏接入弱电网的影响分析

王文娟

摘要：PWM整流器的四象限控制分析，电网电压对逆变器端电压影响，逆变器端电压对逆变器无功控制的影响，逆变无功的控制对功角影响，进而分析光伏并网引起电网振荡的原因，并根据分析结果提出相应的控制措施。

关键词：逆变器无功控制、新能源光伏振荡

0引言

大规模水电机组长距离重负荷送出时，由于励磁系统快速调节，造成电力系统的低频振荡。光伏电站无转子，无励磁系统。大规模光伏弱电网接入，长距离重负荷送出时仍然发生电网振荡。

电网结构薄弱的地区，电压对无功的变化比较敏感。电网结构薄弱地区，长距离重功率送出时，无功的轻微变化会导致末端电压变化很大。

根据现有实施的设计规程，接人110kV（66kV）及以上电压等级公用电网光伏发电站，其配置的容性无功补偿应能够补偿光伏发电站满发时站内汇集线路、主变压器的全部感性无功及光伏发电站送出线路的一半感性无功之和;其配置的感性无功容量能够补偿光伏发电站内全部充电功率及光伏发电站送出线路的一半充电无功功率之和。本文从电网无功电压控制角度分析光伏并网振荡原因。

一、基本介绍

（一）实例描述

薄弱地区110kV电网末端先投运装机50MW的光伏电站1，电网运行正常，后期又投运了装机20MW的光伏电站2，两个光伏电站满发时电网末端A、B站母线电压在0.9-1.1pu内频繁波动，频率在50±0.2赫兹内频繁波动。接线图如下图。

（二）电力系统基本知识

（三）PWM整流器四象限运行及控制

为简化分析忽略交流侧电阻侧电阻，当以电网电动势为参考时，通过控制交流电压矢量v即可实现PWM整流器的四象限运行。若假设I不变，因此VL=IX也固定不变，在这种情况下PWM整流器交流电压矢量v端点运动轨迹构成一个以Ix为半径的圆，当电压矢量短点位于轨迹A点时，电流矢量I滞后E 90°此时PWM整流器网测呈纯电感特性，当位于B点时电流I与E平行同向，此时PWM整流器电网侧呈正电阻特性，当位于c点时，电流I超前电电压E 90°，此时PWM整流器电网侧呈纯电容性，当位于D点时，电流I与电流E平行反向，此时PWM整流器电网侧呈负电阻特性。

设变流器首端电压为Ut，电网电压为E，换流器与交流电网之间有功传输为式（3），无功传输为式（4）

二、原因分析

水电机组励磁系统调整的是机端电压。在光伏发电系统中，直流经逆变器逆变转化为交流，然后升压并网，没有水轮发电机励磁系统和转子，逆变器无功调整控制类似充当了水轮发电机的励磁系统。逆变器交流出口侧电压类似于水轮发电机的机端电压。

实际运行中，光伏未发电或者发电功率比较低时，光伏电站近端负荷从电网下网有功，根据式（1）运算得△U<0，逆变器出口电压低于电网电压，为满足电网电压要求，逆变器并网时向电网输送感性功率。

光伏满功率送出时，由于功率送出反向，根据式（1）运算得△U>0，光伏电站2在电网末端并网满发时SVG不补偿情况下110kV达123kV，逆变器出口电压ut远大于电网电压E，为满足光伏并网点电压在合格范围内，AVC根据目标电压值及电压差值向SVG及逆变器发出指令，SVG及逆变器会调整无功进而调整光伏并网点电压接近目标值电压。光伏电站2，通过9kM并网线路并人B站，B站又经200多公里线路并入主电網。光伏电站无功补偿SVG设计时根据设计规程要求仅考虑并网线路的一半即4.5kM，而不会考虑B站并入主网的320多公里线路。

光伏满发送出时就会出现SVG补偿不足。为满足目标电压要求，SVG容量不足的情况下，逆变器吸收的无功量就会比较大。

光伏发电功率由0逐渐增大时，SVG及逆变器有向电网输送感性无功逐渐变为从电网上吸收感性无功，功角由δ变大为δ如下图所示。

变流器由发出感性无功变为吸收感性无功会使变流器出口电压与电网电压之间的相角δ增加。

在光伏并网运行过程中可以发现，电网振荡一般发生在上午11时左右光伏出力逐渐增加至最大时，而下午16：00时光伏出力减少时从未发生过振荡。

光伏电站1遇云层时，发电出力波动比较大，电网末端电压波动比较大，SVG补偿不足或者SVG调差误差比较大时，光伏电站2逆变器检测到的端电压变化就会比较到大会导致变流器在吸收无功和发出无功之间频繁波动，导致功角δ频繁变化。 dδ/dt=w-1=2πf-1（6） 功角8变换时根据式（6）反应在电网中是某一个频次的频率，该频率跟控制回路的延时有关。

三、仿真分析

三、控制措施

（一）设计阶段适当扩大无功补偿SVG容量，恒定并网点电压相当于缩短并网电气距离，提高系统的动态稳定性。

（二）弱电网接入时，光伏逆变器参数设计、调试阶段要考虑并网的短路比。

（三）锁相器回路引入相角补偿，提高控制系统的阻尼。