分布式光伏发电并网无功电压控制策略

王 刚

（新华水力发电有限公司，北京 100071）

0 引 言

随着社会生产活动的逐步发展，人们赖以生存的环境正在日渐恶化，化石能源的枯竭使得可再生能源的开发利用得到了大力推广。而在众多的可再生能源技术中，太阳能光伏发电技术不仅不会造成任何额外的污染，而且清洁低碳甚至零碳，这使得太阳能光伏发电技术已经成为了人类寄予厚望的清洁能源技术之一。在太阳能光伏发电技术的使用过程中，其并网的形式主要有两种，分别为经高压线路直接接入电网和经低压线路接入配电网，第二种方式就是本文研究的分布式光伏发电系统。分布式光伏发电这一技术的应用，不仅能节省土地资源，而且可以减少能量损耗，但其接入电网却会对原配电网产生一定的影响，而研究分布式光伏发电并网的无功电压控制，对光伏发电的推广应用具有非常重要的意义[1-3]。

1 分布式光伏并网系统的情况

1.1 光伏发电系统的分类

1.1.1 单级式光伏并网系统

单级式光伏并网系统结构包括由多组光伏电池进行串并联组成的具备一定输出功率的光伏阵列、无源滤波器、直流母线稳压电容以及直流/交流逆变电路，如图1所示。在实际工作中，当阳光照射到光伏阵列上时就会按照光生伏特效应产生电动势，进而使直流/交流逆变电路中的直流侧电压幅值满足直流/交流逆变器的需求，产生符合要求的直流电压，并且通过逆变器的逆变形成三相交流电流[4]。在这个过程中，通过直流/交流逆变器进行逆变完成的三相交流电流中含有大量的谐波，因此还需要将三相交流电流通过无源滤波器进行过滤后才能并入电网。在单级式光伏并网系统中，由于其仅有一套直流/交流转换装置，使得单级式光伏并网系统具备了结构简单和能量损耗低等多种优点。但是，单级式光伏并网系统中的最大功率跟踪控制、电网电压同步等许多功能都需要通过直流/交流能量转换环节进行，因此导致单级式光伏并网系统的操作相对复杂，一般只有大型的光伏电站才会选择采用单级式光伏并网系统。

图1 单级式光伏并网系统

1.1.2 双级式光伏并网系统

相对于单级式光伏并网系统而言，双级式光伏并网系统中安装了一套升压斩波电路，由升压斩波电路与直流/交流逆变电路组成了双级式的光伏并网逆变器。在工作过程中，光伏阵列输出的直流电压将会经由升压斩波电路进行升压，随后将升压完成的直流电送入直流/交流逆变电路中，将直流电转化成为交流电，最后经由无源滤波器清除电能中的谐波，再将电能并入电网中。虽然双级式光伏并网系统的能量损耗相对于单级式光伏并网系统更大，但在双级式光伏并网系统中，借助升压斩波电路不仅能够将直流电压进行稳定提升，还能够实现最大功率跟踪控制，而电能的并网控制与对直流母线电压的控制则可以通过直流/交流逆变环节独立完成，从而使整个逆变器的控制更加灵敏快捷[5]。在分布式光伏并网系统的运行过程中，由于其对逆变器的控制要求相对较高，这也使得许多的分布式光伏并网都会采用双级式系统进行运作。

1.2 光伏发电原理情况

1.2.1 光伏电池的原理与基本特性

光伏电池是一种将光能转化成为电能的光电器件，其工作原理基于物理学上的“光伏效应”。在有太阳光进行照射的情况下，预先制作的由P型半导体与N型半导体组成的半导体基片就会直接对光子进行吸收，同时产生一对自由电子与空穴并向着半导体内部迅速扩散，最后在结电场的影响下形成一个电动势。这个电动势的强度则与阳光照射半导体基片的光照强度有着直接联系。而在光伏电池的使用过程中，需要注意其光谱特性、光照特性与温度特性的影响。其中，光谱特性指的是光伏电池对于不同波长光照的灵敏度不同[6]。以硅光电池与硒光电池这两种常见光伏电池为例，硅光电池的光谱响应波长为0.4～1.2 μm，而硒光电池的光谱响应波长却仅有0.38～0.75 μm。光照特性指的是光伏电池受到光照时产生的光电流与光生电动势以及光照强度之间的关系，其中，短路电流与光照强度呈现线性关系，而其开路电压则与光照强度呈现非线性关系。温度特性则是指光电池的开路电压与短路电流在不同温度状况下的关系，开路电压会随着温度的下降而快速下降，而短路电流则会随着温度的升高而缓慢提升。

1.2.2 光伏阵列的输出特性分析

在光伏发电的过程中，光伏阵列的发电效率与光伏电池的转换效率有着直接关系。而在光伏电池的工作过程中，光照辐射度、光反射、杂散电阻以及环境温度等因素都会直接影响到光伏电池的转换效率，进而影响到光伏阵列的发电效率，其中尤以光照辐射度与环境温度对光伏阵列的影响最大[7]。结合上文光伏电池的温度特性与光照特性，可以得知光伏电池输出电流的大小会随着光辐射强度的提升而提升，而光伏电池的转换效率却会随着光伏电池温度的提升而降低。因此，在使用光伏阵列进行发电的过程中，需要结合光伏电池的输出特性，使用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）方法来对光伏阵列的状态进行控制，使光伏阵列能够稳定保持在转换效率最高的状态下进行电能输出。

1.3 MPPT控制器的建模情况

在使用光伏阵列进行发电的过程中，为了保持光伏阵列的输出稳定，需要使用MPPT方法来对光伏阵列进行控制，而MPPT的数学模型则需要根据跟踪方法的不同分为两大类。一是在已经知晓光伏阵列电压U与光伏阵列输出功率P特性的基础上代入公式计算，以此找出光伏阵列最大功率点对应电压与输出功率的计算式，从而进行MPPT模型构建。二是在不知道其电压U与输出功率P特性的基础上，使用自寻优方法对其最大功率点进行探测。一般常用的探测方法分别是恒电压控制法、扰动观察法与电导增量法，其中恒电压控制法是一种结合光伏电池最大功率点电压值来对光伏电池阵列进行控制的方法，虽然控制原理简单，但其控制精度相对较低，且在温度变化幅度较大时的跟踪效果较差。扰动观察法是通过引入电压变化量来扰动光伏阵列的输出电压，从而判断其输出功率的变化值，以此来调整输出功率。这种方法容易因光照辐射度的突然变化而降低精度。而电导增量法则是一种根据光伏阵列在最大功率点时其输出功率对电压的微分为0的特点提出的调整光伏阵列方法，这种方法不仅对工作环境的温度变化非常灵敏，而且能够快速精确地追踪光伏阵列的最大功率点。电网电压深度跌落时，如果光伏发电系统继续工作，MPPT模式将会导致直流母线过压的产生，因此需要控制DC/DC变换器工作，在恒压控制模式，以维持直流母线电压的稳定性[8]。直流母线电压的给定值和实际值进行比较，将其差值作为批输入就能得到单向DC/DC变化器的占空比，维持直流母线电压稳定性，减少光伏电池发出的功率，其主要原理如图2所示。

图2 MPPT控制器的综合工作示意

1.4 光伏并网逆变器的恒无功控制设计

在光伏供电系统与供电网络进行并网的过程中，需要借助逆变器的无功控制效果来为电网进行电压调整。使用过程中，光伏并网系统可以向电网内注入有功功率与无功功率，当光伏系统的有功功率增大时，就可以调整逆变器的无功功率出力，对稳定并网点的电压。但是，逆变器本身的无功功率输出能力会受到输电线路与自身容量的限制，因此在电网需要光伏系统提供无功功率支撑时，就应当减少有功功率的处理。为了实现逆变器的恒无功设计，需要通过电流内环、电压外环以及滤波器对其进行控制[9]。其中，电流内环可以采用前控解耦控制策略，对电网的扰动电压进行前馈补偿；电压外环能够在恒无功控制的模式下设定无功功率的参考值，从而调节并网网点的电压；而滤波器则可以滤除光伏发电阵列在发电过程中产生的谐波，避免谐波对电网造成污染。

2 分布式光伏并网对配电系统无功电压的影响

2.1 分布式光伏电源接入配电网电压越限标准

电压越限是指在一个稳定运行的电力系统中，某一节点的电压超出了当前的规定范围，不满足电力系统对电压偏差的要求。而电压偏差指的是在电力系统正常运转的状态下，某个节点的实际电压与当前系统额定电压之间的差值对系统额定电压的百分数，当电压偏差过大就会引发电压越限的问题。一般来说，电压越限分为越上限与越下限两种情况，其中越上限情况的发生会导致电气设备绝缘功能的损伤，甚至会直接影响电气设备的使用寿命。而越下限情况的发生则容易导致用电设备接收到的电能降低，甚至无法工作。因此，分布式光伏发电并网系统需要严格遵守国家制定的电压偏差标准。在我国GB/T 12325—2008《电能质量供电电压允许偏差》中明确规定，35 kV以上供电电压的正负偏差的绝对值之和不得超过额定电压的10%，10 kV以下的供电电压允许偏差为±7%，220 V单相供电电压允许偏差为7%～-10%。

2.2 分布式光伏并网对配电网无功电压影响的理论分析

2.2.1 单个分布式光伏并网

在单个分布式光伏电源接入供电网络时，光伏并网点前方的用户电压会出现一定程度的升高，这个升高的幅度与光伏电源自身的出力、接入位置以及用户自身的负荷大小有关，甚至会在并网点前方附近引发电压越上限问题。而在光伏电源并网点的后方，供电线路的电压将会出现一定程度的降低，甚至在线路末端发生电压越下限的问题[10]。此时，就需要设置逆变器的功率因数，通过对逆变器的无功功率进行相应调整，就可以调节并网点的电压。在需要降低电压时，令逆变器的无功功率小于0；而升高电压时，则让逆变器的无功功率大于0。

2.2.2 多个分布式光伏并网

在多个分布式光伏电源接入供电网络时，整个供电线路上任意一个节点的电压都会升高，此时若接入的供电网络负荷较低，则容易发生电压越上限的情况，接入的光伏电源出力越大，发生电压越上限的可能性就越大。此时，可以通过控制逆变器的无功功率，从而调整供电网络的电压。在需要降低电压时，令逆变器的无功功率小于0；而升高电压时，则让逆变器的无功功率大于0。

3 分布式光伏发电无功电压控制策略

3.1 分布式光伏发电无功电压控制模式

前文阐述了分布式光伏逆变器的无功原理以及无功与电压之间的关系，理论上逆变器能够发出无功并具备参与电网电压控制的能力。无功的容性和感性决定着电压的升降，无功的大小决定着升降的幅度。对于分布式电站，每一部分作为一个控制对象，通过发出逆变器无功，调整当前并网点的电压，使电压运行情况满足电网要求。并网点在电压无功控制方面有恒电压、恒无功以及恒功率因数3种模式。根据分布式电站的特点，笔者认为使用恒功率因数较为合适，因为不同的并网点电压幅值不一样，情况也不尽相同，不太适宜使用同一电压目标值来控制，同理恒无功也是如此。而恒功率因数则不一样，首先它对于电网、用户以及分布式电源来说是一个十分重要的参数，而且与有功、无功都密切相关，确定一个调节目标，根据当前有功瞬时调整各分布式电站或发电单元无功的大小，将其大小始终控制在一个目标范围，以满足电网要求。即使在分布式电源不发电时，也可以切换到恒无功模式，发出一定的无功，对电网电压起到支撑作用。

3.2 分布式光伏发电无功电压控制网络

对于分布式光伏发电，尤其是分布范围较广的情况下，可以采用专门的无线网络，目前4G技术已经非常成熟，而且速度也能够满足使用要求。若对时延有更高的要求，那么5G技术是更好的选择。如图3所示的无线网络在电网中有一定的使用要求，不能随意使用，必须做好足够的安全防护。

图3 分布式无线网络结构

4 结 论

随着我国可持续发展战略的推进以及“30·60”双碳目标的提出，清洁能源的开发利用尤其是新能源的开发利用已经刻不容缓。而光伏发电系统的发展正是人类对太阳能合理利用的一种尝试。在不久的将来，光伏发电一定会成为重要的能量来源，为人类的生产生活提供光和热。