光伏电站中无功补偿的应用研究

黎春荣 张建 施智雄

摘  要：光伏电站实际上是一种与电网相连接并向电网输送电力的太阳能发电系统，它在接入电网以后，会引起电网内部潮流变化，由于光伏出力具有间歇性、波动性和随机性，这对电力系统中的运行情况有着较大的影响。在国家标准之下，为提高光伏并网系统运行的稳定性，在光伏电站中特别配置了一套无功调速补偿装置。该文先是介绍了光伏电站中电压波动的原因，然后又介绍了无功功率补偿技术的一些相关技术要求，最后对现阶段光伏电站中无功功率补偿技术的应用模型及其研究目标进行了总结。

关键词：光伏电站   无功补偿   功率因数   电压波动

中图分类号：TM615                        文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）08（c）-0023-04

Application Research of Reactive Power Compensation in Photovoltaic Power Station

LI Chunrong1   ZHANG Jian1   SHI Zhixiong2

（1.Huadian Jinchuan， Sichuan Hydropower Development Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610041; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Xichang University， Xichang， Sichuan Province， 615000  China）

Abstract： Photovoltaic power station is actually a kind of solar power generation system which is connected with the power grid and transmits power to the power grid. After it is connected to the power grid， it will cause the change of power flow in the power grid. Due to the intermittence， fluctuation and randomness of photovoltaic output， it has a great impact on the operation of the power system. Under the national standard， in order to improve the stability of grid-connected PV system， a set of reactive power speed regulation compensation device is specially equipped in PV power station. This paper first introduces the causes of voltage fluctuation in photovoltaic power stations， and then introduces some related technical requirements of reactive power compensation technology， finally， the application model and research target of reactive power compensation technology in photovoltaic power station are summarized.

Key Words： Photovoltaic power station; Reactive power compensation; Power factor; Voltage fluctuation

隨着国家对清洁能源的大力提倡，以及传统可再生能源的日益耗费枯竭、环境被大肆污染等一些突出问题，太阳能、风能等新一批可再生能源得到了大力开发，这些新能源可以说是取之不尽、用之不竭的能源。目前我国的光伏发电行业得到了迅猛发展，我国政府就针对光伏行业提供了一系列支持和优惠政策，进一步提高了光伏发电行业快速发展的进度。光伏电站在进行并网过程中很容易造成过电流、过电压等影响电能质量的问题，电网运行的稳定性也会成为制约光伏工业发展的主要因素。

1  光伏电站的相关理论

光伏发电又称为太阳能发电，它是需要在有光照的情况下才能够完成的发电系统，因此不能任意时刻都发出电能，在发电过程中会伴随着很多的不确定性，光伏系统在接入电网的过程中也必然会导致电网电压波动，因此，随着光伏发电量的不断增加，对电网稳定性将会造成越来越显著的影响。

图1为光伏并网图，根据电路基础理论，设定电网电压为U，并网点电压为Upv，则可以根据下述公式（1）计算 ：

（1）

式（1）中，Ppv为系统输出的有功功率;

Qpv为系统输出的无功功率。

在光伏电站中，并网的连接方式有多种，现目前的光伏电站主要是以专线接入、T型接入为主要方式。图2为光伏电站设备总览图，在这个过程中，太阳能所转化的直流电汇聚到汇流箱以后，送入逆变器，使DC转化为AC，在经过升压处理后达到并网要求[1]。

2  光伏电站无功补偿的相关要求

2.1 无功补偿的原理

首先，我们都知道无功功率对应的是电网中的电压质量，而在光伏发电系统中也是如此，那么要想提高和改变电网的电压质量就需要改变系统的无功功率。在功率三角形中功率因数表示为。根据图3 可知，假设电网的感性无功为Q，而设备补偿的无功为，那么此时负载从电网中吸取的无功为，此时，通过对电网的无功进行补偿以后，电网的功率因数就会发生改变，利用前面的公式可以计算得到电网的功率因数由调整到，那么改变了电网的功率因数以后就会使得电网的损耗降低，也会降低电网的    投资水平[2]，同时也会使得电力系统的视在功率S减小。

2.2 光伏逆变器的无功功率

光伏逆变器是光伏电站的一个核心装置，在我国它普遍以输出最大的太阳能可持续利用的有功功率作为主要目的。在光伏发电系统中一般采用的是恒功率因数控制的方式，且该系统通常是运行在一个单位功率因数的工作状态，因此可假设系统在光伏发电的过程中，无功功率的输出是零。即Qpv=0，可得：

（2）

由公式（2）可以得出，当光伏发电系统并网以后会引起并网点电压上升          ，严重时甚至会导致电压越限，使系统的运行稳定性得到不保障。

当光伏电站中的有功功率达标的情况之下，逆变器的无功出力就会受到逆变器开关容量的限制，这个时候就需要有无功调节装置对系统进行无功调节。

根据所学知识，我们可以把光伏电站中的有功、无功用公式表示为：

其中：P、Q为逆变器输出的有功、无功功率;

为逆变器桥臂两侧输出的电压;

为桥臂电抗;

为相位差值。

根据公式（3），我们就能够更好地去研究光伏逆变器中的无功功率了。

3  光伏电站无功补偿容量的确定

在光伏发电系统中，设系统所需的有功为Ppj，补偿前功率因数为、补偿后的功率因数为2，则根据电力系统中的功率三角形公式，用电设备的补偿容量的计算公式可由下式表示：

在经过三角函数变换公式对上述公式进行变形得到：

（5）

根据公式（5）利用MATLAB仿真软件仿真出曲线，具体情况见图4。

根据图4很明显能够看出，补偿容量与功率因数之间存在一种曲面关系，可以看出在逐渐增大的过程中，功率因数是逐渐变慢的。故当功率因数增加得过多的时候是不利于设备正常工作的，因此，我们在调节功率因数时应该不超过某一数值3，可以得到电力系统中容量补偿范围为：

4  光伏电站无功补偿方式

光伏发电作为现阶段清洁能源发电的一个重要产业，它的发展极其迅速[3]，发电量也在不断提升，分布也越来越广，逐渐成为我国电力行业中的一个不可缺少的部分。为保证光伏电站在并网过程中使得电网的运行达到理想状态，在现阶段的光伏电站中，主要有以下几种无功补偿的方式。

（1）按电压大小进行无功补偿[4]：在无功检测装置中会检测到电网电压大小，当检测到的电压低于设置的最小值时，会使得无功补偿装置进行无功补偿，调整电压大小;反之，会使得系统切除无功补偿的电容。

（2）按功率因数和无功复合控制：该种方式是电网传统的无功控制方式之一，其具体控制策略如下。

当无功功率为负时，切除补偿器;

功率因数大于上限值时，切除补偿器;

无功功率大于上限值且低于功率因数小于下限值时，投入补偿器;

除以上策略外，其他情况补偿器均不动作。

（3）按时间顺序控制无功是否补偿：该种方式是根据系统的实际运行情况，利用日负荷曲线，分时分段的对系统中的无功功率进行调整。但该种补偿方式技术要求高、适应性也相当的差，因此未得到广泛使用[5]。

（4）按电压和无功功率的复合控制：该种方式主要是在九区图的基础下建立起来的，其控制策略如图5所示。

在图5中：表示系统电压最大值;

表示系统电压最小值;

表示无功功率最大值;

表示无功功率最小值。

根据表1可知，当电网电压和功率因数处在九区图的任何一个位置时，都能够采取相应的措施来对电网进行降耗调整[6]，同时采用以上补偿控制策略，能够起到消除补偿器投切振荡的麻烦，也提高了无功补偿的判断投切能力，在电网补偿的过程中起到了更好的稳定性和准确性[7]。

5  结语

光伏发电是国家大力支持的新型能源发电方式之一，当其采用较好的无功补偿方式以后，就能够有效地避免大量的光伏接入时对电网造成的冲击，也能够有效地减小光伏系统对电网的影响。同时，在光伏发电的过程中装设无功补偿装置能够起到降低电能损耗，抑制电网功率谐波，改善电能质量的优点。总之，无功补偿技术的研究具有广阔的应用前景，其控制策略、控制方法有待于进一步的研究和探讨。

参考文献

[1] 朱彦玮，贾春娟，李玮，等.大中型光伏电站无功补偿配置研究[J].电器与能效管理技术，2014（20）：55-59.

[2] 黎春荣，郭小梅，杨翔极，等.电力系统中无功补偿装置的应用研究[J].科技创新导报，2020，17（12）：5，7.

[3] 景迁.光伏电站无功补偿分析[J].電工技术，2016（11）：126-127.

[4] 焦龙，马金龙.光伏逆变器无功功率特性研究[J].宁夏电力，2017（1）：54-57.

[5] 王宾，张健.光伏发电站并网逆变器代替SVG集中式无功补偿装置探讨[J].四川水力发电，2019，38（6）：114-117.

[6] 张刚刚.光伏电站动态无功补偿技术的研究与应用[J].机电信息，2017（15）：18-19.

[7] 曹学华，杨博.光伏并网逆变器效率测试及分析[J].电力设备管理，2021（5）：139-140.

作者简介：黎春荣（1996—），男，本科，研究方向为电力工业、自动化技术。