直接功率控制策略在光伏无功补偿中的应用

李晨华

摘要：本文分析了基于直接功率控制光伏并网逆变器的三种无功补偿工作模式。利用直接功率控制策略具有快速功率控制响应的特点，提出了光伏并网逆变器实现并网发电与无功补偿功能相结合的工作模式。实现了并网逆变器的多功能使用，不仅可以并网发电，而且可以改善电网的电能质量，提高设备的利用率。利用Matlab/Simulink仿真验证了该理论的正确性。

关键词：光伏并网，直接功率控制，无功补偿

0引言

目前，大多數光伏发电系统的无功补偿通过安装无功补偿装置来实现，这种方式虽然可以达到无功补偿目的，但提高了光伏发电成本，增加了控制难度。本文的光伏发电系统所采用的逆变器为三相桥式逆变电路，其电路拓扑结构与三桥臂静止无功功率发生器（SVG）的主电路结构相同。因此，可以采用适当的控制策略可实现光伏发电并网与无功补偿两种功能相结合，不仅能提高电网运行质量，并能节省无功补偿装置的费用。

采用直接功率控制的光伏并网逆变器可以通过分别调节有功和无功功率的给定，快速改变并网系统的输出功率。因此本文研究了基于直接功率控制的光伏发电系统的无功补偿工作模式：当光照充足时，光伏发电系统可以在发出有功功率的同时产生一定的无功功率，对电网进行补偿，将并网发电和无功补偿两种功能相结合;夜间或当光照强度很低时，仍能根据电网要求为电网馈送无功功率。鉴于光伏并网直接功率控制逆变器可以实现对有功功率和无功功率控制有效控制的特性，能够有效提高设备的利用效率，节省购置补偿设备的成本[1]。

1无功补偿的意义和方式

1.1 无功补偿的目的和意义

随着我国的经济发展，电力工业的不断壮大，对电网中无功的要求也越来越高。无功电源和有功电源同样成为电力系统中不和或缺的一部分，是减少电网损耗、提高电能质量以及保障系统安全运行的关键部分。电网中无功功率分布不平衡会引起电网电压的波动，严重情况下将损坏电力设备，造成电网电压崩溃等严重事故。

电力系统中的存在着大量的无功负荷，如变压器、电力线路和用户用电设备等。这些无功负荷所需的无功功率如果通过系统长距离输送将会增大线路损耗，降低系统的功率因数;反之不及时补偿负荷所需的无功功率将会危及电力系统的运行安全，减少电力设备的使用寿命。所以，无功补偿对于电网以及电力设备安全稳定经济的运行有十分重要的意义，归纳可得出以下几点[2]：

①保障电力系统的无功平衡和无功稳定;

②可以优化电力系统运行，提高电力系统稳定性;

③提高系统功率因数，改善电网电能质量;

④减少线路损耗，延长设备使用寿命，提高经济效益。

1.2 光伏电站无功补偿配置

根据功率因数的定义，光伏电站的功率因数（PF）可由发电站的输出总有功功率与总无功功率计算而得，其计算公式为：

式中—电站输出总有功功率;

Q—电站输出总无功功率。

小型光伏发电站的输出有功功率在额定功率的20%到50%之间，其功率因数不能低0.95;当输出有功功率大于额定功率的50%时，其功率因数不能低于0.98。

阴雨天气光照强度不足时，整个光伏电站轻载运行，线路的充电功率大于系统所需，光伏电站发电系统呈容性，需要大量的感性无功补偿;光照充沛时，光伏发电站重载，送出系统需要配置一定数量的容性无功补偿装置来补偿电站中的无功需求，稳定系统的电压。

一般条件下，光伏电站的无功补偿装置配置主要为以下原则[3]：

①在光伏电站无升压变压器时，在汇集变电站处安装;有升压变压器时，在其低压侧安装。

②增加动态无功补偿装置，能够减少并网后由电流波动造成的网侧电压不稳定，增加线路输送电能容量，改善电压与系统稳定性。

③增加装置后，不能够对正常电网运行造成不良影响，同时能满足控制要求。

1.3 常用无功补偿设备

电力系统中，早期的无功补偿装置有电力电容器和同步调相机。电力电容器由于其安装、维护、运行都比较简单，是配电网中应用最广泛的无功补偿设备。同步调相机的结构与同步电动机基本相同，转轴不带机械负载，可以向电力系统提供或吸收感性无功功率。当同步调相机欠励磁运行时，从电网吸收感性无功;过励磁运行时，向电网发出感性无功。但由于其是一种旋转机械，运行维护成本高，功率损耗较大，虽然同步调相机在有些地方还在使用，但已逐渐被其他无功补偿装置所淘汰。

静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）随着电力电子技术的发展应运而生，并得到了广泛应用。静止无功补偿器是一种利用晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器或两种装置混合，可以发出或吸收无功功率。SVC主要使用电力电子器件实现投切和调节功能，相比于同步调相机及电力电容器，SVC有运行维护成本低，响应速度快，噪音小，调节能力好等优点。因此，静止无功补偿器被广泛使用，而且颇具发展潜力。

静止无功功率发生器（Static Var Generation，SVG）的主体是电力电子器件组成的电压源型桥式逆变器，交流侧通过电抗器并联在电网上，可以灵活控制桥式电路网侧输出电压的相位和幅值，也可以通过控制其并网电流，使其可以工作在发出感性或容性无功的工作状态。SVG是一种更加先进的静止型无功补偿装置，相比于SVC具有更宽的运行范围和快速的响应速度，还有一个特点，即能够电压较低时向电网注入无功电流。因此SVG的输出性能非常优越[4]。

5.2 基于直接功率控制的光伏并系统无功补偿模式

本文光伏并网逆变器所采用的为三相电压型全桥逆变器，其电路拓扑结构与三桥臂电压型桥式静止无功功率发生器（SVG）的主电路结构相同。因此，可以考虑采用适当的控制策略可实现光伏发电并网与无功补偿两种功能相结合。采用直接功率控制策略，实现了光伏并网系统输出有功和无功功率的快速跟踪和灵活的控制，无需增加其他复杂的算法，就可以使得光伏并网逆变器工作在无功补偿模式，不仅能提高设备运行效率，并能节省添置无功补偿装置的费用，降低发电成本。根据外部环境条件和负载的不同，得到以下三种无功补偿工作模式：

①白天补偿本地负载工作模式。本地拥有感性或容性负载，需要消耗一定的感性或容性无功功率。白天光照充足时，光伏并网系统发出有功和无功功率满足本地负载的消耗，无功功率实现自给自足，并将多余的有功功率馈送电网，实现光伏系统的单位功率因数运行。

②夜间补偿本地负载工作模式。本地拥有感性或容性负载，夜间或光照强度较低时，光伏电池输出的有功功率无法满足并网要求，可以断开DC-DC变换器与直流侧电容的连接。使直流侧电容与全桥变换器构成补偿电路，继续发送无功补偿本地负载，本地负载所消耗的有功功率由电网提供。以上两种统称为补偿本地负载工作模式，光伏并网系统补偿本地负载无功功率工作模式如图1所示。

图中ia、ib、ic，分别为逆变器的输出电流，iLa、iLb、iLc为负载电流，iga、igb、igc为电网电流。根据瞬时功率理论可以得到补偿无功功率的计算公式：

式中为需要补偿的无功功率，和分别为电网电压在两相静止坐标系中α和β分量，和分别为负荷电流在两相静止坐标系中α和β分量。根据式（2）计算本地负载的瞬时无功功率，从而调整逆变器的无功功率给定qref，使光伏并网系统在输出有功功率的同时，发出无功功率补偿本地负载，保证单位功率因数并网。

③无功功率输送电网工作模式。无论白天或黑夜，光伏并网系统都可以根据电网的需要为电网提供超前或滞后的无功功率。该工作方式只需将无功功率给定调节为电网所需的无功功率指令即可。

光伏并网系统的无功补偿能力受到逆变器容量的限制，无功补偿能力取决于逆变器的容量和光伏电池所发的有功功率，其关系可以表示为：

式中为最大无功补偿能力，Smax为并网逆变器的容量;P为逆变器输出的有功功率。

5.3 仿真验证

在前文理论分析的基础上，利用Matlab进行仿真验证。在Simulink下根据建立了基于直接功率控制的两级式光伏逆变并网系统仿真模型。在标准条件下（光照强度S=1kW/m2，温度T=25℃），光伏阵列模型最大功率点功率为4000W，最大功率点工电压为283.2V。

3.1 白天补偿本地负载模式

光伏阵列在光照强度S=1kW/m2，温度T=25℃，本地采用阻感负载，负载参数为PL=2000W，QL=2000Var。开始运行时光伏并网系统不提供无功补偿，0.4s时突给无功补偿指令。仿真结果如图3所示。

如图3所示，光伏并网系统未补偿无功功率时，逆变器输出电流ia与电网电压ea同相位，光伏并网系统仅发出有功功率。此时阻感负载所消耗的有功功率和无功功率分别由光伏系统和电网提供。0.4s突给无功补偿指令以后，补偿之后的电网电流iga和电网电压ea同相位，并网电流不含无功分量，光伏系统发出2000Var无功功率全部用于补偿本地负载。此时光伏系统为本地负载提供所消耗有功功率和无功功率，并且将多余的电能馈送电网，并实现了单位功率因数并网。

3.2 夜间补偿本地负载模式

光伏阵列在光照强度S=0W/m2，温度T=25℃，本地采用阻感负载PL=2000W，QL=2000Var，系统开始运行时不接入无功补偿，0.4s时突給无功补偿指令。仿真结果如图4所示。

夜间由于无光照，在没给无功补偿指令前，光伏系统即不发出有功功率，也不进行无功补偿。本地负载完全由电网供电，光伏系统处于闲置状态。0.4s给定无功补偿指令之后，光伏系统计算本地负载消耗的无功功率并给予补偿。从图5.3可以看出，0.4s后，电网电流iga与电网电压ea相位相差180度，电网只为负载提供有功功率。逆变器输出电流ia滞后电网电压ea近90度，完全补偿负载的无功功率。

3.3 无功功率输送电网模式

设定光照强度S=1kW/m2，温度T=25℃，无本地负载，开始运行时无功功率给定为qref=﹣2000Var，光伏并网系统产生容性无功功率，稳定运行一段时间后，0.4秒无功功率给定变为qref=2000Var，光伏并网系统产生感性无功功率。仿真结果如图5所示。

如图5所示，0.4s之前，无功功率给定为qref=﹣2000Var，光伏并网逆变器发出超前无功。由于没有本地负载，逆变器输出电流ia等于电网电流iga，相位超前电网电压，电流波形保持了很好的正弦性。0.4s时，无功功率给定发生跳变qref=2000Var，光伏并网系统发出滞后无功，电网电流相位滞后电网电压。经过非常短的暂态过程后重新达到稳定。电流的幅值和频率没有改变，仅仅相位发生变动。无功功率跳变时，有功功率几乎保持不变，说明光伏并网系统无功补偿不会干扰有功功率的馈送。

4小结

本文介绍了光伏电站无功补偿原则以及常用的无功补偿设备。提出了光伏并网系统基于瞬时功率计算的直接功率控制无功补偿方法。该方法可以实现光伏并网发电与无功补偿相结合的功能。重点研究了光伏并网系统直接功率控制下的三种工作模式。仿真结果表明：采用直接功率控制策略的光伏并网系统可以通过实时检测负载电流和系统电压或直接给定无功指令，来控制系统发出相应无功功率。对无功功率和有功功率实现了解耦控制，在逆变器的容量允许范围内，系统的无功补偿并没有停止或者改变系统有功的输送，无功补偿也不受有功功率输送变化的影响。夜间或当光照强度很低时，系统仍能发出无功功率，因此提高了整个系统的利用率。

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