光伏電站逆變器與靜止無功發生器無功電壓控制策略研究與應用

邱文俊，李玉齊，支曉晨，張順仁，陳曉儀，施宏亮

(上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

0 引言

太陽能作為一種清潔、可再生且分布廣泛的能源，符合能源利用清潔高效的特點。近年來光伏發電產業發展迅速，系統組件成本不斷下降，光伏并網技術日趨成熟，建設并網光伏電站成為新型電力系統背景下大規模利用清潔能源的有效方式[1-3]。光伏電站，尤其是集中式并網的光伏電站一般遠離用電負荷中心，電網系統比較薄弱，光伏發電系統自身會因溫度、光照的變化引發并網電壓波動，乃至越限[4]。因而光伏發電站有必要參與電網系統調壓控制，緊急情況下為電網提供快速無功支撐，可有效改善光伏并網點的電壓越限，提高光伏并網的穩定性、安全性[5-6]。

基于無功調壓設備的無功出力，并配置相互間的無功置換功能，可確保光伏發電系統良好的動態無功電壓支撐能力[7]?？焖贌o功補償裝置具備較強的動態無功支撐能力，可高效響應電網系統的無功需求，參與光伏電站無功電壓控制。本文針對光伏逆變器與靜止無功發生器(static var generator，SVG)協調控制參與光伏電站無功電壓控制策略展開研究探討。

1 光伏并網點無功電壓調節原理

光伏電站的無功源，主要包括光伏逆變器、站內配置的無功補償裝置等。無功補償裝置需按光伏電站項目實際情況配置，如站內集電線路分布、送出線路長度、項目安裝形式和容量、光伏并網點接入電網情況等，在進行無功電壓研究后確定[8]。光伏電站配置的自動電壓控制(automatic voltage control，AVC)系統子站接收調度主站指令，對站內無功電源(逆變器、動態無功補償裝置等)下發無功分配控制指令，調節并網點電壓[9-10]。某光伏電站并網系統如圖1所示。

圖1 某光伏電站并網系統

以電網電壓US為基準，光伏電站并網點電壓Upoint[11]可近似表示為：

(1)

式中：US為電網系統電壓；ZS=RS+jXS為光伏電站送出線路阻抗；ΔP、ΔQ分別為站內集電線路與變壓器阻抗產生的有功損耗、無功損耗；PG、QG分別為光伏電站逆變器的有功輸出和無功輸出；QC為光伏電站無功補償裝置的無功輸出；UG為光伏電站出口變壓器低壓側電壓；G1、G2分別表示光伏電站逆變器和動態無功補償裝置。

光伏電站有功輸出PG發生變化，會導致光伏電站并網點電壓Upoint波動。對此可通過調節站內逆變器無功輸出QG、無功補償裝置無功輸出QC，達到調節光伏電站并網點電壓的目的。

2 無功源無功補償特性

本文所提控制策略的目標是實現光伏電站內逆變器和SVG之間的無功協調控制，先分析各無功源的無功補償特性。

1)光伏逆變器

光伏逆變器主要將光伏發電產生的直流電逆變為工頻交流電，且能實現無功功率正負連續輸出，但其輸出無功功率與光伏逆變器自身功率因數、容量有關[12]。光伏逆變器需經過多個通信環節接收光伏電站站控層下發的無功指令，其無功功率輸出響應速度稍慢于站內配置的無功發生器。光伏逆變器實現無功功率輸出只需對控制策略進行改進，無需增加額外的設備，可以大幅降低光伏電站投資成本。

2)靜止無功發生器(SVG)

為保持端電網電壓暫態過程中的穩定性，SVG向電網發出無功功率以達到支撐暫態電網電壓的目的[13]。SVG通過改變橋式電路交流電壓的相角、幅值來輸出滿足要求的無功電流[14-15]，以實現無功補償。當橋式電路輸出電壓的基波分量高于電網系統分量時，SVG向電網系統發出無功功率；等于電網系統電壓時，SVG運行在零無功狀態；低于電網系統電壓時，SVG從電網系統吸收無功功率?？梢?，SVG能實現無功功率正負連續輸出，具有諧波含量少、無功補償響應快的特點。

光伏逆變器和靜止無功發生器(SVG)屬于動態、連續型無功調節設備，適用于光伏電站無功功率輸出連續控制。

3 光伏電站無功分配策略研究

國家標準GB/T 29321—2012[8]、GB/T 19964—2012[16]明確規定：光伏電站的無功電源包括光伏并網逆變器、無功補償裝置，需充分利用逆變器的無功調節能力與無功容量；當逆變器的無功容量無法滿足系統電壓的調節需要時，應在光伏發電站配置適當容量的無功補償裝置，包括動態無功補償裝置[17]。按上述標準規范，光伏電站大多配置了無功補償裝置。

若逆變器無功容量不足，無法滿足系統電壓的調節需要，需利用無功補償裝置共同參與調節。在制定光伏電站無功協調控制策略時，應考慮光伏逆變器和無功補償裝置SVG之間的協調控制[18-19]。下面對光伏電站光伏逆變器和SVG協調控制策略加以介紹。

3.1 控制策略整體思路

光伏電站無功協調控制策略，以并網點電壓穩定為控制目標，綜合考慮站內各無功源的無功出力，實現無功電壓控制。本文所述無功源主要考慮逆變器和SVG參與無功協調控制[20-21]。光伏電站無功協調控制策略整體思路[22]如圖2所示。

圖2 光伏電站控制策略

1)控制模式。包括遠方電壓或無功跟蹤，本地電壓、無功、功率因數跟蹤。在遠方控制模式下，若發生通信異常，站內AVC系統自動跟蹤上一次的指令執行。

2)無功需求量計算。根據光伏并網點母線電壓實際值與調度主站下發參考值的偏差，計算光伏電站需改變的總無功出力。

3)無功分配。當SVG參與無功調節時，計算每臺逆變器和SVG在調節中需要改變的無功量；當SVG不參與無功調節時，計算每臺逆變器在調節中需要改變的無功量。

4)無功指令執行。當SVG參與無功調節時，逆變器和SVG根據接收的無功指令，完成調節；當SVG不參與無功調節時，逆變器根據接收的無功指令，完成調節。

3.2 無功分配策略研究

3.2.1逆變器與SVG協調分配

無論分布式光伏還是集中式光伏，無論站內有多少臺SVG，將所有逆變器視為一個整體，所有SVG視為另一個整體。AVC將無功增量分配至兩個大組：逆變器組由數據采集裝置分配，SVG由監控裝置分配。

1)等比例分配

將無功增量按照逆變器與SVG的無功裕量比例進行無功分配，即剩余可調控無功裕度越多，分配的無功目標越多，保證逆變器與SVG在可調范圍內擁有相同百分比的無功調控容量。式(2)表示AVC向上調節無功功率，式(3)表示AVC向下調節無功功率。

(2)

(3)

式中：ΔQinv、ΔQsvg表示分配給逆變器組、SVG組的無功增量；ΔQall表示光伏電站能分配的總無功；ΔQinv,max、ΔQsvg,max表示逆變器組、SVG組額定無功容量高限值；ΔQinv,min、ΔQsvg,min表示逆變器組、SVG組額定無功低限值；ΔQinv,i、ΔQsvg,i表示逆變器組、SVG組當前無功值。

2)等容量分配

將無功增量按逆變器與SVG的無功容量比例進行無功分配，即按照總容量大小進行無功分配，保證無功的分配量與逆變器、SVG無功容量成線性關系。

(4)

3)逆變器無功裕度優先

若無功增量方向與逆變器回零方向相同，則優先將無功分配至逆變器；若無功增量方向與逆變器回零方向相反，則優先將無功分配至SVG，保證逆變器的無功可調裕度最大。此策略適合穩態下對電壓調節需求較高的電站，以SVG快速響應優先，逆變器作為無功裕度儲備。

4)SVG無功裕度優先

若無功增量方向與SVG回零方向相同，則優先將無功分配至SVG；若無功增量方向與SVG回零方向相反，則優先將無功分配至逆變器，保證SVG的無功可調裕度最大。此策略適合穩態下對電壓調節需求較低的電站，保留SVG快速響應的無功裕度，在暫態下擁有更強的調控能力。

5)平均分配

將無功增量平均分配至逆變器與SVG。

ΔQinv=ΔQsvg=ΔQall/2

(5)

3.2.2逆變器與SVG獨立分配

數據采集接收到逆變器組無功目標后，將無功按比例分配至各個處于并網狀態的逆變器；監控接收到SVG組無功目標后，將無功按比例分配至各個處于并網狀態的SVG。

1)AVC調控逆變器組

集中式：AVC系統計算各個并網逆變器的無功目標值，按照相似裕度，通過站控層交換機，將無功目標發送至各臺逆變器。

分布式：AVC系統計算逆變器組總無功目標值，以方陣為單位，按照相似裕度，將無功目標發送至各個方陣的數據采集裝置；數據采集裝置再按照相似裕度，將無功分配至各逆變器。

2)AVC調控SVG組

方式一：通過監控/后臺系統。AVC系統計算SVG組的總無功目標，將無功目標發送至監控/后臺系統，監控/后臺按照相似裕度將無功目標發送至各SVG。

方式二：AVC直接控制SVG。AVC系統計算SVG組的總無功目標，按照相似裕度將無功目標直接發送至各SVG。采用此方式時需避免AVC與監控/后臺對SVG控制權限的沖突，可增加控制權限互鎖邏輯。

3.3 SVG無功置換

啟用該功能時，當母線電壓達到調節死區后，將SVG的無功向回零方向調節，同時將回調的無功分配至逆變器，保證母線電壓不變的情況下，給SVG留出足夠的裕度以備下一次電壓快速響應。若在置換過程中因為電壓波動等原因，母線電壓在電壓目標死區之外，則立即停止置換，按照設定策略進行調控，直至母線電壓達到死區。SVG無功置換具體邏輯流程如下。

第一步：接收母線電壓目標值。

第二步：計算光伏電站實時母線電壓差值ΔU=|實測值-目標值|。

第三步：判斷ΔU是否小于死區θ。若ΔU≤θ，SVG啟動無功置換，SVG無功回零，無功等額置換于逆變器；若ΔU>θ，SVG停止無功置換，SVG與逆變器按光伏電站設定的無功分配方式同時參與無功調控，每次調控結束后返回第二步計算ΔU，并循環。

4 逆變器與SVG協調控制應用

選取浙江地區某漂浮式光伏電站示范項目進行逆變器與SVG協調控制測試應用，項目共12個方陣(對應12個箱式變壓器、12個數據采集器)，3個大區，總容量為20 MW，光伏電站經某35 kV電壓等級光伏支線出線，接入地區電網系統。電站所配置AVC裝置為獨立設備，具體版本信息為：設備名稱為新能源并網控制系統；設備型號PS 6000+ PVA；軟件版本號V0.9.16；操作系統Ubuntu 16.04 LTS。

4.1 參數與配置

光伏電站AVC參數及功能軟壓板配置，見表1、表2。

表1 光伏電站AVC參數設置

表2 光伏電站AVC功能軟壓板配置

4.2 通信測試

經與光伏電站所屬電網調度機構主站溝通，現場設置光伏電站AVC子站與調度主站的遙測、遙信、遙調信息及測試，結果見表3—5所示。

表3 光伏電站遙測信號測試

表4 光伏電站遙信信號測試

表5 光伏電站遙調信號測試

根據測試結果，該光伏電站AVC子站與調度主站的遙測、遙信、遙調信息配置及測試結果正確，具備子站與主站聯合調試條件。

4.3 聯調試驗

光伏電站AVC子站與調度主站聯合調試試驗步驟如下：1)投入AVC功能，投入SVG功能，投入逆變器功能；2)退出AVC開環功能(AVC功能處于閉環模式)；3)投入AVC遠方功能；4)接收調度AVC電壓目標值；5)觀察并記錄試驗過程及數據；6)試驗完成，退出AVC功能，退出SVG功能，退出逆變器功能。

現場測試采用等比例分配策略，實時接收調度主站AVC電壓指令，觀察無功分配及運行狀態，具體數據見表6。

表6 逆變器與SVG聯調

光伏電站逆變器、SVG參與AVC聯合調試試驗母線電壓曲線如圖3所示。

圖3 光伏電站控制策略試驗母線電壓

根據試驗結果，該光伏電站AVC子站能正確跟蹤并執行調度主站AVC電壓指令，逆變器與SVG能合理分配站內無功，協調控制策略有效。

4.4 無功置換

待逆變器與SVG聯調試驗無功分配完成后，光伏電站母線電壓已相應調控至母線電壓死區(0.4 kV)之內，此時逆變器與SVG不再進行無功分配；系統觸發啟動SVG無功置換功能的條件，SVG啟動無功置換功能，將SVG無功置換至逆變器。

試驗條件：1)投入AVC功能，投入SVG功能，投入逆變器功能；2)投入AVC閉環功能；3)投入AVC就地功能；4)觀察并記錄試驗過程及數據。SVG無功置換試驗過程如下。

第一步：光伏電站AVC子站接受調度電壓指令，逆變器與SVG按等比例分配策略進行調控。

第二步：當母線電壓實測值與目標值達到死區(0.4 kV)之內，逆變器與SVG停止調控(此時逆變器與SVG無功，為置換前無功)。

第三步：AVC子站判定母線電壓調控結束，啟動SVG無功置換功能，SVG將無功置換至逆變器(此時逆變器與SVG無功，為置換后無功)。

投入5區數據采集器、6區數據采集器、7區數據采集器、8區數據采集器；電壓穩定在死區之內時方可啟動SVG無功置換功能；SVG容量±4.000 Mvar，SVG無功置換注入無功過大，存在母線電壓超過限制值并觸發保護跳閘的風險，故SVG無功置換功能使用±1.000 Mvar以內的無功容量進行試驗?，F場試驗數據記錄見表7。根據試驗結果，該光伏電站SVG能在母線電壓調控結束后，將無功置換至逆變器，SVG無功置換功能有效。

表7 SVG無功功率置換測試

5 結語

本文針對光伏電站電壓調控，總結逆變器與SVG無功協調控制策略及SVG無功置換功能，并通過專項試驗驗證有效性，對新能源并網電站實現區域電網自動電壓控制研究具有參考意義。

在新型電力系統背景下，以光伏、風電為代表的新能源并網主體接入電網對系統電壓有較大影響，需加強新能源接入電網在無功電壓控制方面的研究，提升電網穩定性。