分布式光伏發電并網無功電壓控制策略

王 剛

（新華水力發電有限公司，北京 100071）

0 引 言

隨著社會生產活動的逐步發展，人們賴以生存的環境正在日漸惡化，化石能源的枯竭使得可再生能源的開發利用得到了大力推廣。而在眾多的可再生能源技術中，太陽能光伏發電技術不僅不會造成任何額外的污染，而且清潔低碳甚至零碳，這使得太陽能光伏發電技術已經成為了人類寄予厚望的清潔能源技術之一。在太陽能光伏發電技術的使用過程中，其并網的形式主要有兩種，分別為經高壓線路直接接入電網和經低壓線路接入配電網，第二種方式就是本文研究的分布式光伏發電系統。分布式光伏發電這一技術的應用，不僅能節省土地資源，而且可以減少能量損耗，但其接入電網卻會對原配電網產生一定的影響，而研究分布式光伏發電并網的無功電壓控制，對光伏發電的推廣應用具有非常重要的意義[1-3]。

1 分布式光伏并網系統的情況

1.1 光伏發電系統的分類

1.1.1 單級式光伏并網系統

單級式光伏并網系統結構包括由多組光伏電池進行串并聯組成的具備一定輸出功率的光伏陣列、無源濾波器、直流母線穩壓電容以及直流/交流逆變電路，如圖1所示。在實際工作中，當陽光照射到光伏陣列上時就會按照光生伏特效應產生電動勢，進而使直流/交流逆變電路中的直流側電壓幅值滿足直流/交流逆變器的需求，產生符合要求的直流電壓，并且通過逆變器的逆變形成三相交流電流[4]。在這個過程中，通過直流/交流逆變器進行逆變完成的三相交流電流中含有大量的諧波，因此還需要將三相交流電流通過無源濾波器進行過濾后才能并入電網。在單級式光伏并網系統中，由于其僅有一套直流/交流轉換裝置，使得單級式光伏并網系統具備了結構簡單和能量損耗低等多種優點。但是，單級式光伏并網系統中的最大功率跟蹤控制、電網電壓同步等許多功能都需要通過直流/交流能量轉換環節進行，因此導致單級式光伏并網系統的操作相對復雜，一般只有大型的光伏電站才會選擇采用單級式光伏并網系統。

圖1 單級式光伏并網系統

1.1.2 雙級式光伏并網系統

相對于單級式光伏并網系統而言，雙級式光伏并網系統中安裝了一套升壓斬波電路，由升壓斬波電路與直流/交流逆變電路組成了雙級式的光伏并網逆變器。在工作過程中，光伏陣列輸出的直流電壓將會經由升壓斬波電路進行升壓，隨后將升壓完成的直流電送入直流/交流逆變電路中，將直流電轉化成為交流電，最后經由無源濾波器清除電能中的諧波，再將電能并入電網中。雖然雙級式光伏并網系統的能量損耗相對于單級式光伏并網系統更大，但在雙級式光伏并網系統中，借助升壓斬波電路不僅能夠將直流電壓進行穩定提升，還能夠實現最大功率跟蹤控制，而電能的并網控制與對直流母線電壓的控制則可以通過直流/交流逆變環節獨立完成，從而使整個逆變器的控制更加靈敏快捷[5]。在分布式光伏并網系統的運行過程中，由于其對逆變器的控制要求相對較高，這也使得許多的分布式光伏并網都會采用雙級式系統進行運作。

1.2 光伏發電原理情況

1.2.1 光伏電池的原理與基本特性

光伏電池是一種將光能轉化成為電能的光電器件，其工作原理基于物理學上的“光伏效應”。在有太陽光進行照射的情況下，預先制作的由P型半導體與N型半導體組成的半導體基片就會直接對光子進行吸收，同時產生一對自由電子與空穴并向著半導體內部迅速擴散，最后在結電場的影響下形成一個電動勢。這個電動勢的強度則與陽光照射半導體基片的光照強度有著直接聯系。而在光伏電池的使用過程中，需要注意其光譜特性、光照特性與溫度特性的影響。其中，光譜特性指的是光伏電池對于不同波長光照的靈敏度不同[6]。以硅光電池與硒光電池這兩種常見光伏電池為例，硅光電池的光譜響應波長為0.4～1.2 μm，而硒光電池的光譜響應波長卻僅有0.38～0.75 μm。光照特性指的是光伏電池受到光照時產生的光電流與光生電動勢以及光照強度之間的關系，其中，短路電流與光照強度呈現線性關系，而其開路電壓則與光照強度呈現非線性關系。溫度特性則是指光電池的開路電壓與短路電流在不同溫度狀況下的關系，開路電壓會隨著溫度的下降而快速下降，而短路電流則會隨著溫度的升高而緩慢提升。

1.2.2 光伏陣列的輸出特性分析

在光伏發電的過程中，光伏陣列的發電效率與光伏電池的轉換效率有著直接關系。而在光伏電池的工作過程中，光照輻射度、光反射、雜散電阻以及環境溫度等因素都會直接影響到光伏電池的轉換效率，進而影響到光伏陣列的發電效率，其中尤以光照輻射度與環境溫度對光伏陣列的影響最大[7]。結合上文光伏電池的溫度特性與光照特性，可以得知光伏電池輸出電流的大小會隨著光輻射強度的提升而提升，而光伏電池的轉換效率卻會隨著光伏電池溫度的提升而降低。因此，在使用光伏陣列進行發電的過程中，需要結合光伏電池的輸出特性，使用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）方法來對光伏陣列的狀態進行控制，使光伏陣列能夠穩定保持在轉換效率最高的狀態下進行電能輸出。

1.3 MPPT控制器的建模情況

在使用光伏陣列進行發電的過程中，為了保持光伏陣列的輸出穩定，需要使用MPPT方法來對光伏陣列進行控制，而MPPT的數學模型則需要根據跟蹤方法的不同分為兩大類。一是在已經知曉光伏陣列電壓U與光伏陣列輸出功率P特性的基礎上代入公式計算，以此找出光伏陣列最大功率點對應電壓與輸出功率的計算式，從而進行MPPT模型構建。二是在不知道其電壓U與輸出功率P特性的基礎上，使用自尋優方法對其最大功率點進行探測。一般常用的探測方法分別是恒電壓控制法、擾動觀察法與電導增量法，其中恒電壓控制法是一種結合光伏電池最大功率點電壓值來對光伏電池陣列進行控制的方法，雖然控制原理簡單，但其控制精度相對較低，且在溫度變化幅度較大時的跟蹤效果較差。擾動觀察法是通過引入電壓變化量來擾動光伏陣列的輸出電壓，從而判斷其輸出功率的變化值，以此來調整輸出功率。這種方法容易因光照輻射度的突然變化而降低精度。而電導增量法則是一種根據光伏陣列在最大功率點時其輸出功率對電壓的微分為0的特點提出的調整光伏陣列方法，這種方法不僅對工作環境的溫度變化非常靈敏，而且能夠快速精確地追蹤光伏陣列的最大功率點。電網電壓深度跌落時，如果光伏發電系統繼續工作，MPPT模式將會導致直流母線過壓的產生，因此需要控制DC/DC變換器工作，在恒壓控制模式，以維持直流母線電壓的穩定性[8]。直流母線電壓的給定值和實際值進行比較，將其差值作為批輸入就能得到單向DC/DC變化器的占空比，維持直流母線電壓穩定性，減少光伏電池發出的功率，其主要原理如圖2所示。

圖2 MPPT控制器的綜合工作示意

1.4 光伏并網逆變器的恒無功控制設計

在光伏供電系統與供電網絡進行并網的過程中，需要借助逆變器的無功控制效果來為電網進行電壓調整。使用過程中，光伏并網系統可以向電網內注入有功功率與無功功率，當光伏系統的有功功率增大時，就可以調整逆變器的無功功率出力，對穩定并網點的電壓。但是，逆變器本身的無功功率輸出能力會受到輸電線路與自身容量的限制，因此在電網需要光伏系統提供無功功率支撐時，就應當減少有功功率的處理。為了實現逆變器的恒無功設計，需要通過電流內環、電壓外環以及濾波器對其進行控制[9]。其中，電流內環可以采用前控解耦控制策略，對電網的擾動電壓進行前饋補償；電壓外環能夠在恒無功控制的模式下設定無功功率的參考值，從而調節并網網點的電壓；而濾波器則可以濾除光伏發電陣列在發電過程中產生的諧波，避免諧波對電網造成污染。

2 分布式光伏并網對配電系統無功電壓的影響

2.1 分布式光伏電源接入配電網電壓越限標準

電壓越限是指在一個穩定運行的電力系統中，某一節點的電壓超出了當前的規定范圍，不滿足電力系統對電壓偏差的要求。而電壓偏差指的是在電力系統正常運轉的狀態下，某個節點的實際電壓與當前系統額定電壓之間的差值對系統額定電壓的百分數，當電壓偏差過大就會引發電壓越限的問題。一般來說，電壓越限分為越上限與越下限兩種情況，其中越上限情況的發生會導致電氣設備絕緣功能的損傷，甚至會直接影響電氣設備的使用壽命。而越下限情況的發生則容易導致用電設備接收到的電能降低，甚至無法工作。因此，分布式光伏發電并網系統需要嚴格遵守國家制定的電壓偏差標準。在我國GB/T 12325—2008《電能質量供電電壓允許偏差》中明確規定，35 kV以上供電電壓的正負偏差的絕對值之和不得超過額定電壓的10%，10 kV以下的供電電壓允許偏差為±7%，220 V單相供電電壓允許偏差為7%～-10%。

2.2 分布式光伏并網對配電網無功電壓影響的理論分析

2.2.1 單個分布式光伏并網

在單個分布式光伏電源接入供電網絡時，光伏并網點前方的用戶電壓會出現一定程度的升高，這個升高的幅度與光伏電源自身的出力、接入位置以及用戶自身的負荷大小有關，甚至會在并網點前方附近引發電壓越上限問題。而在光伏電源并網點的后方，供電線路的電壓將會出現一定程度的降低，甚至在線路末端發生電壓越下限的問題[10]。此時，就需要設置逆變器的功率因數，通過對逆變器的無功功率進行相應調整，就可以調節并網點的電壓。在需要降低電壓時，令逆變器的無功功率小于0；而升高電壓時，則讓逆變器的無功功率大于0。

2.2.2 多個分布式光伏并網

在多個分布式光伏電源接入供電網絡時，整個供電線路上任意一個節點的電壓都會升高，此時若接入的供電網絡負荷較低，則容易發生電壓越上限的情況，接入的光伏電源出力越大，發生電壓越上限的可能性就越大。此時，可以通過控制逆變器的無功功率，從而調整供電網絡的電壓。在需要降低電壓時，令逆變器的無功功率小于0；而升高電壓時，則讓逆變器的無功功率大于0。

3 分布式光伏發電無功電壓控制策略

3.1 分布式光伏發電無功電壓控制模式

前文闡述了分布式光伏逆變器的無功原理以及無功與電壓之間的關系，理論上逆變器能夠發出無功并具備參與電網電壓控制的能力。無功的容性和感性決定著電壓的升降，無功的大小決定著升降的幅度。對于分布式電站，每一部分作為一個控制對象，通過發出逆變器無功，調整當前并網點的電壓，使電壓運行情況滿足電網要求。并網點在電壓無功控制方面有恒電壓、恒無功以及恒功率因數3種模式。根據分布式電站的特點，筆者認為使用恒功率因數較為合適，因為不同的并網點電壓幅值不一樣，情況也不盡相同，不太適宜使用同一電壓目標值來控制，同理恒無功也是如此。而恒功率因數則不一樣，首先它對于電網、用戶以及分布式電源來說是一個十分重要的參數，而且與有功、無功都密切相關，確定一個調節目標，根據當前有功瞬時調整各分布式電站或發電單元無功的大小，將其大小始終控制在一個目標范圍，以滿足電網要求。即使在分布式電源不發電時，也可以切換到恒無功模式，發出一定的無功，對電網電壓起到支撐作用。

3.2 分布式光伏發電無功電壓控制網絡

對于分布式光伏發電，尤其是分布范圍較廣的情況下，可以采用專門的無線網絡，目前4G技術已經非常成熟，而且速度也能夠滿足使用要求。若對時延有更高的要求，那么5G技術是更好的選擇。如圖3所示的無線網絡在電網中有一定的使用要求，不能隨意使用，必須做好足夠的安全防護。

圖3 分布式無線網絡結構

4 結 論

隨著我國可持續發展戰略的推進以及“30·60”雙碳目標的提出，清潔能源的開發利用尤其是新能源的開發利用已經刻不容緩。而光伏發電系統的發展正是人類對太陽能合理利用的一種嘗試。在不久的將來，光伏發電一定會成為重要的能量來源，為人類的生產生活提供光和熱。