光伏電站中無功補償的應用研究

黎春榮 張建 施智雄

摘 ?要：光伏電站實際上是一種與電網相連接并向電網輸送電力的太陽能發電系統，它在接入電網以后，會引起電網內部潮流變化，由于光伏出力具有間歇性、波動性和隨機性，這對電力系統中的運行情況有著較大的影響。在國家標準之下，為提高光伏并網系統運行的穩定性，在光伏電站中特別配置了一套無功調速補償裝置。該文先是介紹了光伏電站中電壓波動的原因，然后又介紹了無功功率補償技術的一些相關技術要求，最后對現階段光伏電站中無功功率補償技術的應用模型及其研究目標進行了總結。

關鍵詞：光伏電站 ? 無功補償 ? 功率因數 ? 電壓波動

中圖分類號：TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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

隨著國家對清潔能源的大力提倡，以及傳統可再生能源的日益耗費枯竭、環境被大肆污染等一些突出問題，太陽能、風能等新一批可再生能源得到了大力開發，這些新能源可以說是取之不盡、用之不竭的能源。目前我國的光伏發電行業得到了迅猛發展，我國政府就針對光伏行業提供了一系列支持和優惠政策，進一步提高了光伏發電行業快速發展的進度。光伏電站在進行并網過程中很容易造成過電流、過電壓等影響電能質量的問題，電網運行的穩定性也會成為制約光伏工業發展的主要因素。

1 ?光伏電站的相關理論

光伏發電又稱為太陽能發電，它是需要在有光照的情況下才能夠完成的發電系統，因此不能任意時刻都發出電能，在發電過程中會伴隨著很多的不確定性，光伏系統在接入電網的過程中也必然會導致電網電壓波動，因此，隨著光伏發電量的不斷增加，對電網穩定性將會造成越來越顯著的影響。

圖1為光伏并網圖，根據電路基礎理論，設定電網電壓為U，并網點電壓為Upv，則可以根據下述公式（1）計算 ：

（1）

式（1）中，Ppv為系統輸出的有功功率;

Qpv為系統輸出的無功功率。

在光伏電站中，并網的連接方式有多種，現目前的光伏電站主要是以專線接入、T型接入為主要方式。圖2為光伏電站設備總覽圖，在這個過程中，太陽能所轉化的直流電匯聚到匯流箱以后，送入逆變器，使DC轉化為AC，在經過升壓處理后達到并網要求[1]。

2 ?光伏電站無功補償的相關要求

2.1 無功補償的原理

首先，我們都知道無功功率對應的是電網中的電壓質量，而在光伏發電系統中也是如此，那么要想提高和改變電網的電壓質量就需要改變系統的無功功率。在功率三角形中功率因數表示為。根據圖3 可知，假設電網的感性無功為Q，而設備補償的無功為，那么此時負載從電網中吸取的無功為，此時，通過對電網的無功進行補償以后，電網的功率因數就會發生改變，利用前面的公式可以計算得到電網的功率因數由調整到，那么改變了電網的功率因數以后就會使得電網的損耗降低，也會降低電網的 ? ?投資水平[2]，同時也會使得電力系統的視在功率S減小。

2.2 光伏逆變器的無功功率

光伏逆變器是光伏電站的一個核心裝置，在我國它普遍以輸出最大的太陽能可持續利用的有功功率作為主要目的。在光伏發電系統中一般采用的是恒功率因數控制的方式，且該系統通常是運行在一個單位功率因數的工作狀態，因此可假設系統在光伏發電的過程中，無功功率的輸出是零。即Qpv=0，可得：

（2）

由公式（2）可以得出，當光伏發電系統并網以后會引起并網點電壓上升 ? ? ? ? ?，嚴重時甚至會導致電壓越限，使系統的運行穩定性得到不保障。

當光伏電站中的有功功率達標的情況之下，逆變器的無功出力就會受到逆變器開關容量的限制，這個時候就需要有無功調節裝置對系統進行無功調節。

根據所學知識，我們可以把光伏電站中的有功、無功用公式表示為：

其中：P、Q為逆變器輸出的有功、無功功率;

為逆變器橋臂兩側輸出的電壓;

為橋臂電抗;

為相位差值。

根據公式（3），我們就能夠更好地去研究光伏逆變器中的無功功率了。

3 ?光伏電站無功補償容量的確定

在光伏發電系統中，設系統所需的有功為Ppj，補償前功率因數為、補償后的功率因數為2，則根據電力系統中的功率三角形公式，用電設備的補償容量的計算公式可由下式表示：

在經過三角函數變換公式對上述公式進行變形得到：

（5）

根據公式（5）利用MATLAB仿真軟件仿真出曲線，具體情況見圖4。

根據圖4很明顯能夠看出，補償容量與功率因數之間存在一種曲面關系，可以看出在逐漸增大的過程中，功率因數是逐漸變慢的。故當功率因數增加得過多的時候是不利于設備正常工作的，因此，我們在調節功率因數時應該不超過某一數值3，可以得到電力系統中容量補償范圍為：

4 ?光伏電站無功補償方式

光伏發電作為現階段清潔能源發電的一個重要產業，它的發展極其迅速[3]，發電量也在不斷提升，分布也越來越廣，逐漸成為我國電力行業中的一個不可缺少的部分。為保證光伏電站在并網過程中使得電網的運行達到理想狀態，在現階段的光伏電站中，主要有以下幾種無功補償的方式。

（1）按電壓大小進行無功補償[4]：在無功檢測裝置中會檢測到電網電壓大小，當檢測到的電壓低于設置的最小值時，會使得無功補償裝置進行無功補償，調整電壓大小;反之，會使得系統切除無功補償的電容。

（2）按功率因數和無功復合控制：該種方式是電網傳統的無功控制方式之一，其具體控制策略如下。

當無功功率為負時，切除補償器;

功率因數大于上限值時，切除補償器;

無功功率大于上限值且低于功率因數小于下限值時，投入補償器;

除以上策略外，其他情況補償器均不動作。

（3）按時間順序控制無功是否補償：該種方式是根據系統的實際運行情況，利用日負荷曲線，分時分段的對系統中的無功功率進行調整。但該種補償方式技術要求高、適應性也相當的差，因此未得到廣泛使用[5]。

（4）按電壓和無功功率的復合控制：該種方式主要是在九區圖的基礎下建立起來的，其控制策略如圖5所示。

在圖5中：表示系統電壓最大值;

表示系統電壓最小值;

表示無功功率最大值;

表示無功功率最小值。

根據表1可知，當電網電壓和功率因數處在九區圖的任何一個位置時，都能夠采取相應的措施來對電網進行降耗調整[6]，同時采用以上補償控制策略，能夠起到消除補償器投切振蕩的麻煩，也提高了無功補償的判斷投切能力，在電網補償的過程中起到了更好的穩定性和準確性[7]。

5 ?結語

光伏發電是國家大力支持的新型能源發電方式之一，當其采用較好的無功補償方式以后，就能夠有效地避免大量的光伏接入時對電網造成的沖擊，也能夠有效地減小光伏系統對電網的影響。同時，在光伏發電的過程中裝設無功補償裝置能夠起到降低電能損耗，抑制電網功率諧波，改善電能質量的優點。總之，無功補償技術的研究具有廣闊的應用前景，其控制策略、控制方法有待于進一步的研究和探討。

參考文獻

[1] 朱彥瑋，賈春娟，李瑋，等.大中型光伏電站無功補償配置研究[J].電器與能效管理技術，2014（20）：55-59.

[2] 黎春榮，郭小梅，楊翔極，等.電力系統中無功補償裝置的應用研究[J].科技創新導報，2020，17（12）：5，7.

[3] 景遷.光伏電站無功補償分析[J].電工技術，2016（11）：126-127.

[4] 焦龍，馬金龍.光伏逆變器無功功率特性研究[J].寧夏電力，2017（1）：54-57.

[5] 王賓，張健.光伏發電站并網逆變器代替SVG集中式無功補償裝置探討[J].四川水力發電，2019，38（6）：114-117.

[6] 張剛剛.光伏電站動態無功補償技術的研究與應用[J].機電信息，2017（15）：18-19.

[7] 曹學華，楊博.光伏并網逆變器效率測試及分析[J].電力設備管理，2021（5）：139-140.

作者簡介：黎春榮（1996—），男，本科，研究方向為電力工業、自動化技術。