分布式光伏無功電壓主動支撐控制方法

鄭許林，袁 源，柏晶晶，姜 望，劉祎文，王亞祥

(1.國網江蘇省電力有限公司鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224005；2.河海大學，江蘇 南京 211100）

0 引言

隨著我國光伏產業的的快速發展，分布式光伏并網的比例大幅度提高[1]，[2]。而分布式光伏并網的發展改變了電網的基本結構，由單端輻射型網絡逐步變為雙端和環形網絡。同時，以電力電子設備為核心的大量非線性負荷以及沖擊性負載被大量使用，由此引起的諧波與無功電流對電網造成了 污 染[3]～[5]。

電壓是電能質量的一個重要指標，配電網電壓的穩定性直接影響負載的穩定運行。目前，電壓質量治理的思路主要有兩種，一種是使用無功補償控制，無功補償調節電壓原理是根據配電網中無功功率與電壓之間呈現的線性關系實現。常用的無功補償方式有并聯電容器或電抗器、同步調相機、靜止無功補償器(Static Var Compensator，SVC）、靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM）等[6]，[7]。文 獻[8]研 究 了 配 電 網并聯或串聯進行無功補償穩定電壓的方式，以及電容和電感進行串并組合形式的無功補償方式，并驗證了補償效果。文獻[9]，[10]分析了SVC的工作原理，SVC是基于電力電子技術發展起來的一種無功補償裝置，由晶閘管控制電容器和晶閘管控制電抗器組合而成，通過控制晶閘管的開通和關斷改變其阻抗特性，實現無功補償的目的。但該類方法均為固定式補償，不具備動態調節能力。文獻[11]～[13]研究了STATCOM在配電網無功補償中的應用及控制，STATCOM通過改變流入或流出電流的相位達到吸收或發出無功功率的目的。這一類方法需要額外增加無功補償設備，大大增加了配電網的投資成本。另一種是直接電壓補償方式。文獻[14]～[16]研究了有載調壓變壓器在配電網中的應用及控制，通過控制配電網變壓器分接頭位置改變輸出電壓，但其調壓方式屬于有級調壓模式，不能平滑切換電壓。文獻[17]，[18]研究了動態電壓恢復器在配電網中對電壓的補償作用，動態電壓恢復器串聯在配電網中，通過產生與配電網電壓同相位同頻率的正弦信號直接疊加在配電網電壓上，實現直接電壓補償，可以看做在配電網中串聯了一個動態電源，因此需要額外的儲能支撐，成本較高。已有方法均需要單獨配置補償裝置，大大增加了電網的投資，而合理利用分布式光伏并網變流器本身的電流裕量實現無功補償，具有明顯的成本優勢。

本文針對電網電壓質量問題展開研究，從電能線路傳輸角度分析了無功功率對電網電壓的影響，研究了光伏并網逆變器在無功補償中的控制方法，并提出了基于母線下垂控制的主動電壓質量支撐控制方法。

1 光伏逆變器電壓主動支撐原理

1.1 無功功率與電壓響應

在電力系統中，電壓的穩定取決于系統的無功功率，當系統無功功率不平衡時，將導致電壓偏離基準值。為清晰地說明電力系統中電壓與無功功率的關系，本文以單相為例，建立了簡化電力傳輸線模型，如圖1所示。

圖1 輸電線等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of transmission lines

圖中：E˙為線路首端電壓；V˙為線路末端電壓；I˙為 線 路 電 流；Z˙為 線 路 阻 抗；R為 等 效 電 阻；X為等效電抗。假設V˙相位角為0，根據輸電線模型中電氣量之間的相量關系畫出其相量圖，如圖2所示。

圖2 輸電線相量圖Fig.2 Phasor diagram of power lines

圖 中：δ為V˙和I˙之 間 的 相 位 角；θ為E˙和V˙的 相位角；ΔV為壓降的橫向分量；δV為壓降的縱向分量；ΔV˙為線路阻抗造成的壓降。

根據相量關系，有：

以末端電壓為參考，將電流I˙分解為有功分量和無功分量，其有功分量可表示為Ia=Icosφ，無功分量可表示為Ir=jIsinφ。通過線路電流的有功分量和無功分量表示線路壓降，則壓降由兩個部分組成：

輸電線路傳輸的復功率可以表示為S˙=P+jQ，電流的有功無功分量表示為

將 式(2）與 式(3）結 合，可 得：

由于輸電線電阻一般遠遠小于電抗，忽略線路電阻可得：

由圖2相量關系可得：

將 式(5）代 入 式(6），求 解 出V關 于X，P，Q，E的表達式。因為其中兩個為負，應舍去，其余兩個解為

根據穩定性判據[19]，式(7）所描述的關于V的方程有且僅有唯一解，其解為

由式(8）可以看出，線路末端電壓受無功功率的影響最大，當負載感性無功功率越大時，電壓就會越低。

1.2 主動下垂控制基本原理

考慮到線路上電壓降落，定義母線電壓調節系數如下：

式中：ΔV1為母線電壓允許跌落的最小電壓，對應逆變器輸入級的最大輸入容性無功電流ICmax；ΔV2為母線電壓允許升高的最小電壓，對應逆變器輸入級能夠補償的最大感性無功電流ILmax。

根據國家標準，220 V單向供電電壓偏差為基 準 電 壓 的+7%，-10%，即198 V∶235.4 V。為 進 一步提高母線電壓質量，取 ΔV1=ΔV2=10 V。母線電壓下垂調節特性曲線如圖3所示。

圖中：Vref為母線電壓指令值；V*ref為修正后的母線電壓指令值。當母線電壓降低時，U-I特性如負載線2所示，結合式(10）可 知，因k>0，Iq>0，因此V*ref>Vref。可以看出，在母線電壓降低時，下垂調節使母線電壓略高于基準值。

式中：Δv為母線電壓指令值的修正量。

在母線電壓升高時，為使母線電壓仍然維持在基準值之上，考慮使用反向下垂調節，如式(11）所 示。在 反 向 下 垂 調 節 模 式 下，-k＜0，Iq＜0，因 此，也實現了母線電壓略高于基準值的目的。

由圖3可以看出：在使用理想調節時，母線電壓的給定值為平行于橫軸的一條直線，其值為Vref；而在結合使用了下垂調節與反向下垂調節后，母線電壓參考值為圖3中的反向下垂調節及下垂調節對應的實線部分，在一定程度上提高了母線電壓，負載的電壓質量得到了保障。當母線電壓降低時，光伏逆變器向配電網多補償一定的無功功率；當母線電壓升高時，光伏逆變器從配電網少吸收一定的無功功率。

基于減小損耗和抵抗無功擾動的思路，本文使用下垂控制和反向下垂控制使電壓略高于基準電壓。由于當前配電網中電器大都表現為阻感性，且更多地朝著恒功率方向發展，因此在電壓允許范圍內略提高電壓有助于減小線路損耗，避免末端電壓過低；有助于減輕負載接入對配電網母線電壓的影響，提高電壓質量和抗干擾能力。

2 光伏逆變器電壓支撐控制策略

2.1 母線電壓控制原理

如圖4所示，三相太陽能光伏并網結構由光伏電池板、Boost升壓電路和三相逆變器構成。本文利用三相并網逆變器的額外容量進行電網的無功支撐。

圖4 三相太陽能光伏并網結構圖Fig.4 Three-phase solar photovoltaic grid-connected structure diagram

通過光伏并網逆變器進行無功補償的原理如圖5所示。首先采樣三相母線電壓，經過dq變換后得到d軸電壓，其中 ω為網側角頻率，由于Vq=0，因此d軸電壓即可看作母線電壓。d軸電壓指令值為母線電壓指令值的倍，當d軸電壓偏離指令值時，其誤差值經過PI環節矯正后得到輸入級三相變流器的無功電流指令值iq_ref。iq_ref作為輸入級電流內環控制的指令值，經雙閉環控制后得到調制波，控制輸入級三相變流器的開關管和輸入三相電流的相位，達到無功補償的目的。

圖5 光伏并網逆變器參與電壓支撐控制原理Fig.5 Photovoltaic grid-connected inverter participates in the voltage support control schematic

當母線電壓低于指令值時，即負載上消耗過多無功功率，逆變器需要向電網發出無功功率，此時逆變器輸入無功電流Iq＜0；當母線電壓高于指令值時，即負載向電網發出無功功率，逆變器吸收無功功率維持電壓穩定，此時逆變器Iq>0。

2.2 無功電流反饋的母線電壓下垂控制

在光伏逆變器電壓主動支撐控制策略的控制過程中，光伏并網逆變器嚴格按照指令電壓進行調節，考慮到母線距離負載有一定的距離，線路上的壓降不可忽略，所以在控制時可以將母線電壓提高少許，稍高于基準電壓，這就是母線電壓的下垂調節方法。

圖6為逆變器母線電壓下垂調節控制方法的原理。對比圖5的理想調節，下垂調節引入了逆變器無功電流反饋環節，逆變器無功電流與母線電壓下垂調節系數k相乘后得到母線電壓指令值的修正量，再與母線電壓指令值相加得到修正后的母線電壓指令值，后續控制方式與圖5描述的理想調節一致。

圖6 并網逆變器母線電壓下垂調節控制Fig.6 Grid-connected inverter bus voltage droop regulation control

當母線電壓降低時，逆變器向電網多補償一定的無功功率；當母線電壓升高時，逆變器從電網少吸收一定的無功功率。值得注意的是，逆變器的無功電流受其容量限制，若超出補償能力范圍，則逆變器只能以額定最大無功電流ILmax或ICmax運 行 。

3 實驗驗證

本文利用在Typhoon HIL中搭建的模型進行實驗測試，系統參數設計如表1所示。

表1 實驗參數設計Table 1 Experimental parameter design table

在母線電壓降低實驗中，0.5 s時在母線上增加150 kVar的無功負載，引起母線電壓降低，逆變器通過無功補償實現電壓的穩定。實驗詳細波形如圖7所示，其中逆變器輸入輸出三相電壓電流均取有效值的平均值，Udc為逆變器輸出電壓有效值。

圖7 母線電壓降低時實驗波形Fig.7 Experimental waveform when the bus voltage decreases

圖7展示了電壓降低情況下，0.2 s∶1.2 s時逆變器的各環節波形。圖7(a）中母線電壓V初始值為220 V，在0.5 s時光伏并網逆變器輸入級進行無功補償，逆變器的輸入無功Q開始減少至-200 kVar，對比擾動量150 kVar，逆變器多補償的無功量是由于采用下垂調節控制而產生的，對應的母線電壓最終恢復至約224 V，整個過程中光伏并網的有功P保持不變。

由圖7(a），(b）可以看出，在電壓降低時逆變器輸入級無功電流Iq由0開始增大，對應向配電網補償無功功率。圖7(c）中輸入電流I由300 A開始增加，無功補償總視在功率增加。圖7(d）為未發生無功擾動時的輸入輸出波形，可以看出，輸入A相電壓電流同相位，因三相平衡，輸入、輸出功率因數均為1。在圖7(e）中引入無功擾動，光伏逆變器對配電網進行無功補償后，A相電流超前于電壓(三相對稱，B相、C相與之相同），相當于一個阻容性負載向配電網發出無功功率，同時由于容性負載濾波作用，電壓波形環寬變小。

在母線電壓升高實驗中，0.5 s時在母線上增加-150 kVar的無功負載，引起母線電壓升高。實驗詳細波形如圖8所示，其中逆變器輸入輸出三相電壓電流均取有效值的平均值。

圖8 母線電壓升高時實驗波形Fig.8 Experimental waveform when the bus voltage increases

圖8(a）中，由于容性無功負載的原因，母線電壓開始升高，逆變器輸入級需要從配電網吸收無功功率，因此逆變器輸入無功功率Q由0減少至100 kVar，低于擾動量(-150 kVar）。這是由于在電壓升高時采用反向下垂控制，母線電壓會略高于基準電壓，最終約為222 V，其輸入有功功率P在調節過程中仍然保持200 kW不變。圖8(d）為未發生容性無功擾動時的輸入輸出波形，可以看出，輸入A相電壓電流同相位，因三相平衡，輸入、輸出功率因數均為1。圖8(e）中，在引入容性無功擾動后，光伏逆變器電壓調節器穩定母線電壓后，A相電流滯后于電壓(三相對稱，B相、C相與之相同），相當于一個阻感性負載從配電網吸收無功功率，同時由于容性負載的濾波作用，電壓波形環寬變小，基本無環寬。

由圖8(a），(b）可以看出，在電壓降低時逆變器輸入級無功電流Iq由0開始增大，對應向配電網補償無功功率。圖8(c）中，輸入電流從300 A開始增加，對應無功補償時總視在功率的增加。

從實驗可以得出結論：在配電網母線電壓降低時，光伏并網逆變器能夠對配電網進行無功補償保持電壓穩定，且由于引入下垂調節，母線電壓會略高于基準電壓，同時光伏并網逆變器的有功功率不受影響；而在配電網母線電壓升高時，逆變器能夠從配電網吸收無功功率保持電壓穩定，且由于反向下垂調節的作用，母線電壓會略高于基準電壓，同時逆變器的輸入輸出有功功率不受影響。

4 結論

本文首先對光伏并網逆變器支持電網電壓穩定的關系進行了量化分析，進一步將電壓下垂控制與逆變器的無功補償控制相結合，給出了基于并網逆變器的電壓下垂控制方法。通過半實物仿真驗證了逆變器調節母線電壓的效果，結果表明，本文所提出的電壓下垂控制能夠有效改善母線電壓質量，且有助于減小線路損耗，避免末端電壓過低，提高了配電網的電壓質量和抗干擾能力。