無功功率控制在光伏發(fā)電并網(wǎng)中的應(yīng)用

王 卓，鄒 俊，譚 建

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

在全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟪掷m(xù)增長的背景下，光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種可再生能源技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于能源領(lǐng)域。然而，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)連接是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源供應(yīng)的關(guān)鍵步驟之一。在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，無功功率控制是不可或缺的環(huán)節(jié)。其目標(biāo)是通過調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功功率來穩(wěn)定電網(wǎng)的電壓和頻率，以確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。電壓-無功（Voltage-Reactive Power，V-Q）控制算法是一種常用的控制策略[1-2]。文章重點(diǎn)介紹V-Q控制算法的原理、工作步驟、控制器的選擇以及實(shí)現(xiàn)方式等內(nèi)容。V-Q控制算法以電網(wǎng)的電壓和頻率信號為基礎(chǔ)，根據(jù)電網(wǎng)需求動態(tài)調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功功率輸出。在選擇和實(shí)現(xiàn)V-Q 控制器時(shí)，需要考慮多個(gè)因素，如控制器的可靠性、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。文章以我國西北某光伏發(fā)電場為例，對算法進(jìn)行評估，驗(yàn)證算法在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)中的有效性和可行性。

1 應(yīng)用案例分析

1.1 背景介紹

我國西北地區(qū)光照充足、風(fēng)速較高，因此光伏發(fā)電在該地區(qū)得到廣泛的推廣和應(yīng)用。某光伏發(fā)電場位于我國西北地區(qū)的寬闊平原上，占地面積大，年均太陽輻射量豐沛。該光伏發(fā)電場裝備了大量光伏組件，能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換為電能，生產(chǎn)并供應(yīng)清潔能源。該光伏發(fā)電場的基本情況如表1 所示。

表1 光伏發(fā)電場的基本情況

在該光伏發(fā)電場與電網(wǎng)并網(wǎng)過程中，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接尤為重要。因此，無功功率控制的應(yīng)用對于該發(fā)電場具有重要意義。

1.2 算法應(yīng)用

晴朗的天氣和充足的陽光資源為光伏發(fā)電提供了巨大潛力。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)具有隨機(jī)性，電網(wǎng)也會發(fā)生動態(tài)變化，光伏發(fā)電場可能會產(chǎn)生較強(qiáng)的無功功率波動。這不僅會影響電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定性，還可能導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定。為解決這些問題，文章引入改進(jìn)的V-Q 控制算法，以提高系統(tǒng)的靈敏度，防止振蕩和過調(diào)節(jié)，并降低諧波水平[3]。通過實(shí)施該控制算法，可以更準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)光伏發(fā)電場的無功功率，使其更好地適應(yīng)電網(wǎng)對無功功率調(diào)節(jié)的需求，從而確保光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接。

2 無功功率控制算法

2.1 V-Q 控制算法原理

V-Q 控制算法是一種常用的無功功率控制方法，即根據(jù)電網(wǎng)電壓變化的偏差來調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功功率輸出，以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

第一步，監(jiān)測電網(wǎng)電壓。通過傳感器或監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)的電壓數(shù)據(jù)，并進(jìn)行監(jiān)測和記錄。

第二步，設(shè)定電壓目標(biāo)值。根據(jù)電網(wǎng)的額定電壓和容許范圍、電網(wǎng)運(yùn)行要求和負(fù)載情況，設(shè)定合理的電壓目標(biāo)值。

第三步，計(jì)算電壓偏差。比較實(shí)際電網(wǎng)電壓與設(shè)定的電壓目標(biāo)值，計(jì)算出電壓偏差，即

式中：EV表示電壓偏差；UA表示電網(wǎng)實(shí)際電壓；UT表示電壓目標(biāo)值。

第四步，調(diào)整無功功率輸出。根據(jù)電壓偏差的方向和大小，調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功功率輸出。當(dāng)電壓偏差為正時(shí)，表示電網(wǎng)電壓高于目標(biāo)值，此時(shí)需要增加無功功率來吸收電網(wǎng)的無功功率；當(dāng)電壓偏差為負(fù)時(shí)，表示電網(wǎng)電壓低于目標(biāo)值，此時(shí)需要減少無功功率來注入電網(wǎng)的無功功率。

第五步，控制策略和調(diào)節(jié)方法。根據(jù)電壓偏差的變化情況，采用控制器來調(diào)節(jié)光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功功率輸出。控制器會根據(jù)電壓偏差的大小和變化速度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率輸出，并根據(jù)反饋信號實(shí)時(shí)更新無功功率輸出值，使其逐漸接近設(shè)定的目標(biāo)值。

2.2 控制器選擇和實(shí)現(xiàn)方式

2.2.1 PID 控制器

在考慮該光伏發(fā)電場的實(shí)際情況后，選擇使用比例-積分-微分（Proportion-Integration-Differentiation，PID）控制器控制V-Q[5-6]。PID 控制器是一種常用的無功功率控制器，通過實(shí)施比例、積分和微分調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對電壓偏差的精確控制，并確保迅速響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對無功功率的穩(wěn)定控制。PID 控制器的輸出計(jì)算公式為

式中：Kp、Ki和Kd分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；e(t)表示當(dāng)前時(shí)刻的誤差（偏差），即期望值與實(shí)際值之間的差異；表示誤差的積分，即誤差的累積量；表示誤差的導(dǎo)數(shù)，即誤差變化的速率。

2.2.2 算法改進(jìn)

電力系統(tǒng)受負(fù)載變化、傳輸線路等因素的影響，可能出現(xiàn)頻繁的振蕩和過調(diào)節(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生損耗，甚至可能造成系統(tǒng)崩潰。為確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并防止出現(xiàn)振蕩和過調(diào)節(jié)等現(xiàn)象，采用自適應(yīng)PID 控制算法。

自適應(yīng)PID 控制算法通過監(jiān)測電力系統(tǒng)的動態(tài)特性和輸出響應(yīng)，實(shí)時(shí)調(diào)整PID 參數(shù)，以適應(yīng)系統(tǒng)的變化。具體而言，自適應(yīng)PID 控制算法可以根據(jù)當(dāng)前的誤差和參考模型的輸出來更新PID 參數(shù)。通過反復(fù)迭代更新PID 參數(shù)，動態(tài)調(diào)整控制器的增益，從而實(shí)現(xiàn)更好的控制性能。

第一步，計(jì)算當(dāng)前誤差e(t)，即

式中：r(t)為參考模型的輸出；y(t)為實(shí)際輸出。

第二步，根據(jù)誤差計(jì)算適應(yīng)法則，即

式中：Δθ(t)為參數(shù)的修正量；Γ為適應(yīng)率增益；f(t)為狀態(tài)變量，可以是輸入、輸出或其他相關(guān)信息。

第三步，更新PID 參數(shù)，即

式中：θ(t)為PID 參數(shù)，包括Kp、Ki和Kd。

3 實(shí)際應(yīng)用案例

3.1 應(yīng)用V-Q 控制

在光伏發(fā)電場/電站中，V-Q 控制是一種常用的控制策略，主要用于調(diào)整光伏系統(tǒng)的功率因數(shù)和電壓。V-Q 控制的主要目標(biāo)是調(diào)節(jié)光伏逆變器的無功功率輸出，以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性。其可以根據(jù)電網(wǎng)的需求來調(diào)整光伏系統(tǒng)的無功功率輸出，以保持所需的功率因數(shù)水平。例如，在低負(fù)荷時(shí)，光伏系統(tǒng)可以向電網(wǎng)提供無功功率，以提高功率因數(shù)；在高負(fù)荷時(shí)，光伏系統(tǒng)可以吸收電網(wǎng)的無功功率，以降低功率因數(shù)。根據(jù)電網(wǎng)要求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置所需的功率因數(shù)范圍，即0.9 ～0.95。

為實(shí)現(xiàn)V-Q 控制，該光伏發(fā)電場采用自適應(yīng)PID 算法來控制光伏逆變器。通過傳感器監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)，并根據(jù)需求調(diào)整無功功率輸出。根據(jù)電網(wǎng)要求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置所需的電壓調(diào)節(jié)范圍，即380 ～420 V。V-Q 控制原理如圖1 所示。

圖1 V-Q 控制算法原理

3.2 應(yīng)用效果與反饋

V-Q 控制通常根據(jù)實(shí)際的功率因數(shù)要求來調(diào)整光伏系統(tǒng)的無功功率輸出。通過監(jiān)測電網(wǎng)的功率因數(shù)和光伏系統(tǒng)的無功功率輸出，可以評估控制策略的有效性。如果功率因數(shù)未達(dá)到要求，則需要調(diào)整控制算法或相關(guān)參數(shù)。

在項(xiàng)目中，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行情況對V-Q控制進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。同時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)的性能和響應(yīng)，并根據(jù)實(shí)際需求和電力標(biāo)準(zhǔn)對控制策略進(jìn)行評估和驗(yàn)證。文章利用傳感器監(jiān)測了該變電站一天的電壓變化范圍，并利用電壓反饋，通過自適應(yīng)PID 算法對功率輸出進(jìn)行精確控制。V-Q 控制優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 V-Q 控制優(yōu)化結(jié)果

由于光伏發(fā)電的不可控性和間斷性，光伏系統(tǒng)的電壓可能會產(chǎn)生較大波動，導(dǎo)致電網(wǎng)功率不平衡。在V-Q 控制算法中，自適應(yīng)PID 控制器可以根據(jù)電網(wǎng)的功率需求快速調(diào)整光伏系統(tǒng)的無功功率輸出，有效平衡電網(wǎng)功率，從而降低對電網(wǎng)的影響。

4 結(jié) 論

文章探討了V-Q 控制算法和自適應(yīng)PID 控制器在光伏發(fā)電并網(wǎng)中的應(yīng)用，旨在為光伏發(fā)電并網(wǎng)中的無功功率控制提供有益的指導(dǎo)和參考。同時(shí)，通過案例分析發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)PID 控制器能夠快速響應(yīng)并調(diào)整無功功率輸出，以更好地滿足設(shè)定的目標(biāo)值。通過動態(tài)調(diào)整PID 參數(shù)，能夠根據(jù)實(shí)際情況自適應(yīng)地調(diào)節(jié)控制效果，從而確保光伏發(fā)電場更加高效穩(wěn)定的運(yùn)行。光伏發(fā)電場具有巨大潛力，在光伏發(fā)電場中應(yīng)用PID 控制器可以提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。