黃亞峰，于洋，嚴干貴，李龍，常青云

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206；2.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012）

隨著氣候變暖、能源危機問題的日益突出，可再生能源已成為發(fā)展趨勢，其中太陽能光伏發(fā)電是可再生能源利用的重要形式[1-2]。而以農(nóng)村屋頂光伏發(fā)電或城市小規(guī)模建筑光伏發(fā)電為主的分布式光伏發(fā)電[3-4]，大多處于比較偏遠的地區(qū)，距離主干電網(wǎng)較遠，需要通過長距離的輸電線與電網(wǎng)相連[5-6]。分布式光伏發(fā)電的這種弱電網(wǎng)[7-8]連接形式使得由于光照條件改變以及配電網(wǎng)負荷變化引起的接入點電壓波動問題較為明顯，嚴重時甚至出現(xiàn)電壓越限風險，引起人們廣泛關注[3]。對于三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器，其主電路一般采用電壓型全橋結構[9]，該結構與常規(guī)的靜態(tài)無功補償裝置（SVG）的主電路[10]完全一致。而在實際運行過程中，因為自然條件光照的原因，逆變器運行的功率水平較低，因此具有大量的功率余量可用于無功調(diào)節(jié)為所接入電網(wǎng)提供無功支撐[11]，改善電網(wǎng)運行質(zhì)量，并能節(jié)省無功補償裝置的費用。因此分布式光伏在發(fā)電同時能兼顧電網(wǎng)電壓無功調(diào)節(jié)需求就會非常有價值。

本文通過建立光伏逆變器接入配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)分析模型，分析了逆變器的無功調(diào)節(jié)能力及其主要影響因素。構建了接入配電網(wǎng)運行時面向電網(wǎng)電壓調(diào)整的無功功率控制策略，通過仿真實驗，驗證了該策略的有效性。

1 聯(lián)網(wǎng)光伏逆變器穩(wěn)態(tài)分析模型

目前，常用的光伏逆變器拓撲結構[12-13]有單級式和兩極式。兩極式結構逆變器雖然從成本與效率上不及單級式逆變器，但其具有直流母線電壓穩(wěn)定、系統(tǒng)設計靈活、控制目標明確等諸多優(yōu)點，使兩極式拓撲結構得到了廣泛的應用，成為當前戶用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的標準應用形式之一。

因此本文研究的光伏逆變器采用兩級式結構，考慮到穩(wěn)態(tài)情況下前級DC/DC環(huán)節(jié)對后一級逆變器DC/AC環(huán)節(jié)的影響僅是一個有功功率的注入關系，所以本章討論光伏逆變器無功調(diào)節(jié)能力時對前一級做了簡化，僅視為一個有功功率注入源，這里用一個可控的直流電流源替代。大功率并網(wǎng)逆變器開關頻率不高，為有效降低濾波器體積和損耗，則采用LCL型濾波器設計[14]。為了穩(wěn)態(tài)分析方便，作以下假設：

1）忽略逆變器自身損耗及濾波電路損耗；

2）只考慮基波分量，其余高次諧波分量忽略不計。

基于上述假設條件，穩(wěn)態(tài)情況下，光伏逆變器部分簡化的分析模型如圖1所示。

圖1 簡化逆變器穩(wěn)態(tài)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of simplified inverter steady-state model

圖1 中，Udc為直流電壓；U觶inv為逆變器交流側輸出電壓；Upcc為逆變器并網(wǎng)點電壓；I觶g為逆變器注入電網(wǎng)電流；XfL1，XfL2及Xfc分別表示LCL濾波電路的3條支路電抗。

在兩相d/q同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，d軸定向于接入點電壓矢量位置，那么對于任意一穩(wěn)態(tài)工況下，接入點電壓矢量將是一個定值，且只有d軸分量，即：

設逆變器并網(wǎng)電流為I觶g=id·g+jiq·g，根據(jù)逆變器方程，在基波正弦穩(wěn)態(tài)情況下，微分項為0，網(wǎng)側DC/AC逆變器在d/q坐標下的穩(wěn)態(tài)模型可以用如下方程描述：

式（2）給出了逆變器輸出電壓與接入點電壓和電網(wǎng)電流之間的關系，其中，如果結合具體LCL設計參數(shù)[15-16]，有ω2L1Cf塏1，ω2L1L2Cf塏L1+L2成立，所以在基波穩(wěn)態(tài)情況下，對于LCL濾波器逆變器分析可以簡化為配置單個L=L1+L2濾波器的逆變器分析，即式（2）可簡化為

穩(wěn)態(tài)情況下，忽略逆變器動態(tài)過程，有：udinv=穩(wěn)態(tài)情況下，在給定的一直流環(huán)節(jié)運行電壓Udc情況下，控制器輸出[m，δ]可表示為

式中，m為SPWM調(diào)制比；δ為U觶inv超前于U觶pcc的相位角度。

設聯(lián)網(wǎng)逆變器前端注入直流環(huán)節(jié)的有功功率為P，逆變器注入系統(tǒng)的無功功率為Q，采用并網(wǎng)點電壓定向控制情況下，逆變器經(jīng)并網(wǎng)點注入系統(tǒng)功率可表示為

聯(lián)立式（3）、（4）、（5），形成以Udc及Upcc為給定量，P、Q為自變量，id·g、iq·g、m和δ為因變量的代數(shù)方程組。因此在任意給定一功率調(diào)節(jié)工況情況下，都可以根據(jù)以上代數(shù)方程組求取聯(lián)網(wǎng)逆變器達到穩(wěn)態(tài)運行時的電壓、電流運行狀態(tài)及控制器輸出的關鍵控制量信息。

2 聯(lián)網(wǎng)逆變器無功調(diào)節(jié)能力分析

2.1 聯(lián)網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)運行約束條件

顯然，逆變器發(fā)出的無功功率能力并不是無限的，而是受到多方面因素制約。這里為了討論逆變器在傳輸有功功率的同時其允許的無功功率調(diào)節(jié)范圍，給出光伏并網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)運行約束條件。

2.1.1 接入點運行電壓約束

逆變器設計時一般考慮到系統(tǒng)電壓的變化，會允許逆變器接入點電壓與其額定運行電壓存在一定的偏差，一般設計的接入點電壓范圍為UN（1±10%）。

2.1.2 最大運行電流Imax

為了保證逆變器電力電子器件的運行安全，設計選型時，允許的最大電流留有較大的裕度，一般取2倍的額定電流有效值，本文討論無功調(diào)節(jié)能力

2.1.3 控制約束條件

對于采用正弦波調(diào)制的三相逆變電路而言，為了保證SPWM控制的有效性和逆變器輸出電壓的波形質(zhì)量，在采用規(guī)則采樣法SPWM脈沖控制方式，調(diào)制比m取值范圍（0，1]，當調(diào)制比取最大值1時，其輸出相電壓基波幅值最大為Udc/2。

逆變器在傳輸某一有功情況下，如果進一步從系統(tǒng)中吸收無功功率，隨著吸收無功功率的增大，將首先觸及最大電流約束邊界；同樣，在傳輸該有功功率情況下，如果向系統(tǒng)提供無功功率，隨著提供無功功率的增大，將首先觸及最大逆變電壓約束邊界。

2.2 無功調(diào)節(jié)能力計算方法

本文研究的具體問題是：在給定系統(tǒng)參數(shù)情況下，逆變器在傳輸某一有功功率P時，其無功調(diào)節(jié)能力如何計算。

討論中涉及的主要系統(tǒng)參數(shù)有：

SN，UN，IN分別為逆變器額定功率，額定電壓，額定電流；L為濾波器電抗；Udc為直流母線電壓；Upcc為接入點電壓；f為開關頻率。

下面根據(jù)逆變器運行的主要約束條件，對無功調(diào)節(jié)能力進行分析。

由最大電流約束條件有：

上式結合式（5）可得：

由逆變器最大可逆變電壓約束條件有：

上式結合式（3）及（5）可得：

設定逆變器無功調(diào)節(jié)下限為Qmin，無功調(diào)節(jié)的上限為Qmax，根據(jù)式（7）和式（9）可得無功調(diào)節(jié)上下限為:

逆變器接入點的電壓Upcc在額定條件下為UN，實際場景中，接入點電壓會隨系統(tǒng)運行狀況發(fā)生變化，一般在額定電壓0.9 pu~1.1 pu內(nèi)波動。

3 改善接入電網(wǎng)電壓運行質(zhì)量的無功控制策略

傳統(tǒng)的光伏逆變器控制策略通常采用cosφ=1的單位功率因數(shù)控制，其無功電流參考指令值直接設置為0，本文在原有控制之前加入電壓無功調(diào)整策略，其無功電流參考指令給定方式如圖2所示。

圖2 面向接入電網(wǎng)調(diào)壓要求的逆變器無功控制策略Fig.2 Inverter reactive power control strategy facing regulation requirements of the grid voltage

圖2 所示無功控制策略，是以追蹤給定的接入點電壓為目標的，當光伏注入功率或配電網(wǎng)負荷變化引起接入點電壓Upcc波動時，逆變器盡量補償系統(tǒng)需求的無功，對電壓進行支撐以改善接入點電壓質(zhì)量。逆變器的無功調(diào)節(jié)參考值由電壓偏差經(jīng)過PI控制器來確定，該無功參考指令通過無功實時的無功限幅環(huán)節(jié)后作為最終逆變器控制輸出的無功功率目標。

4 算例及仿真分析

為了驗證本文無功控制策略的有效性，利用仿真軟件PSCAD搭建逆變器接入某一配電網(wǎng)運行的仿真算例。仿真系統(tǒng)的簡化連接電路如圖3所示，給出了光伏逆變器通過公共接入點（PCC）接入某配網(wǎng)運行示意圖。該運行模式下，光伏逆變器以分布式電源方式接入配電網(wǎng)，與系統(tǒng)電源一起為負載提供電能。逆變器出口電壓經(jīng)變壓器T2升到10 kV，連接長距離輸送線路（9.48Ω+j8.457Ω）由變壓器T1升到35 kV，母線2接有負載。

圖3 光伏逆變器接入配電網(wǎng)示意圖Fig.3 Diagram of photovoltaic inverters connected to distribution network

4.1 光伏逆變器無功調(diào)節(jié)能力算例分析

表1給出了無功控制策略驗證仿真中所用到的某100 kV·A光伏逆變器主要系統(tǒng)參數(shù)，對其無功調(diào)節(jié)能力進行計算分析。

表1 100 kV·A光伏逆變器系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of the 100 kV·A photovoltaic invert

結合式（10），考慮到逆變器無功調(diào)節(jié)能力受接入點電壓影響，在給定系統(tǒng)參數(shù)的情況下，圖4給出了逆變器輸出無功功率Q與有功功率P、接入點電壓Upcc的三維關系圖。

圖4 輸出無功功率Q與有功功率P，接入點電壓U pcc的三維關系圖Fig.4 Output reactive power output Q，active power P，voltage of connected point U pcc

表2給出逆變器在接入點不同電壓水平下具體的無功調(diào)節(jié)能力計算結果。分析得出兩極式結構光伏逆變器輸出無功功率的能力隨輸出有功功率的增加而減弱；同時也隨接入點電壓的升高而加強。

4.2 負荷變化時電壓無功調(diào)節(jié)仿真

仿真過程中模擬配電網(wǎng)負荷的變化對接入點電壓的影響。從t=0時刻開始，直到t=2 s前，配電網(wǎng)負荷P=100 kW，Q=60 kV·A；在第2秒時使配電網(wǎng)負荷增加1倍（P=200 kW，Q=120 kV·A）。圖5（a）所示為光伏逆變器輸出無功功率波形，圖5（b）所示為接入點電壓的波形。光伏逆變器采用cosφ=1的單位功率因數(shù)控制策略，在2 s時由于配電網(wǎng)負荷增加使接入點電壓從1.008 pu降到0.978 pu，接入點電壓水平下降；當逆變器采用無功控制策略時，在第2秒時由配電網(wǎng)負荷增加導致降低的接入點電壓由0.978 pu迅速提升到1.006 pu，基本補償了由負荷變化引起的接入點電壓水平下降問題。當逆變器容量進一步增大，其電壓支撐作用則更強，可使電壓完全恢復到配電網(wǎng)負荷波動前的水平。

表2 不同工況下可發(fā)無功功率Q/puTab.2 Output of the available reactive power under different conditions Q/pu

圖5 配電網(wǎng)負荷變化時仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of distribution network load variations

4.3 光伏有功功率變化時電壓無功調(diào)節(jié)仿真

仿真過程中模擬光伏注入有功功率變化，比較了cosφ=1的單位功率因數(shù)控制和文本研究的無功控制兩種控制方式下接入點電壓的電壓質(zhì)量。從t=0時刻開始，直到t=2 s前，氣候條件為G=400 W/m2和T=25℃；t=2 s時刻，氣候條件發(fā)生改變（G=800 W/m2和T=25℃）致使光伏注入功率增加，波形如圖6（a）所示。當光伏并網(wǎng)逆變器采用cosφ=1的單位功率因數(shù)控制時，逆變器輸出的無功功率為0 pu，配電網(wǎng)接入點電壓由1.007 pu上升到1.028 pu，存在接入點電壓波動問題。采用無功控制策略，如圖6（b）所示在光伏注入功率增加的同時立刻使逆變器吸收一定數(shù)量的無功功率，此時接入點的電壓在波動后迅速降低到1.01 pu，基本上維持了接入點電壓的穩(wěn)定。

圖6 光伏注入功率變化時仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of PV injected power variations

5 結論

本文分析了光伏逆變器無功調(diào)節(jié)能力及其影響因素，構建分布式光伏接入配電網(wǎng)運行時電壓無功調(diào)節(jié)控制策略，經(jīng)過理論分析和仿真驗證，得出以下基本結論：

對于兩極式光伏逆變器，其無功調(diào)節(jié)能力受接入點電壓影響較大。在電網(wǎng)額定條件下，逆變器傳輸有功功率p=1.0 pu時，傳輸無功功率范圍是[-0.66 pu，0.66 pu]；傳輸有功功率P=0 pu時，傳輸無功功率范圍是[-1.2 pu，1.2 pu]?？梢姛o功功率調(diào)節(jié)的潛力很大。

分布式光伏接入配電網(wǎng)運行時，發(fā)揮逆變器無功調(diào)節(jié)作用將有效改善由配電網(wǎng)負荷變化和光伏注入功率變化引起的接入點電壓波動，改善電壓質(zhì)量。

[1] 崔容強，黃燕，孫鐵囤.中國太陽能光伏發(fā)電面臨的困難與前景[J].能源工程，1999（5）：1-3.CUI Rong-qiang，HUANG Yan，SUN Tie-tun，et al.Problems and prospects of photovoltaic development in China[J].Energy Engineering，1999（5）：1-3（in Chinese）.

[2] 趙春江，楊金煥，陳中華，等.太陽能光伏發(fā)電應用的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].節(jié)能技術，2007（5）：461-465.ZHAOChun-jiang，YANG Jin-huan，CHEN Zhong-hua，et al.State and development of photovoltaic application[J].Energy Conservation Technology，2007（5）：461-465（in Chinese）.

[3] 呂新良，張旭，宋曉林.分布式光伏發(fā)電運行控制技術研究[J].陜西電力，2012（2）：66-69.L譈 Xin-liang，ZHANG Xu，SONG Xiao-lin.Study on distributed photovoltaic operation control technology[J].Shaanxi Electric Power，2012（2）：66-69（in Chinese）.

[4] 梁振鋒，楊曉萍，張娉.分布式發(fā)電技術及其在中國的發(fā)展[J].西北水電，2006（1）：51-53.LIANG Zhen-feng，YANG Xiao-ping，ZHANG Ping.Distributed power generation technology and its development in China[J].Northwest Hydropower，2006（1）：51-53（in Chinese）.

[5]WOYTE A，VAN DEN KEYBUS J，BELMANS R，et al.Grid-connected photovoltaics in the urban environment an experimental approach to system optimization[C]//Power Electronics and Variable Speed Drives，2000 Eighth International Conference，London.UK，2000.

[6]XU Xing-wei，MU Gang，SHAO Guang-hui，et al.The problems and solutions for large-scale concentrated integration of wind power to partially weak regional power grid[C]//Sustainable Power Generation and Supply，2009，6-7 April，1-6.

[7] 裴瑋，盛鹍，孔力，等.分布式電源對配電網(wǎng)供電電壓質(zhì)量影響與改善研究[J].中國電機工程學報，2008，28（13）：152-156.PEI Wei，SHENG Kun，KONG Li，et al.Impact and improvement of distributed generation on distribution network voltage quality[J].Proceedingsof the CSEE，2008，28（13）：152-156（in Chinese）.

[8] 鄒必昌，李濤，唐濤波.分布式發(fā)電對配電網(wǎng)的影響研究[J].陜西電力，2011（5）：9-13.ZOU Bi-chang，LITao，TANGTao-bo.Impacts of distributed generation on power distribution system[J].Shaanxi Electric Power，2011（5）：9-13（in Chinese）.

[9] 張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].1版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[10]韓強，蔣燕玲，馬進.基于STATCOM的雙饋風電場無功電壓控制的研究[J].陜西電力，2012（11）：20-25+37.HAN Qiang，JIANG Yan-ling，MA Jin.Research on reactive power and voltage control in wind farm based on STATCOM and DFIG[J].Shaanxi Electric Power，2012（11）：20-25，37（in Chinese）.

[11]董云龍，吳杰，王念春，等.無功補償技術綜述[J].節(jié)能，2003（9）：13-15，19-2.DONG Yun-long，WU Jie，WANG Nian-chun，et al.Summary of reactive power compensation technique[J].Energy Conservation，2003（9）：13-15，19-2（in Chinese）.

[12]海濤，劉得剛，駱武寧，等.一種太陽能光伏并網(wǎng)逆變器的研究[J].陜西電力，2009（1）：49-52.HAI Tao，LIU De-gang，LUO Wu-ning，et al.Research on solar photovoltaic grid-connected inverter[J].Shaanxi Electric Power，2009（1）：49-52（in Chinese）.

[13]才利存，常忠廷，周如，等.500 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011（12）：95-99.CAI Li-cun，CHANG Zhong-ting，ZHOU Ru，et al.Research on grid-connected inverter for 500 kW photovoltaic power system[J].Power System and Clean Energy，2011（12）：95-99（in Chinese）.

[14]王盼，劉飛，查曉明.并聯(lián)型有源電力濾波器輸出LCL濾波器的有源阻尼控制[J].陜西電力，2011（3）：41-46.WANG Pan，LIU Fei，ZHA Xiao-ming.Active damping control of LCL filter based on shunt active power filter[J].Shaanxi Electric Power，2011（3）：41-46（in Chinese）.

[15]LISERRE M，BLAABJERG F，HANSEN S.Design and control of an LCL-filter based three-phaseactiverectifier[C]//Thirty-Sixth IAS Annual Meeting Conference Record of the 2001 IEEE，2001（1）：299-307.

[16]劉飛，查曉明，段善旭.三相并網(wǎng)逆變器LCL濾波器的參數(shù)設計與研究[J].電工技術學報，2010，25（3）：110-116.LIU Fei，ZHA Xiao-ming，DUAN Shan-xu.Design and research on parameter of LCL filter in three-phase gridconnected inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25（3）：110-116（in Chinese）.