黃 海 曹 瑋 吳勉宏 朱 雷 蔡德勝

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南通市通州區(qū)供電分公司，江蘇南通 226000；2.南京豐道電力科技有限公司，江蘇南京 210032）

0 引言

光伏發(fā)電出力隨太陽(yáng)日照強(qiáng)度變化而變化，具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性等特點(diǎn)[1]。大規(guī)模的分布式光伏發(fā)電接入后，不僅會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的電壓分布、諧波以及可靠性等產(chǎn)生影響，而且對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)會(huì)直接影響內(nèi)部負(fù)荷潮流分布[2]。對(duì)于光伏并網(wǎng)接入用戶(hù)側(cè)的這種接入方式來(lái)說(shuō)，用戶(hù)側(cè)計(jì)量關(guān)口功率因數(shù)會(huì)出現(xiàn)達(dá)不到考核標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，用戶(hù)會(huì)在不同程度上存在力率調(diào)整電費(fèi)損失情況[3]。

現(xiàn)階段基于無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的電能治理技術(shù)研究較多，但未充分挖掘分布式光伏逆變器的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)手段較單一；基于儲(chǔ)能變流器的功率因數(shù)治理技術(shù)現(xiàn)階段投資成本較高，不適合大面積推廣。綜上所述，本文主要從配電網(wǎng)目前存在的問(wèn)題出發(fā)，以主動(dòng)配電網(wǎng)分布式光伏無(wú)功控制為基礎(chǔ)，通過(guò)挖掘逆變器無(wú)功調(diào)節(jié)能力，提出基于逆變器控制的主動(dòng)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)功率因數(shù)異常治理技術(shù)拓?fù)?，并進(jìn)行了試點(diǎn)運(yùn)行。

1 分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)功率因數(shù)的影響分析

1.1 分布式光伏并網(wǎng)方式

現(xiàn)階段，分布式光伏有3種并網(wǎng)方式，分別是：（1）完全自用；（2）自發(fā)自用，余電上網(wǎng)；（3）全部上網(wǎng)。“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”是一種主流接入方式，光伏發(fā)電經(jīng)逆變至并網(wǎng)柜接入用戶(hù)側(cè)原有配電設(shè)施，當(dāng)用戶(hù)負(fù)荷需求大于光伏出力時(shí)，電網(wǎng)電量補(bǔ)充；當(dāng)用戶(hù)負(fù)荷需求小于光伏出力時(shí)，光伏向電網(wǎng)反向送電。分布式光伏通過(guò)臺(tái)區(qū)400 V系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電，在臺(tái)區(qū)用戶(hù)內(nèi)側(cè)400 V母線設(shè)立并網(wǎng)點(diǎn)，并設(shè)置發(fā)電計(jì)量表，用于計(jì)費(fèi)補(bǔ)償，同時(shí)在用戶(hù)與電網(wǎng)的產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)設(shè)置雙向電能計(jì)量表，用于結(jié)算用戶(hù)的上網(wǎng)、用網(wǎng)電量電費(fèi)。用戶(hù)按照此方式新增分布式光伏時(shí)通?？紤]配套新增一定容量的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，用于功率因數(shù)治理。分布式光伏發(fā)電接入配電臺(tái)區(qū)用戶(hù)側(cè)一次拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 分布式光伏接入臺(tái)區(qū)用戶(hù)側(cè)典型拓?fù)鋱D

1.2 分布式光伏并網(wǎng)引起的功率因數(shù)影響分析

根據(jù)水利電力部、國(guó)家物價(jià)局關(guān)于《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》[（83）水電財(cái)字第215號(hào)]文件規(guī)定，容量在100 kVA及以上的電力用戶(hù)均需進(jìn)行功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)考核，如未達(dá)到考核標(biāo)準(zhǔn)將計(jì)收力率調(diào)整電費(fèi)，超過(guò)考核標(biāo)準(zhǔn)的按超過(guò)比例進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)[12]。按照上述規(guī)定，10 kV工業(yè)用戶(hù)功率因數(shù)應(yīng)高于0.9，如果用戶(hù)功率因數(shù)低于0.9，不僅會(huì)威脅電網(wǎng)運(yùn)行安全，而且用戶(hù)需承擔(dān)電網(wǎng)考核費(fèi)用。

用戶(hù)關(guān)口計(jì)量表功率因數(shù)計(jì)算公式如下：

式（1）中用網(wǎng)關(guān)口表在計(jì)算功率因數(shù)時(shí)只計(jì)量用戶(hù)負(fù)載使用電網(wǎng)的有功P用網(wǎng)，而負(fù)載所消耗來(lái)自光伏發(fā)電的有功P光伏不參與功率因數(shù)計(jì)算；無(wú)功是采用負(fù)荷使用電網(wǎng)無(wú)功和上網(wǎng)無(wú)功的絕對(duì)值相加。由于光伏發(fā)電的存在，企業(yè)工廠用電優(yōu)先使用光伏發(fā)電的電量。當(dāng)分布式光伏發(fā)電量較大，用戶(hù)負(fù)載用電量較小，光伏發(fā)電不能全部被負(fù)載消納時(shí)，光伏發(fā)電會(huì)向電網(wǎng)倒送有功，即產(chǎn)生上網(wǎng)電量，此時(shí)用網(wǎng)電量P用網(wǎng)很小，關(guān)口表的功率因數(shù)就會(huì)降低，則會(huì)出現(xiàn)功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的情況。

光伏逆變器本身具備無(wú)功吸收和補(bǔ)償能力，但臺(tái)區(qū)內(nèi)分布式光伏較分散，無(wú)統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，造成大量無(wú)功資源浪費(fèi)，本文利用光伏逆變器無(wú)功調(diào)節(jié)功能，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備組網(wǎng)，使得臺(tái)區(qū)多逆變器協(xié)同參與臺(tái)區(qū)功率因數(shù)異常治理。通常，分布式光伏逆變器安裝點(diǎn)較分散，需在分布式光伏并網(wǎng)處新增數(shù)據(jù)采集器，用于采集逆變器無(wú)功功率實(shí)時(shí)值與當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算無(wú)功功率可控裕度；同時(shí)，分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備根據(jù)當(dāng)前計(jì)量點(diǎn)有功功率、功率因數(shù)以及逆變器無(wú)功可控裕度、逆變器可控狀態(tài)等約束條件，計(jì)算逆變器總無(wú)功需求，按照等比例裕度計(jì)算每臺(tái)逆變器所需無(wú)功出力，進(jìn)行光伏逆變器無(wú)功功率群控，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)區(qū)側(cè)功率因數(shù)異常的治理。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 硬件架構(gòu)

如圖2所示，在低壓側(cè)并網(wǎng)的分布式光伏逆變器通過(guò)數(shù)據(jù)采集器完成與分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備的交互，分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備直接采集臺(tái)區(qū)低壓側(cè)電壓電流，計(jì)算分配的無(wú)功功率指令實(shí)時(shí)發(fā)送給逆變器，完成臺(tái)區(qū)低壓側(cè)無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)異常治理。

圖2 硬件架構(gòu)示意圖

2.2 軟件架構(gòu)

如圖3所示，系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要分為核心策略模塊、功率分配模塊、目標(biāo)值算法處理模塊、集群算法處理模塊、信息處理模塊、本地采集模塊、上行數(shù)據(jù)交換模塊以及下行數(shù)據(jù)交換模塊。其中，上行數(shù)據(jù)交換模塊負(fù)責(zé)與集控主站或監(jiān)控主機(jī)數(shù)據(jù)交互，接收控制策略或人工指令；下行數(shù)據(jù)交換模塊負(fù)責(zé)無(wú)功功率遙調(diào)指令群發(fā)；本地采集模塊負(fù)責(zé)逆變器通信與電氣量采集；信息處理模塊負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式；目標(biāo)值算法處理負(fù)責(zé)解析集控主站或監(jiān)控主機(jī)下發(fā)的指令；集群算法處理模塊負(fù)責(zé)將計(jì)算的功率分配值轉(zhuǎn)換為逆變器所識(shí)別的數(shù)據(jù)格式；功率分配模塊負(fù)責(zé)將總無(wú)功功率需求按等比例裕度分配給每一臺(tái)逆變器；核心策略模塊負(fù)責(zé)按照控制策略與實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)計(jì)算功率因數(shù)合格條件下的無(wú)功需求。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3 控制策略

3.1 逆變器可控?zé)o功容量計(jì)算

分布式光伏逆變器遠(yuǎn)程無(wú)功控制后，假設(shè)臺(tái)區(qū)內(nèi)分布式光伏裝機(jī)容量為SDC，按照《光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50865—2013）規(guī)定，光伏逆變器功率因數(shù)cos φ=0.95范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)，則臺(tái)區(qū)可調(diào)無(wú)功容量為：

3.2 控制流程

分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備就地控制初始化接收集控主站或監(jiān)控主機(jī)控制模式設(shè)定及參數(shù)門(mén)限定值設(shè)置，支持多種模式選擇，在治理配電臺(tái)區(qū)功率因數(shù)異常場(chǎng)景下，選擇功率因數(shù)模式。其初始化與模式選擇流程圖如圖4所示。

圖4 初始化及控制模式選擇流程圖

在此模式下實(shí)時(shí)計(jì)算相關(guān)輸入量（包括電壓、無(wú)功功率或功率因數(shù)），跟進(jìn)功率因數(shù)設(shè)定門(mén)限參數(shù)及逆變器無(wú)功裕度計(jì)算臺(tái)區(qū)低壓側(cè)無(wú)功功率總需求，并按照等比例裕度原則分配目標(biāo)值，下發(fā)至逆變器，完成閉環(huán)調(diào)節(jié)下的首次控制，多次PID控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)精度，其控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程圖

3.3 無(wú)功控制補(bǔ)償策略

上述算法計(jì)算出臺(tái)區(qū)總無(wú)功需求后，將進(jìn)行第一次分配調(diào)節(jié)，為提高控制精度，完成功率因數(shù)門(mén)限定值下的閉環(huán)控制，需要制訂無(wú)功功率控制補(bǔ)償策略。本文提出表1所示三種無(wú)功功率控制補(bǔ)償策略。

表1 無(wú)功功率控制補(bǔ)償策略

（1）不補(bǔ)償策略：恒功率因數(shù)模式下，無(wú)功指令就是最終計(jì)算的總的無(wú)功控制指令。

（2）PID補(bǔ)償策略：漸次逼近控制策略。

第一次調(diào)節(jié)，臺(tái)區(qū)無(wú)功控制指令=計(jì)算無(wú)功總需求。

第二次調(diào)節(jié)，臺(tái)區(qū)無(wú)功控制指令=上一次控制指令+（計(jì)算無(wú)功總需求-并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功），漸次逼近計(jì)算無(wú)功總需求。

PID補(bǔ)償策略適用于逆變器可快速響應(yīng)的場(chǎng)景（響應(yīng)時(shí)間毫秒級(jí)）。由于分布式光伏逆變器無(wú)功響應(yīng)時(shí)間在5 s以?xún)?nèi)，可以應(yīng)用；若超出5 s，可使用線損補(bǔ)償策略。

（3）線損補(bǔ)償策略：臺(tái)區(qū)總的無(wú)功控制指令=計(jì)算無(wú)功總需求+無(wú)功線損。

無(wú)功線損=全站無(wú)功設(shè)備總無(wú)功出力-并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功。其中，無(wú)功設(shè)備指臺(tái)區(qū)內(nèi)分布式光伏逆變器。無(wú)功線損即主變壓器的無(wú)功損耗與臺(tái)區(qū)內(nèi)負(fù)荷無(wú)功需求。

因此，在分布式光伏接入的主動(dòng)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)進(jìn)行功率因數(shù)異常治理時(shí)，為提高無(wú)功補(bǔ)償精度，可選用線損補(bǔ)償策略。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文基于上述方案，在容量為495 kW的分布式光伏電站進(jìn)行了試點(diǎn)驗(yàn)證，分布式光伏采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式，園區(qū)日平均工業(yè)負(fù)荷約為200 kW，在分布式光伏發(fā)電期間有少量電量上網(wǎng)，改造前功率因數(shù)平均0.836左右，不滿(mǎn)足電網(wǎng)要求。在采用臺(tái)區(qū)功率因數(shù)控制模式后，日功率因數(shù)平均提高至0.927。圖6中cos PCC為并網(wǎng)點(diǎn)24 h功率因數(shù)曲線，cos Average為平均值0.926 5。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，基于逆變器控制的主動(dòng)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)功率因數(shù)異常治理技術(shù)可以很好地解決分布式光伏接入配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)引起的功率因數(shù)異常問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)分布式光伏接入配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)引起的功率因數(shù)異常問(wèn)題，設(shè)計(jì)了分布式光伏協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)架構(gòu)，提出利用逆變器的無(wú)功輸出能力以及功率因數(shù)控制算法來(lái)解決上述問(wèn)題。充分挖掘逆變器無(wú)功潛在能力，采用基于多逆變器的無(wú)功協(xié)調(diào)分配策略參與配電臺(tái)區(qū)功率因數(shù)治理，并提出了一種基于無(wú)功損耗計(jì)算的無(wú)功功率控制補(bǔ)償策略以提升功率因數(shù)治理時(shí)無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算精度。研究結(jié)果表明，本方案可為主動(dòng)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)側(cè)提供更多的無(wú)功補(bǔ)償資源，切實(shí)提升臺(tái)區(qū)功率因數(shù)水平。未來(lái)可將分布式光伏協(xié)調(diào)控制設(shè)備接入調(diào)度管理系統(tǒng)，從全局上利用臺(tái)區(qū)無(wú)功控制能力，優(yōu)化線路無(wú)功功率分布，降低線損。