光伏电站逆变器与静止无功发生器无功电压控制策略研究与应用

时间：2024-07-28

邱文俊，李玉齐，支晓晨，张顺仁，陈晓仪，施宏亮

(上海明华电力科技有限公司，上海 200090)

0 引言

太阳能作为一种清洁、可再生且分布广泛的能源，符合能源利用清洁高效的特点。近年来光伏发电产业发展迅速，系统组件成本不断下降，光伏并网技术日趋成熟，建设并网光伏电站成为新型电力系统背景下大规模利用清洁能源的有效方式[1-3]。光伏电站，尤其是集中式并网的光伏电站一般远离用电负荷中心，电网系统比较薄弱，光伏发电系统自身会因温度、光照的变化引发并网电压波动，乃至越限[4]。因而光伏发电站有必要参与电网系统调压控制，紧急情况下为电网提供快速无功支撑，可有效改善光伏并网点的电压越限，提高光伏并网的稳定性、安全性[5-6]。

基于无功调压设备的无功出力，并配置相互间的无功置换功能，可确保光伏发电系统良好的动态无功电压支撑能力[7]。快速无功补偿装置具备较强的动态无功支撑能力，可高效响应电网系统的无功需求，参与光伏电站无功电压控制。本文针对光伏逆变器与静止无功发生器(static var generator，SVG)协调控制参与光伏电站无功电压控制策略展开研究探讨。

1 光伏并网点无功电压调节原理

光伏电站的无功源，主要包括光伏逆变器、站内配置的无功补偿装置等。无功补偿装置需按光伏电站项目实际情况配置，如站内集电线路分布、送出线路长度、项目安装形式和容量、光伏并网点接入电网情况等，在进行无功电压研究后确定[8]。光伏电站配置的自动电压控制(automatic voltage control，AVC)系统子站接收调度主站指令，对站内无功电源(逆变器、动态无功补偿装置等)下发无功分配控制指令，调节并网点电压[9-10]。某光伏电站并网系统如图1所示。

图1 某光伏电站并网系统

以电网电压US为基准，光伏电站并网点电压Upoint[11]可近似表示为：

(1)

式中：US为电网系统电压；ZS=RS+jXS为光伏电站送出线路阻抗；ΔP、ΔQ分别为站内集电线路与变压器阻抗产生的有功损耗、无功损耗；PG、QG分别为光伏电站逆变器的有功输出和无功输出；QC为光伏电站无功补偿装置的无功输出；UG为光伏电站出口变压器低压侧电压；G1、G2分别表示光伏电站逆变器和动态无功补偿装置。

光伏电站有功输出PG发生变化，会导致光伏电站并网点电压Upoint波动。对此可通过调节站内逆变器无功输出QG、无功补偿装置无功输出QC，达到调节光伏电站并网点电压的目的。

2 无功源无功补偿特性

本文所提控制策略的目标是实现光伏电站内逆变器和SVG之间的无功协调控制，先分析各无功源的无功补偿特性。

1)光伏逆变器

光伏逆变器主要将光伏发电产生的直流电逆变为工频交流电，且能实现无功功率正负连续输出，但其输出无功功率与光伏逆变器自身功率因数、容量有关[12]。光伏逆变器需经过多个通信环节接收光伏电站站控层下发的无功指令，其无功功率输出响应速度稍慢于站内配置的无功发生器。光伏逆变器实现无功功率输出只需对控制策略进行改进，无需增加额外的设备，可以大幅降低光伏电站投资成本。

2)静止无功发生器(SVG)

为保持端电网电压暂态过程中的稳定性，SVG向电网发出无功功率以达到支撑暂态电网电压的目的[13]。SVG通过改变桥式电路交流电压的相角、幅值来输出满足要求的无功电流[14-15]，以实现无功补偿。当桥式电路输出电压的基波分量高于电网系统分量时，SVG向电网系统发出无功功率；等于电网系统电压时，SVG运行在零无功状态；低于电网系统电压时，SVG从电网系统吸收无功功率。可见，SVG能实现无功功率正负连续输出，具有谐波含量少、无功补偿响应快的特点。

光伏逆变器和静止无功发生器(SVG)属于动态、连续型无功调节设备，适用于光伏电站无功功率输出连续控制。

3 光伏电站无功分配策略研究

国家标准GB/T 29321—2012[8]、GB/T 19964—2012[16]明确规定：光伏电站的无功电源包括光伏并网逆变器、无功补偿装置，需充分利用逆变器的无功调节能力与无功容量；当逆变器的无功容量无法满足系统电压的调节需要时，应在光伏发电站配置适当容量的无功补偿装置，包括动态无功补偿装置[17]。按上述标准规范，光伏电站大多配置了无功补偿装置。

若逆变器无功容量不足，无法满足系统电压的调节需要，需利用无功补偿装置共同参与调节。在制定光伏电站无功协调控制策略时，应考虑光伏逆变器和无功补偿装置SVG之间的协调控制[18-19]。下面对光伏电站光伏逆变器和SVG协调控制策略加以介绍。

3.1 控制策略整体思路

光伏电站无功协调控制策略，以并网点电压稳定为控制目标，综合考虑站内各无功源的无功出力，实现无功电压控制。本文所述无功源主要考虑逆变器和SVG参与无功协调控制[20-21]。光伏电站无功协调控制策略整体思路[22]如图2所示。

图2 光伏电站控制策略

1)控制模式。包括远方电压或无功跟踪，本地电压、无功、功率因数跟踪。在远方控制模式下，若发生通信异常，站内AVC系统自动跟踪上一次的指令执行。

2)无功需求量计算。根据光伏并网点母线电压实际值与调度主站下发参考值的偏差，计算光伏电站需改变的总无功出力。

3)无功分配。当SVG参与无功调节时，计算每台逆变器和SVG在调节中需要改变的无功量；当SVG不参与无功调节时，计算每台逆变器在调节中需要改变的无功量。

4)无功指令执行。当SVG参与无功调节时，逆变器和SVG根据接收的无功指令，完成调节；当SVG不参与无功调节时，逆变器根据接收的无功指令，完成调节。

3.2 无功分配策略研究

3.2.1逆变器与SVG协调分配

无论分布式光伏还是集中式光伏，无论站内有多少台SVG，将所有逆变器视为一个整体，所有SVG视为另一个整体。AVC将无功增量分配至两个大组：逆变器组由数据采集装置分配，SVG由监控装置分配。

1)等比例分配

将无功增量按照逆变器与SVG的无功裕量比例进行无功分配，即剩余可调控无功裕度越多，分配的无功目标越多，保证逆变器与SVG在可调范围内拥有相同百分比的无功调控容量。式(2)表示AVC向上调节无功功率，式(3)表示AVC向下调节无功功率。

(2)

(3)

式中：ΔQinv、ΔQsvg表示分配给逆变器组、SVG组的无功增量；ΔQall表示光伏电站能分配的总无功；ΔQinv,max、ΔQsvg,max表示逆变器组、SVG组额定无功容量高限值；ΔQinv,min、ΔQsvg,min表示逆变器组、SVG组额定无功低限值；ΔQinv,i、ΔQsvg,i表示逆变器组、SVG组当前无功值。

2)等容量分配

将无功增量按逆变器与SVG的无功容量比例进行无功分配，即按照总容量大小进行无功分配，保证无功的分配量与逆变器、SVG无功容量成线性关系。

(4)

3)逆变器无功裕度优先

若无功增量方向与逆变器回零方向相同，则优先将无功分配至逆变器；若无功增量方向与逆变器回零方向相反，则优先将无功分配至SVG，保证逆变器的无功可调裕度最大。此策略适合稳态下对电压调节需求较高的电站，以SVG快速响应优先，逆变器作为无功裕度储备。

4)SVG无功裕度优先

若无功增量方向与SVG回零方向相同，则优先将无功分配至SVG；若无功增量方向与SVG回零方向相反，则优先将无功分配至逆变器，保证SVG的无功可调裕度最大。此策略适合稳态下对电压调节需求较低的电站，保留SVG快速响应的无功裕度，在暂态下拥有更强的调控能力。

5)平均分配

将无功增量平均分配至逆变器与SVG。

ΔQinv=ΔQsvg=ΔQall/2

(5)

3.2.2逆变器与SVG独立分配

数据采集接收到逆变器组无功目标后，将无功按比例分配至各个处于并网状态的逆变器；监控接收到SVG组无功目标后，将无功按比例分配至各个处于并网状态的SVG。

1)AVC调控逆变器组

集中式：AVC系统计算各个并网逆变器的无功目标值，按照相似裕度，通过站控层交换机，将无功目标发送至各台逆变器。

分布式：AVC系统计算逆变器组总无功目标值，以方阵为单位，按照相似裕度，将无功目标发送至各个方阵的数据采集装置；数据采集装置再按照相似裕度，将无功分配至各逆变器。

2)AVC调控SVG组

方式一：通过监控/后台系统。AVC系统计算SVG组的总无功目标，将无功目标发送至监控/后台系统，监控/后台按照相似裕度将无功目标发送至各SVG。

方式二：AVC直接控制SVG。AVC系统计算SVG组的总无功目标，按照相似裕度将无功目标直接发送至各SVG。采用此方式时需避免AVC与监控/后台对SVG控制权限的冲突，可增加控制权限互锁逻辑。

3.3 SVG无功置换

启用该功能时，当母线电压达到调节死区后，将SVG的无功向回零方向调节，同时将回调的无功分配至逆变器，保证母线电压不变的情况下，给SVG留出足够的裕度以备下一次电压快速响应。若在置换过程中因为电压波动等原因，母线电压在电压目标死区之外，则立即停止置换，按照设定策略进行调控，直至母线电压达到死区。SVG无功置换具体逻辑流程如下。

第一步：接收母线电压目标值。

第二步：计算光伏电站实时母线电压差值ΔU=|实测值-目标值|。

第三步：判断ΔU是否小于死区θ。若ΔU≤θ，SVG启动无功置换，SVG无功回零，无功等额置换于逆变器；若ΔU>θ，SVG停止无功置换，SVG与逆变器按光伏电站设定的无功分配方式同时参与无功调控，每次调控结束后返回第二步计算ΔU，并循环。

4 逆变器与SVG协调控制应用

选取浙江地区某漂浮式光伏电站示范项目进行逆变器与SVG协调控制测试应用，项目共12个方阵(对应12个箱式变压器、12个数据采集器)，3个大区，总容量为20 MW，光伏电站经某35 kV电压等级光伏支线出线，接入地区电网系统。电站所配置AVC装置为独立设备，具体版本信息为：设备名称为新能源并网控制系统；设备型号PS 6000+ PVA；软件版本号V0.9.16；操作系统Ubuntu 16.04 LTS。

4.1 参数与配置

光伏电站AVC参数及功能软压板配置，见表1、表2。

表1 光伏电站AVC参数设置

表2 光伏电站AVC功能软压板配置

4.2 通信测试

经与光伏电站所属电网调度机构主站沟通，现场设置光伏电站AVC子站与调度主站的遥测、遥信、遥调信息及测试，结果见表3—5所示。

表3 光伏电站遥测信号测试

表4 光伏电站遥信信号测试

表5 光伏电站遥调信号测试

根据测试结果，该光伏电站AVC子站与调度主站的遥测、遥信、遥调信息配置及测试结果正确，具备子站与主站联合调试条件。

4.3 联调试验

光伏电站AVC子站与调度主站联合调试试验步骤如下：1)投入AVC功能，投入SVG功能，投入逆变器功能；2)退出AVC开环功能(AVC功能处于闭环模式)；3)投入AVC远方功能；4)接收调度AVC电压目标值；5)观察并记录试验过程及数据；6)试验完成，退出AVC功能，退出SVG功能，退出逆变器功能。

现场测试采用等比例分配策略，实时接收调度主站AVC电压指令，观察无功分配及运行状态，具体数据见表6。

表6 逆变器与SVG联调

光伏电站逆变器、SVG参与AVC联合调试试验母线电压曲线如图3所示。

图3 光伏电站控制策略试验母线电压

根据试验结果，该光伏电站AVC子站能正确跟踪并执行调度主站AVC电压指令，逆变器与SVG能合理分配站内无功，协调控制策略有效。

4.4 无功置换

待逆变器与SVG联调试验无功分配完成后，光伏电站母线电压已相应调控至母线电压死区(0.4 kV)之内，此时逆变器与SVG不再进行无功分配；系统触发启动SVG无功置换功能的条件，SVG启动无功置换功能，将SVG无功置换至逆变器。

试验条件：1)投入AVC功能，投入SVG功能，投入逆变器功能；2)投入AVC闭环功能；3)投入AVC就地功能；4)观察并记录试验过程及数据。SVG无功置换试验过程如下。

第一步：光伏电站AVC子站接受调度电压指令，逆变器与SVG按等比例分配策略进行调控。

第二步：当母线电压实测值与目标值达到死区(0.4 kV)之内，逆变器与SVG停止调控(此时逆变器与SVG无功，为置换前无功)。

第三步：AVC子站判定母线电压调控结束，启动SVG无功置换功能，SVG将无功置换至逆变器(此时逆变器与SVG无功，为置换后无功)。

投入5区数据采集器、6区数据采集器、7区数据采集器、8区数据采集器；电压稳定在死区之内时方可启动SVG无功置换功能；SVG容量±4.000 Mvar，SVG无功置换注入无功过大，存在母线电压超过限制值并触发保护跳闸的风险，故SVG无功置换功能使用±1.000 Mvar以内的无功容量进行试验。现场试验数据记录见表7。根据试验结果，该光伏电站SVG能在母线电压调控结束后，将无功置换至逆变器，SVG无功置换功能有效。

表7 SVG无功功率置换测试