光伏逆变器参与电网无功电压控制策略

吴 博，金 岗，冯竹建，华海峰

(国网浙江义乌市供电有限公司，浙江 义乌 322000)

在低碳战略和环境问题备受关注的今天，光伏发电作为一种清洁能源，发展越来越迅速，在配电网中的供电比例逐年升高[1]。大容量分布式光伏的接入将改变传统配电网潮流辐射式的流动模式，这给既有模式的传统配电网带来了极大考验，若忽视该类问题，现有配电网将随着光伏发电量的增加，在运行检修中的隐患将会层出不穷。这样既限制了可再生能源的利用率，也增加了配电网系统的运行风险[2]。

针对大容量分布式电源接入低压配电网的问题，国内外学者进行了大量的研究。文献[3]研究了光伏发电系统不同容量和接入位置对配电网谐波的影响；
文献[4]从光伏渗透性的角度，对光伏并网进行了试验计算，分析了接入时的越限现象，研究了其对配电网电压的影响；
文献[5]从安全性的角度出发，从电压偏差、谐波、三相不平衡度等方面对分布式电源并网进行了优化规划；
文献[6-7]考虑了分布式光伏接入容量、接入位置等关键因素，分析了电源接入配电网对节点电压的影响。这些文献并未将逆变器吸收与释放无功的能力充分发挥出来，本文切实考虑到逆变器的关键作用，提出光伏逆变器参与电网无功电压控制的策略，旨在解决光伏并网给电压和电能质量带来的不利影响。

1.1 对电压的影响

单向辐射状供电因其结构简单、保护相对容易而广泛应用于10 kV配电线路中，但是其可靠性和安全性相对较低。在城市配电网中，随着分布式电源的发展，配电网的改建势在必行，目前越来越青睐环网供电和开环运行的模式，因此需要分析光伏接入电网引起的电压变化波动。

分布式系统接入对配电网局部电压的影响如图1所示。图1描述了分布式光伏接入配电网局部电压波动的原理，在低压配电网中，电压的变化比较敏感，分布式光伏的接入，改变了配电网小范围的结构，引起配电网局部电压的偏移问题。尤其是在初春或秋季晴天午后光伏发电出力高峰时，常常会出现因负荷侧消纳较低造成低压配电网电压严重偏高的问题，这给保障电能质量与供电安全带来了极大挑战。

图1 分布式系统接入对配电网局部电压的影响

1.2 对电能质量的影响

分布式光伏接入会引起配电网电压波动、谐波和闪变等电能质量问题。配电网中，频繁接通和断开开关设备容易产生谐波分量。通过专门的测试分析，测得由逆变器电力电子元件引起的谐波。在分布式光伏电源始终访问同一位置的情况下，馈线上的总谐波畸变率由分布式光伏的总容量决定。总容量与一般负荷的比例越高，同一馈线上的节点负荷就越大。一些严重畸变的节点的谐波可能超过谐波电压和电流畸变率的限额[8]。配电网的谐波受分布式电源的接入位置、容量和方式等影响，且分布式光伏电源与系统母线之间的距离越短，对系统中谐波分布的影响就越小。分布式光伏接入点越靠近配电线路始端，流过配网主干支路的谐波电流就会越大，对电能质量的影响也越为严重。

电压波动产生用电端人为感知被称为闪变，这是由于系统中光伏逆变器正常切换工作所产生的。当分布式光伏逆变器出厂测试不达标时，较差的电能质量最坏情况下会对附近发电系统、敏感用电设备、信号传输造成破坏和干扰。光伏逆变器稳态运行时，通常波形畸变对应的低次谐波较少，因逆变器斩波造成的高次谐波较多，高次谐波虽然波形畸变较少，但透过电缆分布电容，对敏感电气设备或继电保护造成干扰的概率却很大，大量的谐波引入系统，会对配电网中柱上断路器等智能化设备产生较大潜在安全影响，另外谐波也会造成系统线损增加、零相电流过大等安全隐患与不利影响[9]。

在配电网中，短路故障、无功和有功功率冲击等常常会造成电网电压波动，引起电能质量下降，进而影响到配电网中的正常电能使用。光伏并网发电系统可以广泛分布于电网各处，包括电网虚弱的末梢。其并网有功电能的大小决定于光伏阵列的发电功率，一般情况下要求并网电流与电网电压同相位，即保证功率因数为1[10]；
同时还要求其在适当情况下向电网发出无功功率，这样在一定程度上既可以提升电网电能质量，也可以提高光伏系统的利用率：即要实现有功发电和无功补偿的统一控制。另外，光伏逆变器实现无功功率的输出也有助于低电压穿越测试的通过。

光伏逆变器理论上具备电网无功吸收与释放能力，然而这将占用光伏逆变器有功出力空间，并使控制趋于复杂[11]。对此问题，研究基于可控串联补偿的外置光伏逆变器滤波与无功补偿装置，通过设置宽频带无功电抗器，检测末端电压控制投切，实现光伏逆变器运行时的无功吸收，为解决末端电压高的问题在无需改变光伏逆变器设置的基础上，提供有效的途径。电抗器将采用新型复合合金材料，实现全频带的频率响应与较低的损耗，从而在吸收无功的同时，抑制光伏逆变器的高次谐波干扰问题。

3.1 光伏逆变器工作原理

图2 逆变器电路及其并网相量图

当电网电压出现降落时，逆变器向系统输出感性无功，有助于支撑电网电压；
当电网电压出现升高时，逆变器向系统输出容性无功，有助于支撑电网电压[2]。如图2(b)所示逆变器向系统输出感性无功时，从电网侧来看逆变器，电感电流反向180°，可以看到此时电感电流是超前电网电压的，逆变器此时相当于一个电容，一般负载都呈现感性，电网中电流大部分时间是滞后电网电压的。

3.2 损耗对逆变器的影响

图3 不考虑损耗时的逆变器交流侧相量图

图4 考虑损耗时的逆变器交流侧相量图

3.3 滤波与无功补偿装置

由简述分析可知，采用可控串联补偿的外置光伏逆变器滤波与无功补偿装置，通过设置宽频带无功电抗器，检测末端电压控制投切，即可实现光伏逆变器运行时的无功吸收，而无需改变光伏逆变器装置，从而解决末端电压高的问题。电抗器采用新型复合合金材料，实现全频带的频率响应与较低的损耗，在吸收无功的同时，还可抑制光伏逆变器的高次谐波干扰[14]。

同时，还设计了全新的零相与接地回路谐波干扰抑制，光伏逆变器的谐波频率较高，常常通过大地与零相回路干扰其他用户与电网二次设备，通过新型接地点谐波移植技术，可使光伏逆变器的谐波得到有效控制[15]。该技术具备通用性，可与任何既有光伏逆变器系统配合使用。基于新型的铁磁材料设计具备超高磁导率的导线高频信号抑制装置，通过在部分容易受到干扰的回路，或逆变器主回路的电缆接地线等部位装设该装置，可降低通过大地耦合的高频信号的幅值，从而降低或消 二次回路干扰隐患。据现场检测，未采用干扰抑制措施的变频器，其电缆接地线的高频入地电流可达0.2～5 A，该电流通过接地网，可对很多二次设备通过耦合等方式形成干扰。将采用相对导磁率10 000以上的硅钢带磁芯设计制作成外箍形干扰抑制器，如图5所示。通过变频器接地线等区域的设置，可将入地高频电流大幅降低，并减小高频电流的波头陡度，从而大幅抑制高频电流带来的干扰。

图5 C型外箍式干扰抑制器

3.4 光伏逆变器滤波与无功补偿装置特点

传统无功补偿装置采用的是静态无功发生器(SVG)补偿装置，它是全控型有源无功发生器。将光伏逆变器滤波与无功补偿装置与SVG补偿装置进行对比，结果如表1所示。

表1 光伏逆变器滤波与无功补偿装置特点

从表1可以看出，光伏逆变器滤波与无功补偿装置相比于传统SVG补偿装置在可靠性、运行能耗、安装和成本上均具有一定的优越性，通过这样的电压控制策略，可以有效提升电能质量。

本文对光伏发电接入配电网引起的电压和电能质量问题进行了分析，利用光伏逆变器吸收和释放无功的原理，提出了光伏逆变器参与电网电压无功控制的策略，用可控串联补偿的外置光伏逆变器滤波与无功补偿装置，实现了无功的吸收，并利用新型材料制作干扰抑制器，极大提升了电能质量，为光伏接入配电网提供了安全保障。

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