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第 40 卷 第 17 期 电 力 系 统 保 护 与 控 制 Vol.40 No.17 2012 年 9 月 1 日 Power System Protection and Control Sep. 1, 2012 光伏电站低电压穿越时的无功控制策略陈 波 1，朱晓东 1，朱凌志 1，赖金朋 21. 国网电力科学研究院，江苏 南京 210003; 2. 西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048 摘要 针对目前光伏电站通常以单位功率因数运行以尽可能多地输出有功功率而基本不输出无功功率， 在非满功率运行时造成一定程度视在功率浪费的现状，提出了一种光伏逆变器低电压穿越 Low Voltage Ride Through, LVRT时的无功控制策略。分析了光伏逆变器的结构和功率控制方式并计算其无功功率极限，利用光伏逆变器本身的无功输出能力向电网输出无功功率。通过 DIgSILENT 软件对有无采用无功控制策略时，负荷变化和三相短路故障情况下的各电气量进行比较分析。仿真结果表明，采用该控制策略光伏电站可以在电网故障时不脱网，并发送无功支撑并网点电压，维持局部电网电压稳定。 关键词 电力系统；光伏电站；无功控制；电压支撑；低电压穿越Strategy for reactive control in low voltage ride through of photovoltaic power station CHEN Bo 1, ZHU Xiao-dong 1, ZHU Ling-zhi 1, LAI Jin-peng 21. State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China; 2. Institute of Water Resource and Hydro-electric Engineering, Xi ’ an University of Technology, Xi ’ an 710048, China Abstract Aiming at the status quo that PV power station is usually running under conditions of unity power factor to output active power as much as possible and it outputs almost no reactive power which results in a certain extent waste of apparent power when PV power station is not running at full power, a strategy for reactive power control based on inverter ’ s LVRT ability is proposed. PV inverter ’ s structure and power control mode are analyzed and the limit of reactive power output is calculated, which would send reactive power to the grid using its own ability. This paper uses the DIgSILENT software to compare and analyze each electric quantities under conditions of load variation and three phase short-circuit fault with and without the reactive power control strategy. The results of simulation show that the proposed strategy can make PV power station connected to the grid when faults happen and send reactive power to support voltage of PCC, resulting in the voltage stability of local grid. Key words power system； PV power station ； reactive power control ； voltage support； Low V oltage Ride Through LVRT 中图分类号 TM715 文献标识码 A 文章编号 1674-3415201217-0006-070 引言 大力促进包括光伏发电在内的新能源的开发和利用是解决当前面临的能源短缺危机和缓解环保压力的有效措施 [1-3]。 大型光伏电站以及屋顶并网光伏电站是太阳能利用的重要发展趋势。光伏发电的迅速发展也给电力系统带来了许多新问题，无功电压问题就是最重要的问题之一。光伏发电系统本身光照强度、温度变化等都会引起并网点电压波动。光伏电站对系统电压影响程度的大小取决于电网结构的强度和光伏电站容量的大小 [4-5] 。 目前， 常采用在光伏电站母线上安装电容器、 SVC等装置以补偿光伏系统的无功需求 [6-7] 。文献 [8] 规定大中型光伏电站应该在电网故障期间保持一定时间不脱网，实现低电压穿越以减小对电网的影响。通过对光伏逆变器的解耦控制，可动态调节光伏电站的无功输出能力，从而减少甚至不用常规的无功补偿装置，降低了系统的成本。然而，目前国内外的光伏电站基本上都是以恒定功率因数方式运行 （通常为 1） ， 最大程度输出有功功率，而忽略了其无功输出的能力。另一方面，当并网点电压跌落时，不附加控制将导致光伏逆变器输出过电流，若强制使逆变器不脱网则会损坏逆变器。因此研究光伏电站的低电压穿越问题 [9-10]，在不脱网的同时不损坏逆变器，必须充分利用光伏逆变器的快速无功输出能力参与电网的电压控制，实现低电压穿越并支撑并网点电压。本文从光伏逆变器的结构和控制方法入手，重陈 波，等 光伏电站低电压穿越时的无功控制策略 - 7 - 点研究光伏逆变器的无功输出能力，并通过算例分析了光伏电站的无功电压控制能力，表明其具有良好的效果，能够实现光伏电站的动态无功调节和故障期间的并网点电压支撑作用。1 光伏并网逆变器的控制1.1 光伏逆变器的功率解耦控制光伏逆变器是光伏电站的核心。三相光伏逆变器控制系统一般采用的是双环控制，即电压外环和电流内环。电压调节器作为外环控制，一方面控制逆变器直流侧输出电压 U dc 跟踪电压给定值 U dcref；另一方面通过 PI 调节器得到有功输入电流分量的参考值 idref 和无功电流分量的参考值 iqref。 电流内环的作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。 进一步分析来看， 电流内环的 dq 模型可描述为 [11-12]d d dq q qu i eLp R Lu i eL sL Rωω - 1 式中 ud、 uq 分别为三相逆变器输出电压的 d、 q 分量； ed 、 eq 分别为电网电压 Edq 的 d、 q 分量； i d、iq 分别为逆变器输出电流矢量的 d、 q 分量， 以流出逆变器方向为正； R 和 L 为逆变器交流输出侧的电阻和电感； s 为微分算子。 采用电网电压定向的 dq分解法，得到电网侧电压分量的表达式为d gmq 0e Ee 2 其中， Egm 为电网相电压幅值。有功功率和无功功率可以简单表达为d dd q3232P u iQ u i -3 式中， P、 Q 的正负分别表示功率的发出与吸收。基于这一模型，通过分别给定 id 和 iq 来实现有功和无功的解耦控制。当电流调节器采用 PI 调节器时，ud、 uq 的控制方程为*Id p d d q d*Iq p q q d q iiiiKu K i i Li esKu K i i Li esωω - - - 4 式 4中 Kip、 KiI 分别为电流内环比例调节增益和积分调节增益； i *q、 i*d分别为 i q、 id的电流指令值，逆变器以额定有功功率运行时， idi *d1 p.u.， iqi* q0。同步旋转坐标系下电压外环和电流内环的控制如图1所示。PIPIdcrefU - -dcUrefQQ *di *qi qi-di-PIPIω LLω -deqeduquPWM脉宽调制aSbScS图 1 同步旋转坐标系下的控制框图Fig. 1 Control diagram in synchronization coordinates 从图 1中可知实现了 d、 q轴变量的解耦 [13] ，可以分别控制逆变器输出的有功功率和无功功率，为光伏电站的无功电压控制建立基础。1.2 光伏逆变器的无功功率极限 光伏电站的无功控制效果取决于其无功输出能力，因此研究光伏电站的无功控制策略首先必须分析光伏逆变器的无功功率极限问题。光伏逆变器发出无功功率的能力并不是无限的，而是受多方因素制约的。由于视在功率的限制，若光伏逆变器所发的有功功率多了， 则必然引起输出无功功率减少。逆变器等值电路如图 2所示。I ∠i iU α m 0∠Uxi P ij Qi图 2 并网等值电路Fig. 2 Grid equivalent circuit 图中 U Ii为每台逆变器交流侧输出的电压大小； Um为光伏电站接入点电压大小； α i为每台逆变器交流侧电压与接入点电压的相角差； xi为逆变器交流侧电感； Pi和 Qi分别为每台逆变器输出的有功功率和无功功率 [14]。易知功率方程为m I sinii iiU UPx α5 2m I mcosii ii iU U UQx xα - 6 因此有22 2 2m Im ii ii iU UUP Qx x 7 光伏逆变器发送的有功功率与辐射强度、温度以及光伏阵列的容量有关， 在 0Pmax 间变化， 实际的工作区域如图 3 中阴影所示。则有- 8 - 电力系统保护与控制图 3 有功功率、无功功率极限Fig. 3 Limits of active and reactive power iiiiiiiiixUPxUUQxUPxUU 2m22Im2m22Im --≤≤--- 8则每台逆变器的无功极限为（以发出无功为正）iiiii xUPxUUQ 2m22Immax -- 9 iiiii xUPxUUQ 2m22Immin --- 10 特别的，在 Pi 0 时，有iiiiiiixUxUUQxUxUU 2mIm2mIm -≤≤-- 11 则每台逆变器的无功极限为iiii xUxUUQ 2mImmax - 12 iiii xUxUUQ 2mImmin -- 13 对于具有 n 台光伏逆变器的光伏电站而言，其总的无功功率极限为∑niiQQ1maxmaxtotal 14 ∑niiQQ1minmintotal 15 本文仅考虑光伏逆变器的无功输出能力，即式9、 式 12、 式 14。 逆变器的无功输出能力与逆变器出口电压、接入点电压、交流侧电感及当前的有功输出有关。要输出无功功率， U Ii 必须大于 Um，且 UIi 越大，逆变器能够输出的无功功率就越多。受视在功率的限制， 若要增加无功功率输出， 就必须要减少有功功率的输出。 一般来说， 逆变器允许短时工作在视在功率的 1.1 倍，即无功功率极限受有功功率影响， max 2 21.1 iQ S P-≤ ， S 为视在功率。当 P1 p.u.时， maxiQ ≤ 0.46 p.u.； 当 P0 时， maxiQ ≤ 1.1 p.u.。1.3 光伏逆变器低电压穿越控制策略 大规模光伏电站的突然脱网将会给电网稳定性带来严重影响。根据国家电网公司光伏电站接入电网技术规定 ， 大中型光伏电站在电网发生故障时要有低电压穿越的能力，能为保持电网稳定性提供支撑，如图 4 所示。图 4 光伏电站低电压穿越的要求Fig. 4 Requirements of PV station ’ LVRT ability 当并网点电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，光伏电站必须保证不间断并网运行；并网点电压在右图电压轮廓线以下时，允许光伏电站停止向电网线路送电。一般选择 UL1 设定为 0.2 倍额定电压， T1 设为 1 s， T2设为 3 s。制约光伏电站低电压穿越能力的主要是光伏电站出口处的电流，不应过流而导致光伏逆变器跳开，所以既要保持逆变器不脱网，又不能损坏逆变器。由于电压跌落期间逆变器输出的电流主要是有功分量 id，因此使输出电流不过流（一般不超过额定电流的 1.1倍） 主要是控制电流内环的有功电流给定值 i *d， 从而控制 id不过流。控制策略如图 5所示。并网点电压跌落 开始返回NY*di方式一限制 增大 *di方式二限制 增大*di 取自电压外环结果*di图 5 控制策略流程图Fig. 5 Flow chart of control strategy 图中，控制器检测并网点电压是否跌落，若电压跌落，则断开电压外环，仅采用电流内环单环控制，在电流内环直接给定输出不过流时的 id值作为参考值， 可用正常运行时 i d1 p.u.作为参考值， 也可以用小于 1 p.u.的值作为参考值从而减小 id，降低有功功率输出；另一种方法是用逆变器正常运行时的id1 p.u. 作为限制值，通过限幅环节限制住 i* d的增陈 波，等 光伏电站低电压穿越时的无功控制策略 - 9 - 大，从而限制住 id的增加。若检测到电压没有跌落，则 i* d继续取自电压外环计算出的结果。除了限制住有功电流的增大，在电压跌落期间，光伏电站不仅需要保持并网状态，而且应该能够动态发出无功功率，支撑电网电压。在必要时可以降低 id从而留出足够的容量用以输出无功电流 i q。由于 Qi q U， 因此光伏电站无功功率极限也受到当前无功电流值 iq的制约。2 光伏电站无功控制的思想及实现 2.1 无功控制策略的基本思想 光伏电站常通过 10 kV 或 35 kV 交流母线接入电网，在电网发生扰动或故障时，并网点电压常有较大幅度的跌落。常规的解决方式是在光伏电站内加装常规无功补偿装置，而却忽略了光伏逆变器本身的无功输出性能，造成了一定程度上的浪费。本文的目的就是为实现光伏电站的本身逆变器的无功输出控制提出一种解决方案。本文将光伏电站的无功电压控制模式分为无功功率整定和无功功率分配。由于单台光伏逆变器的容量相对较小，其无功调节无法对光伏电站和接入点电压带来明显的变化，因此光伏电站的无功调节是多台逆变器的联合调节。通过无功整定，把光伏电站控制点电压的变化情况转化为整个光伏电站的无功输出参考值，再根据一定的原则把总的无功输出参考值分配到电站内各台逆变器中，作为每台逆变器的无功输出参考信号，从而使光伏电站输出一定的无功功率以支撑控制点电压。光伏电站无功电压控制策略如图 6所示。11,QP,n nP Q22, QP逆变器 1逆变器 2逆变器 n电网无功整定无功分配控制点电压参考电压光伏电站无功参考量 refQQP ,光伏电站向电网注入无功meaVrefV图 6 光伏电站无功控制策略原理图Fig. 6 Principle of var regulation method of PV station 2.2 无功控制策略的实现 光伏电站的无功控制框架如图 7 所示。分为电压控制模式和功率因数控制模式。正常运行时，光伏电站运行在功率因数控制模式，向电网输出一定的有功功率和无功功率。在发生电网扰动、故障等情况导致电网电压跌落时，能切换到电r11 s TrefVmeaV - 死区ivpv KKs无功上限无功下限v11 sTref 1QrefQ测量延时 测量延时无功整定环节ref 2 2PCCPCC PCC* cos -PQ P*cosPCCP-PCCQPI无功上限无功下限ref 2QK开关切换无功分配电压控制模式功率因数控制模式图 7 光伏电站无功控制框架Fig. 7 Framework of reactive power in PV power station 压控制模式，根据电压偏差情况输出无功功率以支撑并网点电压。其中，无功功率整定环节直接决定电压偏差Δ V 和光伏电站无功输出参考量 Qref 之间的关系，是一个 PI 调节器。在无功分配层，可以按不同逆变器的无功功率极限 （容量 /裕度） 把总的无功参考量分配到每台逆变器中。按照无功功率极限分配每台光伏逆变器所需要发出的无功功率为maxtotalmaxrefref QQQQ ii 16 其中， Qref、 maxiQ 和 maxtotalQ 分别表示总的无功参考量、每台逆变器的无功功率极限以及光伏电站总的无功功率极限。这种分配方式的优点是能够尽可能地使每台逆变器发出的无功功率在允许范围以内，并充分发挥每台逆变器的无功调节潜力。但有可能造成功率因数越限、无功输出不足等不良结果。3 算例仿真3.1 算例说明本文使用 DIgSILENT PowerFactory14.0 搭建算例系统以验证无功控制策略。该算例系统是一个10 MW 光伏电站所接的区域电网，如图 8所示。图 8 算例系统Fig. 8 Simulation system 光伏电站内部逆变器出口电压为 400 V ， 经升压变压器升高到 35 kV ， 然后经过单回架空输电线与 35 kV 母线相连， 再由 110 kV 变电站升高到 110 kV 后连接至无穷大电网。光伏电站出口处接有 5 MW 的负荷，负荷功率因数为 0.95。正常运行时，光伏电站工作在单位功率因数模式。下面分析负荷变化和母线三相短路故障情况下的无功电压控制情况。- 10 - 电力系统保护与控制3.2 负荷变化 首先假设光伏电站出口处的负荷在 0.5 s 时功率发生波动，其有功负荷突然增大到原来的 200，并一直保持该容量。负荷波动前光伏电站满功率运行。电压控制点选为光伏电站的 35 kV 母线。假定光伏电站未采用无功控制策略前运行于恒功率因数（功率因数为 1）状态。采用电压控制方案前后的电压及功率变化情况如图 9 所示。0.001.011.000.990.980.970.96采用无功控制策略未采用无功控制策略35kV母线电压/pu采用无功控制策略未采用无功控制策略1.011.000.990.980.970.96400kV母线电压/pu0.40 0.80 1.20 1.60 2.00[s]Vmea_35 kV35 kV 母线电压 p.u. 未加入无功控制 Vmea_35 kV35 kV 母线电压 p.u. 加入无功控制 0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00[s]Vmea_400 kV400 kV 母线电压 p.u. 未加入无功控制 Vmea_400 kV400 kV 母线电压 p.u. 加入无功控制 a 系统关键节点电压对比采用无功控制策略未采用无功控制策略采用无功控制策略未采用无功控制策略无功功率参考值 无功功率上限 Qmax1.06251.05001.03751.02501.01251.00000.98750.5000.3750.2500.1250.000- 0.125有功功率/pu无功功率/pu0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00[s]Cub _3/PQ Measurement 光伏电站输出有功功率 p.u. 未加入无功控制 Cub_3/PQ Measurement 光伏电站输出有功功率 p.u. 加入无功控制 0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00[s]C ub_3/PQ Measurement 光伏电站输出有功功率 p.u. 未加入无功控制 C ub_3/PQ Measurement 光伏电站输出有功功率 p.u. 加入无功控制 U dc_Controler 采用无功控制策略下的无功参考值 p.u.calculation 光伏电站无功出力上限 Qmaxb 光伏电站输出有功和无功功率对比图 9 负荷变化时加入无功电压控制前后比较Fig. 9 Comparison of parameters before 朱凌志 1975- ，男，博士，高级工程师，从事风力、光伏发电系统接入与控制方法研究。