关于光伏并网发电及无功补偿的统一控制研究

关于光伏并网发电及无功补偿的统一控制研究

刘铁 王超群 李副望

湖南中南水电水利工程建设有限公司 湖南省长沙市 410000

摘要：伴随社会经济的快速发展，用电量与日俱增，在此背景下，确保电网发电安全、高效成为了普遍关注的问题。本文围绕光伏并网发电系统逆变主电路的基本结构特点，将光伏并网发电与无功功率补偿相结合，使光伏并网发电系统在将有功电能提供给电网的同时，还能提供电网所需的无功电能，以此来简化系统结构，促进功能能力的提高，节省投资。

关键词：光伏并网；光伏发电；无功补偿

有研究指出，光伏并网发电系统通常情况下仅能向电网提供有功电能，也就是把直流电能（太阳能光伏阵列）向同相、同频于电网的交流电能进行转换，且馈送给电网，且确保其功率因数较高。而针对处于负载状态的无功电能而言，通常由电网提供，或者是由专门的无功补偿设备来提供。针对大型城市的供电网络，当其有着较强的输、供电能力时，负载的无功功率不会大幅影响电网供电质量，但对于电网的末梢，尤其是与电网有较远距离的地区，负载的无功电流会影响到电网供电电压。为了使电网末梢的供电能力得到增强，可以在供电负载周围，建光伏并网发电系统，这样便能较好的对供电能力与质量给予改善，但若光伏并网发电系统仅提供有功电能，那么负载的无功电流可能会对电网末梢的功能质量造成影响，不然仅能实现无功补偿设备的增加。本文围绕光伏并网功率调节系统（具有无功补偿与光伏并网发电功能），就其统一控制探讨如下。

1.系统控制原理分析

在整个传统光伏并网发电系统当中，Solar Array是其太阳电池阵列，其正、负输出与直流母线（电压型三相逆变桥）连接，三相逆变桥所对应的交流输出经电抗其与电网并接。针对太阳电池阵列来讲，其作为整个系统中的直流电源输入，因太阳电池阵列自身的P-V、V-I特性有着非常强的非线性，并且还伴随温度、光照的变化而变化，所以，光伏阵列在并网发电过程中，可以输出最大的功率；而要想实现此点，需采取切实措施，对其输出电压予以稳定，并且将其最大功率点所对应的工作电压找出来。

针对常规光伏并网型逆变电源来讲，其直流母线的电压控制通常情况下，一致于滤波的直流母线和有源无功补偿的电压控制方式，也就是借助并网电流所对应的有功电流分量的方向与大小，来实现直流母线电压的稳定。所以，二者统一控制具有可行性；在实际操作中，通过对无功电流分量（负载交流母线）进行检测，且把它向无功补偿电流指令分量进行换算，且合成于有功电流指令（电压调节输出），如此一来，便能获得并网电流指令，而经电流内环调节，便可以实现对无功补偿与并网发电进行统一控制的目的。

针对三相光伏并网功率调节器而言，其采用的是双环控制结构，即电流控制为内环，而电压控制为外环，电压外环稳定光伏阵列的直流输出电压，其经过调节输出能够产生电流内环的线电流，为给定幅值信号提供参考；针对电流内环来讲，其可以跟踪控制并网电流，且确保电流跟踪的误差与快速性。

2.以瞬时无功功率理论为基础的无功电流检测

针对无功电流检测来讲，其有着多种方法，其中，速度最快的是以瞬时无功功率理论为基础的检测方法与dq0坐标变换法。本文根据具体需要，用前者对无功电流进行检测。

针对以三相瞬时无功功率理论为基础的瞬时谐波与无功电流检测方式，当仅对无功电流分量进行检测时，能够实现无延时；三相无功电流的检测算法的原理为：

图1 无功电流检测的基本原理图

电流i_a、i_b、i_c都是电网负载电流，而C是α-β两相静止正交坐标系到p-q旋转坐标系的变换矩阵；针对C32而言，即三相静止坐标系到α-β两相静止正交坐标系之间的变换矩阵；而在p-q旋转坐标系当中，q轴为电网电压的法线，而p轴为其矢量e；针对LPF来讲，即低通滤波器，C^-1为C的逆变换矩阵，而C23是C32的逆变换矩阵。

需要强调的是，因系统仅需对无功分量（三相电流中）进行检测，那么可以把iq直接实施C23与C^-1逆变换，经计算得知，若负载电流出现突变，那么针对此时的无功检测来讲，不会出现延时的情况。因仅取相位与a相电网电压ea相同的正弦信号sinωt与余弦信号cosωt，所以，电压波形畸变不会对最终得到的检测结果造成影响，此方法实时性较好。

3.并网电流合成以及跟踪控制分析

交流电网实际就是光伏并网逆变器的负载，对于与之相对应的交流电网电压而言，始终维持不变，因此，可借助并网有功电流的大小来体现并网功率的大小。系统在运行过程中，通过对并网有功电流的大小进行调整，以此实现对工作点电压（太阳电池阵列）的稳定处理，也就是并网有功功率平衡于阵列输出功率，系统方能确保工作点电压始终处于稳定状态。所以，在光伏阵列电压外环所具有的持续控制作用下，其并网有功电流分量能够较好的满足系统的总体控制要求。

直流电压环对输出并网电流进行调节输出的有功分量幅值设为I

_p^*，与三相电网所对应的同步信号相乘，便能获得瞬时有功分量（三相交流电流），设为iap *、ibp*、icp*；而针对电网电流ia、ib、ic来讲，经过坐标变换之后，便可以获得囊括其中的瞬时无功分量，而且把它当作给定iaq*、icq*、ibq*；把瞬时无功分量给定以一种合理方式，合成于三相瞬时有功分量给定，当作内环交流电流给定信号，即ia*、ic*、ib*。通过电流指令的合成算法，便能做到对并网电流的跟踪控制。但需指出的是，由于此算法建于三相电网电压对称，且是正序状态下，如果电网电压相序为负，那么需要修改计算工作，以此来更好的满足控制要求。

4.结语

综上，在整个光伏并网发电系统当中，把补偿控制、无功检测结合于并网发电控制，这样便能够达到统一控制并网发电与无功补偿的目的，无论是在理论层面上，还是具体实践中，皆可行。其并网发电所对应的工作运行状态，除了能够提供电网的有功电能之外，还能对传输电网当中的无功电流进行补偿，因而对提高电网供电能力与质量有利。

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作者简介：刘铁（1994-01-03），男，汉族，籍贯：湖南省娄底市，当前职务：市场专员，当前职称：助理工程师，学历：本科