光伏逆變器無功補償問題

光伏逆變器無功補償問題前言隨著我國國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，不僅要求供電連續(xù)可靠，也希望供電電壓頻率穩(wěn)定、波形良好，因此，開始對光伏并網(wǎng)逆變器提出了要求，希望光伏逆變器在需要時可向電網(wǎng)提供無功。也就是要求光伏逆變器具有無功補償?shù)墓δ埽疚幕谶@個問題進行了分析，主要研究增加此功能對光伏逆變器的具體要求。1光伏逆變具有無功補償?shù)囊饬x在配電網(wǎng)中，短路故障、無功和有功功率沖擊等常常會造成電網(wǎng)電壓波動，引起電能質(zhì)量下降，進而影響到配電網(wǎng)中的正常電能使用；尤其是在配電網(wǎng)末端，負載的無功電流也常常影響到電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。目前，一般采用專門的無功補償設備來對電網(wǎng)無功進行相應的補償，這樣就增加了額外的設備投入。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以廣泛分布于電網(wǎng)各處，包括電網(wǎng)虛弱的末梢，其并網(wǎng)有功電能的大小決定于光伏陣列的發(fā)電功率，一般情況下要求并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位，即保證功率因數(shù)為1。若要求其在適當情況下向電網(wǎng)發(fā)出無功功率，這樣一定程度上即可以提升電網(wǎng)質(zhì)量，也可以提高光伏系統(tǒng)的利用率。故要實現(xiàn)有功發(fā)電和無功補償?shù)慕y(tǒng)一控制。光伏逆變器實現(xiàn)無功功率的輸出也有助于低電壓穿越測試的通過。2相關標準2.1金太陽：中高壓型逆變器的功率因數(shù)應能夠在0.95（超前）?0.95（滯后）范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，有特殊要求時，可以與電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)協(xié)商確定。在其無功輸出范圍內(nèi)，應具備根據(jù)并網(wǎng)點電壓水平調(diào)節(jié)無功輸出，參與電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的能力，其調(diào)節(jié)方式、參考電壓、電壓調(diào)整率等參數(shù)應可由電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)遠程設定。電壓/無功調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)試驗：用PC機模擬向逆變器發(fā)送無功控制信號（包括調(diào)節(jié)方式、參考電壓、電壓調(diào)差率等參數(shù)），逆變器應在規(guī)定的無功輸出范圍內(nèi)，根據(jù)并網(wǎng)點電壓水平調(diào)節(jié)無功輸出。2.2VDEW（德國）：不同功率等級下，無功功率因數(shù)的要求標準（如果運營商提供特性曲線，那么設置曲線上的任意點，逆變器必須在10S內(nèi)達到相應的功率值）：（1） ￡SEmax<3.68kVA時，功率因數(shù)cosp范圍：0.95（超前）?0.95（滯后），與DINEN50438一致（無運營商給出）；（2） 3.68kVA<ZSEmax<13.8kVA，功率因數(shù)cosp范圍：0.95（超前）?0.95（滯后），精度為O.Olcos①，特性曲線如下圖：

圖13.68kVA〈NSEmaxM13.8kVA，發(fā)電系統(tǒng)輸出無功的范圍注釋：還有一個規(guī)定：無功功率的精度為±5%，比cosp精度的范圍大。（3）琴Emax>13.8kVA，功率因數(shù)cosp范圍：0.9（超前）?0.9（滯后），精度為O.Olcos①，特性曲線如下圖:圖2￡SEmax>13.8kVA，發(fā)電系統(tǒng)輸出無功的范圍注釋：PGS-powergenerationsystem；PGU-powergenerationunit。SAmax=ESEmaxHouseoonnedJonHr*HcuseGonnactianbox

3逆變器的無功和電網(wǎng)無功的關系分析將逆變器等效為一個電流源，并網(wǎng)端的電網(wǎng)電壓為us，大電網(wǎng)的等效電感和電阻分別為Lg、Rg，當并網(wǎng)電感電流僅是有功分量時，則電感電流與電網(wǎng)電壓U同頻同相，并網(wǎng)端g點電壓與大電網(wǎng)的矢量關系圖如圖3(a)黑色線所示；假設逆變器側(cè)視在功率恒定，當并網(wǎng)電感電流含有有功和無功分量，當電網(wǎng)向逆變器輸出容性無功時，并網(wǎng)端點電壓與大電網(wǎng)的矢量關系如圖3(b)紅色線所示，可看出此時逆變器并網(wǎng)端點的電壓有了一定的抬高。工作波形(a)全橋逆變器圖3工作波形(a)全橋逆變器圖3全橋逆變電路及其工作波形(b)結(jié)論：當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)降落時，逆變器向系統(tǒng)輸出感性無功，有助于支撐電網(wǎng)電壓；當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)升高時，逆變器向系統(tǒng)輸出容性無功，有助于支撐電網(wǎng)電壓。個人理解：如圖3(b)逆變器向系統(tǒng)輸出感性無功時，從電網(wǎng)側(cè)來看逆變器，電感電流反向180°，可看到此時電感電流是超前電網(wǎng)電壓，逆變器此時相當于一個電容，一般負載都呈現(xiàn)感性，電網(wǎng)中電流大部分時間是滯后電網(wǎng)電壓的，此時我們需要并入電容性質(zhì)的負載來平衡電網(wǎng)。4工作原理以單H橋逆變器為例，假設逆變器向電網(wǎng)提供純?nèi)菪詿o功，以圖4(a)中電感電流方向為參考方向，理想情況下，電感電流滯后電網(wǎng)電壓90°，以下對H橋的工作原理進行分析，其工作波形如圖4(b)所示。(a)全橋逆變器 (b)工作波形圖4全橋逆變電路及其工作波形其在一個周期內(nèi)工作情況分為以下4個模態(tài)：

(a)*(b)t(a)*(b)t1~t2圖4工作模態(tài)[t0~t1]電感電流通過功率管S1和S4注入電網(wǎng)，此時電容在放電；[t1~t2]電感電流從功率管的體內(nèi)二極管D1和D4續(xù)流，電容在充電;[t2~t3]電感電流通過功率管S2和S3注入電網(wǎng)，此時電容在放電；[t~t]電感電流從功率管的體內(nèi)二極管D2和D3續(xù)流，電容在充電。思考：隨著并網(wǎng)電流中無功功率的增大，一個開關周期內(nèi)通過功率管反并聯(lián)二極管續(xù)流的時間越長，考慮到發(fā)熱問題，一個功率管反并聯(lián)二極管所走電流的大小是有限的，需要去計算。不考慮連接電抗器損耗和變換器本身的損耗(如管壓降、線路電阻等)，則逆變器等效電路與其相量圖如圖5所示。從圖中我們可知改變交流側(cè)輸出電壓U么的幅值及其相對于Uab s的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制變換器從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了變換器吸收無功功率的性質(zhì)和大小。X=wLUabX=wLUabU(a)單相等效電路(b)并網(wǎng)電流超前網(wǎng)側(cè)電壓(c)并網(wǎng)電流滯后網(wǎng)側(cè)電壓圖5不考慮損耗時的逆變器交流側(cè)矢量關系圖在實際情況下，考慮濾波電感和全橋變換器的阻抗(用R來表示)，故全橋變換器在實際工作時存的一定的有功損耗，其穩(wěn)態(tài)交流側(cè)實際矢量關系如圖5所示。此時全橋變換器輸出電壓U與網(wǎng)側(cè)電流I相差90°，由于變換器工作需要一部分有功能量，所以電網(wǎng)電壓Uab L s

與電流II的相位之差比90°小了^角，也就是說相對于電網(wǎng)電壓來說，無功補償模式電流七.? ........ .?....?■-、?一中有一定量的有功分量。由圖5矢量圖可知，^角即逆變器輸出電壓U與電網(wǎng)電壓U的相ab s位差。在穩(wěn)態(tài)工作狀況下，由于^的存在使逆變器從交流電網(wǎng)側(cè)吸收有功功率，補償逆變器電路中的損耗，并使直流側(cè)電容器。小在動態(tài)過程中充電或放電，從而改變逆變器輸出電壓幅值，以達到調(diào)節(jié)輸出無功功率大小及性質(zhì)的目的。從圖中可知，當逆變輸出橋臂間電壓U>U時，逆變器向電網(wǎng)發(fā)出容性無功，此時逆變器相當于電感；當U<U時，逆變器abs abs向電網(wǎng)發(fā)出感性無功，此時逆變器相當于電容。(a)單相等效電路(b)并網(wǎng)電流超前網(wǎng)側(cè)電壓(c)并網(wǎng)電流滯后網(wǎng)側(cè)電壓圖6考慮損耗時的逆變器交流側(cè)矢量關系圖圖6(a)中并網(wǎng)電流超前網(wǎng)側(cè)電壓，即逆變器向電網(wǎng)發(fā)出容性無功，此時電網(wǎng)電壓U、逆變器輸出電壓U及濾波電感阻抗電壓U構(gòu)成電壓三角形，可得以下關系ab zU = ab -U = ab -9) sin(90。+9-8)(4.1)sin8sin(90。式中cp為濾波電感的阻抗角。由式(4.1)可得(4.2)Usin8

cos^(4.2)可得穩(wěn)態(tài)時逆變器向電網(wǎng)發(fā)出的容性無功電流和吸收的有功電流有效值分別為(4.3)I^=."z^=sin(90。-8)=2-rsin28(4.3)TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"Ip X^cos(90?！?)=上(1-cos28) (4.4)進一步計算可得逆變器向電網(wǎng)發(fā)出的容性無功功率和有功功率分別為- U2.…\o"CurrentDocument"Q=UsIQ=忝sin28 (4.5)U2\o"CurrentDocument"P=usIp=茹(1-cos28) (4.6)圖6(b)中網(wǎng)側(cè)電流滯后網(wǎng)側(cè)電壓，同理可得以上關系，此處不再贅述。結(jié)論：在實際工作中，無功補償是存在一定有功損耗的，有兩個來源，一個來自前級PV輸入源(不完全做無功補償)；一個來自電網(wǎng)(完全做無功補償)。若給定逆變器等效損

耗R，可通過控制8角來控制并入電網(wǎng)的無功功率的大小及性質(zhì)。當逆變器輸出電感電流存在有功分量I、無功分量I，忽略損耗A，可得以下關系Ld Lq(4.7)I=I+1,I=I-sin8,I=I-cos8,U=U+j^lILLdLqLdL LqL abs L(4.7)可通過控制逆變器輸出電壓U^來控制并入電網(wǎng)的無功功率的大小及性質(zhì)；通過控制ab8、U來控制并入電網(wǎng)的無功功率大小及性質(zhì)屬于間接控制方式（優(yōu)點：不需要采樣電感ab電流；缺點：對參數(shù)敏感、動態(tài)響應慢）通過給定I和I合成電感電流I作為給定指令LdLq L進行控制，是直接電流控制（動態(tài)響應快）。建議：采用直接電流控制，可以通過基于向變換的PLL方法來實現(xiàn)鎖相，負值可給定Id和Iq的大小。在單相逆變系統(tǒng)上，可通過制造與電網(wǎng)電壓成90°的直流分量來實現(xiàn)基于dq變換的PLL。基于二階廣義積分器的單相鎖相環(huán)控制，較之反park變換、延遲等制造直流分量上，有一定濾波效果，也可解覺由采樣環(huán)帶來的直流分量問題，近期研究較為熱，建議使用。5業(yè)界產(chǎn)品無功補償?shù)墓β室驍?shù)范圍SMA：SUNNYBOY3000TL/4000TL/5000TL額定功率因數(shù)1可調(diào)范圍0.8（超前）?0.8（滯后）SUNGROW：SG10kTL無功可調(diào)功率因數(shù)范圍0.9（超前）~0.9（滯后）大部分是這個范圍。6I型三電平拓撲工作原理分析I型三電平一個橋臂的拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示，工作于無功補償模式的波形。BUS（b）工作波形BUS（b）工作波形圖7I型三電平電路及其工作波形（a） ［t（~t］\無功補償，逆變器等效為Boost電路工作，RT3高頻開關，RD1、RD2為Boost整流二極管；（b） ［t廣t2\逆變，RT1高頻，RT2工頻，通過RD5續(xù)流；（c） ［t2?t3\無功補償，逆變器等效為Boost電路工作，RT2高頻開關，RD3、RD4為Boost整流二極管；（d） ［t3~t4\逆變，RT4高頻，RT3工頻，通過RD6續(xù)流?？煽闯霎斈孀兤鏖_始有無功輸出時，工頻開關管 RT2、RT3將進行高頻開關，且RD1-RD4將有電流通過。這樣會對逆變器功率管帶來額外的熱量，會引起管子發(fā)燙，故當逆變器