焦 龍，馬金龍

（1.國網寧夏電力公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011;

2.振發(fā)新能源科技有限公司， 江蘇 無錫 214073）

光伏逆變器無功功率特性研究

焦 龍1，馬金龍2

（1.國網寧夏電力公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011;

2.振發(fā)新能源科技有限公司， 江蘇 無錫 214073）

為了解決光伏電站無功調節(jié)能力問題，通過現場試驗和對光伏逆變器群的性能進行分析，驗證了光伏逆變器群能夠產生感性和容性無功功率，具備良好的無功調節(jié)能力，可作為光伏電站的無功輸出設備。試驗結果表明：光伏逆變器具有的無功調節(jié)能力在減少無功補償設備投入容量、滿足系統(tǒng)無功需求的同時，也降低了電能損耗，節(jié)約了投資成本，增加了經濟效益。關鍵詞： 光伏逆變器；無功補償；動態(tài)響應時間

太陽能是地球上最豐富的能源，其受地域限制較小，幾乎可以在地球上任一個地區(qū)使用［1-2］。寧夏是我國太陽能及其豐富的省份，太陽能年輻射總量為4 950～6 100 MJ/m2，年日照時數為2 250～3 100 h，日照百分率為50%～69%。寧夏的銀川北部、中衛(wèi)、太陽山及香山等地區(qū)，屬于我國太陽輻射的高能區(qū)。

截止2015年10月，寧夏地區(qū)發(fā)電總裝機容量為26.6 GW，其中光伏電站裝機容量約為2.7 GW,占總裝機容量的10%。寧夏計劃到2016年，光伏電站裝機容量達到4.8 GW的水平。

大面積光伏電站接入電網就要求光伏電站具備一定無功備用容量，在電網故障或異常時，向電網提供無功支持，當發(fā)生故障后，無功補償裝置的動態(tài)無功調節(jié)能力可以加快故障切除后風電場節(jié)點電壓的恢復過程，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光伏電站常用的無功補償裝置為靜止無功發(fā)生器（static var generator,SVG）,目前有學者提出［3-4］可利用逆變器群調節(jié)光伏電站無功功率，因此，需要驗證逆變器群是否能夠和SVG具備同樣無功調節(jié)的能力。

1 利用光伏逆變器調節(jié)無功功率現狀及存在問題

寧夏絕大部分光伏電站將SVG安裝在光伏電站的出口，根據光伏電站接入點的電壓偏差量來控制無功補償裝置補償的無功功率，而利用光伏逆變器群作為無功功率輸出設備的只有少數光伏電站。

如今SVG作為成熟產品，其性能如動態(tài)響應特性、無功調節(jié)、電壓調節(jié)等都符合相關國家標準［5，6］的要求。但是光伏逆變器群作為無功功率輸出設備在光伏電站使用很少，還未進行系統(tǒng)性驗證，證明其性能指標符合相關標準，并具有和SVG同樣能力或者更優(yōu)秀的性能，能夠滿足電網需求。因此需要找到正確、實用的試驗方法，以驗證光伏逆變器群作為無功功率輸出設備的性能指標是否滿足上述要求。

2 光伏逆變器調節(jié)無功功率性能測試及分析

2.1 光伏逆變器無功功率輸出原理

2.1.1 光伏逆變器參數

本次試驗在固原某光伏電站開展，其光伏逆變器型號為陽光電源SG500 KTL，額定功率為500 kW,共58臺，交流側額定電壓：270 V AC,直流側額定電壓：1 000 V DC。

2.1.2 無功功率輸出原理

根據光伏逆變器的并網原理能夠知道，光伏電站除無功補償裝置以外，無功出力是站內所包含的58臺逆變器的無功出力能力之和。在有功出力已知的情況下，逆變器無功出力能力受逆變器的開關管容量限制。并且有功調節(jié)、無功調節(jié)是解耦控制，逆變器調節(jié)無功不影響有功出力［3］。

圖1為單級式光伏發(fā)電單元示意圖。

圖1 單級式光伏發(fā)電單元

光伏發(fā)電系統(tǒng)注入交流系統(tǒng)的有功、無功可以表示為

式中：pgen、Qgen—逆變器輸出的有功、無功功率；

Ub、Uterm—逆變器橋臂電壓和交流側輸出電壓；

XL—橋臂電抗；

δ—電壓相角差。

那么：

在實際運行中只要知道光伏逆變器額定有功功率和額定功率因數，就可以大概算出1臺逆變器能夠給出的無功功率大小，如所測試光伏電站，假設額定有功功率為500 kW,額定功率因數為0.95，那么理論上單臺逆變器能夠發(fā)出無功功率164.5 kvar。

2.2 光伏逆變器無功功率輸出特性試驗方案

2.2.1 測試條件及測試設備

被測試光伏電站所有逆變器均可以正常發(fā)電，測試全過程中站內SVG退出，AVC/AGC退出。測試采用2臺北京同控公司生產的TK3016便攜式電量（波形）記錄分析儀，在光伏電站出線處全程錄波。

2.2.2 測試點布置

圖2為被測試光伏電站主接線圖。如圖2所示，1臺測試設備接35 kV母線出線開關處，用于測試光伏電站全站的無功/電壓控制系統(tǒng)的響應時間；另一臺設備接314線路進線開關處，用于測試光伏電站的動態(tài)無功響應時間。

圖2 被測試光伏電站主接線

2.3 測試結果分析與評價

2.3.1 光伏逆變器恒電壓模式下電壓調節(jié)精度

按照電網要求，試驗期間并網點電壓控制在35.5～37 kV，并網點恒電壓模式下的測試數據如表1所示。

全站有功可調容量29 MWp，從表1中數據可以看出，并網點電壓目標值為36 kV時，并網點電壓實際值為35.84 kV，誤差為0.16 kV。并網點電壓目標值為36.5 kV時，并網點電壓實際值為36.40 kV，誤差為0.10 kV。并網點電壓目標值為37 kV時，并網點電壓實際值為36.97 kV，誤差為0.03 kV。并網點電壓目標值為35.5 kV時，并網點電壓實際值為35.61 kV，誤差為0.11 kV。以上試驗誤差均小于0.175 kV（標稱電壓的0.5%），滿足國家標準GB/T 29321—2012的要求。

2.3.2 光伏逆變器恒無功模式下無功調節(jié)精度

同樣按照電網要求，試驗期間保證并網點電壓在35.5～37 kV，并網點恒電無功模式下的測試數據如表2所示。

從表2數據可以看出，并網點無功功率目標值為5 Mvar時，并網點無功功率實際值為4.97 Mvar，誤差為0.03 Mvar，小于0.25 Mvar。并網點無功功率目標值為-1 Mvar時，并網點無功功率實際值為-0.98 Mvar，誤差為0.02 Mvar，小于0.05 Mvar。并網點無功功率目標值為-3 Mvar時，并網點無功功率實際值為-2.97 Mvar，誤差為0.03 Mvar，小于0.15 Mvar。以上試驗誤差均在允許范圍內。電站無功出力從5 Mvar到-1 Mvar，35 kV母線電壓降低1.03 kV，具有較好的調壓效果。

表1 并網點恒電壓連續(xù)運行范圍測試數據

表2 并網點恒無功連續(xù)運行范圍測試數據

2.3.3 光伏逆變器動態(tài)響應時間試驗

令全站無功調節(jié)處于自動電壓調節(jié)連續(xù)運行模式下，并網點電壓在標稱電壓的97%～107%范圍內。選取光伏發(fā)電站一條集電線路作為擾動線路，令該集電線路下所有逆變器處于最大無功輸出模式，穩(wěn)定后記錄光伏電站35 kV出線側有功功率、無功功率、電流和電壓；切除該條集電線路，擾動35 kV母線電壓，記錄光伏電站35 kV出線側有功功率、無功功率、電流、電壓和動態(tài)無功響應時間。并網點光伏逆變器動態(tài)響應時間數據如表3所示。

表3 并網點電壓調節(jié)動態(tài)響應試驗數據

從表3可以看出，切除被選集電線路容性無功4.69 Mvar，動態(tài)無功響應時間為23.281 ms；切除被選集電線路感性無功4.76 Mvar，動態(tài)無功響應時間為26.719 ms。滿足文獻［6］的要求。

3 效果評價

此次光伏逆變器無功功率輸出特性試驗驗證了光伏逆變器群作為無功功率輸出設備可以產生感性、容性無功功率，其動態(tài)響應時間為23.281 ms和26.719 ms，恒電壓模式下的調節(jié)精度最大為0.4%，恒無功模式下的調節(jié)精度最大為2%，都小于國家標準要求的限值，且達到了SVG同樣效果，并且光伏逆變器是光伏電站核心部件，其提供無功功率輸出不需要額外再加裝設備，因而不需要額外支出，減少了資金投入，在成本節(jié)省方面較SVG具有較大優(yōu)勢。

4 結論

光伏電站大規(guī)模并網對電網無功調節(jié)能力提出了考驗，對無功補償裝置的利用能夠起到一定的電壓調節(jié)能力［4］。通過此次試驗證明了除常用無功補償裝置外，利用光伏逆變器群調節(jié)光伏電站無功功率的可行性。

（1）此次試驗驗證了光伏逆變器在發(fā)電過程中也能夠幫助電網進行無功調節(jié)，保證電網電壓穩(wěn)定，并且光伏逆變器在無功調節(jié)過程中，光伏逆變器無功功率輸出動態(tài)響應時間、恒電壓模式和恒無功模式下的調節(jié)精度能力均符合國家相關標準要求。

（2）光伏逆變器作為光伏電站核心部件，其在電能轉換的過程中發(fā)出無功功率滿足了電網需求，并且不需要電站支出額外的費用，因此節(jié)約了投資成本，同時還降低了電能損耗，提升了經濟效益。

［1］ 尹忠東，朱永強.可再生能源發(fā)電技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［2］ 曹勇，劉萬兵，王慶勇.光伏發(fā)電逆變器工作原理及控制［J］.自動化技術與應用，2013，32（12）：119-122.

［3］ 耿新輝.光伏逆變器功率輸出特性研究［J］.現代制造，2014（24）：46-47.

［4］ 太陽能光伏發(fā)電及其應用［M］.北京：科學出版社，2005.

［5］ GB/T 19964—2012，光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定［S］.

［6］ GB/T 29321—2012，光伏發(fā)電站無功補償技術規(guī)范［S］.

Research on reactive power characteristic of photovoltaic inverter

JIAO Long1,MA Jinlong2
(1.Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.，Yinchuan Ningxia 750011，China;
2.Zhenfa New Energy Science&Technology Co.,Ltd.,Wuxi Jiangsu 214073,China)

In order to solve the problem of the reactive power adjustment capability of the photovoltaic power station,by the test analyzes the characteristic of the photovoltaic inverters,verifies the photovoltaic inverters can produce inductive and capacitive reactive power,has fine reactive power adjustment capability,it can use the photovoltaic power station as reactive power output equipment. The test result shows that the reactive power adjustment capability of photovoltaic inverters not only reduce the input capability of the reactive power compensation equipments and satisfy the needs of the system reactive power,but also reduce the electric energy loss,save the investment cost and increase the economic benefits.

photovoltaic inverter;reactive power compensation,dynamic response time

TM513

A

1672-3643（2017）01-0054-04

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.011

國家電網公司科技項目（國網運檢計劃〔2014〕36號）。

2016-10-16

焦龍（1984），男，工程師，從事涉網試驗工作。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.011