光伏逆变器无功补偿问题

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1、光伏逆变器无功补偿问题前言随着我国国民经济的蓬勃发展，用户对电能质量的要求越来越高，不仅要求供电连续可 靠，也希望供电电压频率稳定、波形良好，因此，开始对光伏并网逆变器提出了要求，希望 光伏逆变器在需要时可向电网提供无功。也就是要求光伏逆变器具有无功补偿的功能，本文 基于这个问题进行了分析，主要研究增加此功能对光伏逆变器的具体要求。1光伏逆变具有无功补偿的意义在配电网中，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；尤其是在配电网末端，负载的无功电流也常 常影响到电网电压的稳定。目前，一般采用专门的无功补偿设备来对电网无功进行相应的

2、补 偿，这样就增加了额外的设备投入。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。若要求其在适当情况下向电网发出无功功率，这 样一定程度上即可以提升电网质量，也可以提高光伏系统的利用率。故要实现有功发电和无 功补偿的统一控制。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。2相关标准2.1金太阳：中高压型逆变器的功率因数应能够在0.95（超前）0.95（滞后）范围内连续可调，有特殊要 求时，可以与电网经营企业协商确定。在其无功输出范围内，应具备根据并网点电压水平

3、调 节无功输出，参与电网电压调节的能力，其调节方式、参考电压、电压调整率等参数应可由 电网调度机构远程设定。电压/无功调节调节试验：用PC机模拟向逆变器发送无功控制信号（包括调节方式、参 考电压、电压调差率等参数），逆变器应在规定的无功输出范围内，根据并网点电压水平调 节无功输出。2.2 VDEW （德国）：不同功率等级下，无功功率因数的要求标准（如果运营商提供特性曲线，那么设置曲线 上的任意点，逆变器必须在10S内达到相应的功率值）：（1）SEmax3.68kVA 时，功率因数 cosp 范围：0.95（超前）0.95（滞后），与 DIN EN 50438 一致（无运营商给出）；（2）3.6

4、8kVAZSEmax13.8kVA，功率因数cosp范围：0.9（超前）0.9（滞后），精度为O.Olcos，特性 曲线如下图:图2 SEmax13.8kVA，发电系统输出无功的范围注释：PGS-power generation system； PGU-power generation unit。SAmax =ESEmaxHouse oonnedJon Hr*Hcuse Gonnactian box3逆变器的无功和电网无功的关系分析将逆变器等效为一个电流源，并网端的电网电压为us，大电网的等效电感和电阻分别 为Lg、Rg，当并网电感电流仅是有功分量时，则电感电流与电网电压U同频同相，并网端 g

5、点电压与大电网的矢量关系图如图3(a)黑色线所示；假设逆变器侧视在功率恒定，当并网电 感电流含有有功和无功分量，当电网向逆变器输出容性无功时，并网端点电压与大电网的矢量关系如图3(b)红色线所示，可看出此时逆变器并网端点的电压有了一定的抬高。工作波形(a)全桥逆变器图3全桥逆变电路及其工作波形(b)结论：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。个人理解：如图3(b)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，可看到此时电感电流是超前电网电压，逆变器此时相当于一个电容，一般

6、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，此时我们需要并入电容性质的负载来 平衡电网。4工作原理以单H桥逆变器为例，假设逆变器向电网提供纯容性无功，以图4(a)中电感电流方向 为参考方向，理想情况下，电感电流滞后电网电压90，以下对H桥的工作原理进行分析， 其工作波形如图4(b)所示。(a)全桥逆变器(b)工作波形图4全桥逆变电路及其工作波形其在一个周期内工作情况分为以下4个模态：(a) *(b) t1t2图4工作模态(a) t0t1电感电流通过功率管S1和S4注入电网，此时电容在放电；(b) t1t2电感电流从功率管的体内二极管D1和D4续流，电容在充电;(c) t2t3电感电

7、流通过功率管S2和S3注入电网，此时电容在放电；(d) tt电感电流从功率管的体内二极管D2和D3续流，电容在充电。思考：随着并网电流中无功功率的增大，一个开关周期内通过功率管反并联二极管续流 的时间越长，考虑到发热问题，一个功率管反并联二极管所走电流的大小是有限的，需要去 计算。不考虑连接电抗器损耗和变换器本身的损耗(如管压降、线路电阻等)，则逆变器等效 电路与其相量图如图5所示。从图中我们可知改变交流侧输出电压U么的幅值及其相对于Uabs的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制变换器从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了变换器吸收无功功率的性质和大小。X =w LUabU(a)单相等效

8、电路(b)并网电流超前网侧电压(c)并网电流滞后网侧电压图5不考虑损耗时的逆变器交流侧矢量关系图在实际情况下，考虑滤波电感和全桥变换器的阻抗(用R来表示)，故全桥变换器在实 际工作时存的一定的有功损耗，其稳态交流侧实际矢量关系如图5所示。此时全桥变换器输 出电压U与网侧电流I相差90，由于变换器工作需要一部分有功能量，所以电网电压U abLs与电流II的相位之差比90小了 角，也就是说相对于电网电压来说，无功补偿模式电流七. . . . . . . . . . - 、 一中有一定量的有功分量。由图5矢量图可知，角即逆变器输出电压U与电网电压U的相 abs位差。在稳态工作状况下，由于的存在使逆变

9、器从交流电网侧吸收有功功率，补偿逆变器 电路中的损耗，并使直流侧电容器。小在动态过程中充电或放电，从而改变逆变器输出电压 幅值，以达到调节输出无功功率大小及性质的目的。从图中可知，当逆变输出桥臂间电压 U U时，逆变器向电网发出容性无功，此时逆变器相当于电感；当U U时，逆变器ab sab s向电网发出感性无功，此时逆变器相当于电容。(a)单相等效电路 (b)并网电流超前网侧电压 (c)并网电流滞后网侧电压 图6考虑损耗时的逆变器交流侧矢量关系图图6(a)中并网电流超前网侧电压，即逆变器向电网发出容性无功，此时电网电压U、逆变器输出电压U及滤波电感阻抗电压U构成电压三角形，可得以下关系 abz

10、U =ab-9)sin(90。+9-8)(4.1)U UZ =ssin 8 sin(90。式中cp为滤波电感的阻抗角。由式(4.1)可得(4.2)U sin 8cos可得稳态时逆变器向电网发出的容性无功电流和吸收的有功电流有效值分别为(4.3)I = . z= sin(90。-8) = 2-rsin28IpX cos(90。8)=上(1 - cos28)(4.4)进一步计算可得逆变器向电网发出的容性无功功率和有功功率分别为-U 2 .Q = UsIQ =忝 sin28(4.5)U2P = usIp =茹(1-cos28)(4.6)图6 (b)中网侧电流滞后网侧电压，同理可得以上关系，此处不再赘

11、述。结论：在实际工作中，无功补偿是存在一定有功损耗的，有两个来源，一个来自前级PV输入源(不完全做无功补偿)；一个来自电网(完全做无功补偿)。若给定逆变器等效损耗R，可通过控制8角来控制并入电网的无功功率的大小及性质。当逆变器输出电感电流存在有功分量I 、无功分量I ，忽略损耗A，可得以下关系LdLq(4.7)I = I +1 , I = I - sin 8 , I = I - cos 8 , U = U + jlI L Ld Lq Ld LLq Lab sL可通过控制逆变器输出电压U 来控制并入电网的无功功率的大小及性质；通过控制 ab8、U来控制并入电网的无功功率大小及性质属于间接控制方式

12、（优点：不需要采样电感 ab电流；缺点：对参数敏感、动态响应慢）通过给定I和I合成电感电流I作为给定指令Ld LqL进行控制，是直接电流控制（动态响应快）。建议：采用直接电流控制，可以通过基于向变换的PLL方法来实现锁相，负值可给定 Id和Iq的大小。在单相逆变系统上，可通过制造与电网电压成90的直流分量来实现基于dq 变换的PLL。基于二阶广义积分器的单相锁相环控制，较之反park变换、延迟等制造直流 分量上，有一定滤波效果，也可解觉由采样环带来的直流分量问题，近期研究较为热，建议 使用。5业界产品无功补偿的功率因数范围SMA： SUNNY BOY 3000TL/4000TL/5000TL额

13、定功率因数1可调范围0.8 （超前）0.8 （滞后）SUNGROW：SG 10kTL无功可调功率因数范围0.9 （超前）0.9 （滞后） 大部分是这个范围。6 I型三电平拓扑工作原理分析I型三电平一个桥臂的拓扑结构如图7所示，工作于无功补偿模式的波形。BUS（b）工作波形图7 I型三电平电路及其工作波形（a）t（t无功补偿，逆变器等效为Boost电路工作，RT3高频开关，RD1、RD2为 Boost整流二极管；（b）t广t2逆变，RT1高频，RT2工频，通过RD5续流；（c）t2t3无功补偿，逆变器等效为Boost电路工作，RT2高频开关，RD3、RD4为 Boost整流二极管；（d）t3t4

14、逆变，RT4高频，RT3工频，通过RD6续流。可看出当逆变器开始有无功输出时，工频开关管RT2、RT3将进行高频开关，且RD1-RD4将有电流通过。这样会对逆变器功率管带来额外的热量，会引起管子发烫，故当 逆变器具有无功补偿功能时，对开关管的选取有一定要求。为此，对目前12kW逆变器工作 于PF=0.9时的各个功率管的损耗进行了详细计算。7器件的损耗计算见附件1。8小结文中主要分析了逆变器在进行无功补偿时的工作原理、对电网输出无功的意义、主要标 准要求等。通过分析I型电路，可知光伏逆变器具备无功补偿功能，应考虑以下几个方面：1, 标准2, 拓扑结构与控制策略搭配选择合适的拓扑结构和控制策略，可便于进行逆变器输出无功。3, 功率器件合适选择功率器件，以防在逆变器在输出无功功率时出现器件损坏。