CN112653178B - 一种分布式光伏电站系统以及无功自平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分布式光伏电站系统及无功自平衡控制方法，该系统包括光伏发电系统，光伏发电系统包括依次连接的光伏组件、并网逆变器、光伏变压器以及接入模块，接入模块的输出端连接至用户低压配电系统，还包括与光伏发电系统连接的无功自平衡控制装置，无功自平衡控制装置采集指定时长内接入模块处的多个电压、电流信号并计算出对应的功率因数，根据计算出的各个功率因数确定一个目标功率因数并发送给并网逆变器，以控制并网逆变器按照目标功率因数运行。本发明具有结构简单、成本低、可实现无功自平衡，提高关口点功率因数且无功调节控制效果好等优点。

Description

一种分布式光伏电站系统以及无功自平衡控制方法

技术领域

本发明涉及分布式光伏发电站技术领域，尤其涉及一种分布式光伏电站系统以及无功自平衡控制方法。

背景技术

分布式光伏电站多建设在工业厂区或商业园区，采用中低压接入用户电网，所发电能以自发自用为主、就近消纳，余电上网。在分布式光伏电站运行过程中，往往会存在突出的功率因数问题，如发生厂区配网关口点功率因数不合格现象，使得增加功率因数调整电费，有的光伏电站甚至因此被迫停运，对用户和发电企业都造成了不容忽视的经济损失。产生上述配网关口点功率因数不合格现象主要有以下原因：

第一，分布式光伏电站并网运行后，通常以全有功模式运行，在用户负荷需求没有很大变化情况下，用户配网关口点下行有功电量将减小，甚至产生上行有功电量，下行无功电量将增加，依据《功率因数调整电费办法》，则关口点功率因数将减小，严重情况下将不合格。

第二，低压分布式光伏电站通常是通过在低压母线末端并柜接入配网，低压配网电容无功补偿控制器一般均不具备四象限运行能力，但具备识别无功检测电流互感器接线是否正确的自动认相功能。此时，在光伏电能反送上级电网时，将引起低压补偿电容器误动，如本应投入时反而切除，本应切除时又反而误动，使关口点计量的无功电能增加，也可能会导致关口点功率因数降低。

为解决关口点功率因数不合格的问题，有从业提出采取利用光伏逆变器的无功调节能力，使光伏逆变器向配网提供一定量的感性无功电能，以消除光伏电站并网产生的影响，而现有技术中，分布式光伏电站中每个配电室(10kV/0.4kV)通常是按主变容量的30％-40％配置有低压无功补偿电容器，这些电容器装置在400V侧欠补偿运行，按照低压总进线屏处的功率因数就地控制投切，控制器对外没有通讯，传统要实现逆变器功率因数的调节，通常都是采用先检测10kV关口点总的功率因数或无功功率，再下发指令控制所有光伏逆变器的无功运行方式，若将该方案应用于含400V并网光伏电站的配网中时，前提是使得逆变器在电容补偿的基础上进行微调，以控制10kV关口点功率因数达标。

但是上述传统逆变器功率因数调节方案在实际应用时，就无法保证光伏逆变器无功调节和低压电容器投切的先后顺序，实际应用时的状态往往是：在用户负荷无功需求上升过程中，逆变器先输出无功，当逆变器无功输出达到上限时，低压补偿电容器才投运；在用户负荷无功需求下降过程中，只要电容器切除后，在逆变器无功出力达到上限前，则电容器没有机会再投运，即逆变器的无功调节将与电容器调节效果是相同的，并不能实现逆变器在电容补偿基础上微调，上述调节方案在实际应用中通常是无效的，无法达到所需调节效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、可实现无功自平衡，提高关口点功率因数且无功调节控制效果好的分布式光伏电站系统以及无功自平衡控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种具有无功自平衡功能的分布式光伏电站系统，包括光伏发电系统，所述光伏发电系统包括依次连接的光伏组件、并网逆变器、光伏变压器以及接入模块，所述接入模块的输出端连接至用户低压配电系统，还包括与所述光伏发电系统连接的无功自平衡控制装置，所述无功自平衡控制装置采集指定时长内所述接入模块处的多个电压、电流信号并计算出对应的功率因数，根据计算出的各个功率因数确定一个目标功率因数并发送给所述并网逆变器，以控制所述并网逆变器按照所述目标功率因数运行。

进一步的，所述无功自平衡控制装置的输入端连接至所述接入模块，控制输出端连接所述并网逆变器。

进一步的，所述无功自平衡控制装置包括用于采集电压、电流信号的采集单元、用于计算功率因数以及综合计算出的各功率因数得到所述目标功率因数的数据处理单元以及用于将所述目标功率因数发送给所述并网逆变器的发送单元，所述采集单元、数据处理单元以及发送单元依次连接。

进一步的，所述数据处理单元中具体取计算出的各功率因数的统计值作为所述目标功率因数。

进一步的，所述数据处理单元中，综合计算出的各功率因数得到所述目标功率因数后，根据所述用户低压配电系统中配电变压器的无功需求量对得到的所述目标功率因数进行微调，以补偿所述配电变压器的无功损耗，确定得到最终的目标功率因数输出。

进一步的，所述接入模块为光伏接入柜，所述无功自平衡控制装置安装在所述光伏接入柜中。

进一步的，所述接入模块设置于所述用户低压配电系统中配电变压器低压侧的总进线开关与用于为所述用户低压配电系统中无功补偿控制装置提供电流检测数据的电流互感器之间。

一种分布式光伏电站系统无功自平衡控制方法，步骤包括：

S1.采集光伏发电系统中接入模块处指定时长内的多个电压、电流信号并计算出对应的功率因数；

S2.根据步骤S1计算出的多个功率因数确定一个目标功率因数并发送给所述并网逆变器(12)；

S3.控制所述并网逆变器按照所述目标功率因数运行。

进一步的，所述步骤S1中，具体通过检测时间序列{t_n}中各时刻的电压、电流信号，获取得到时间序列{t_n}内各时刻的有功功率{P_n}和无功功率{Q_n}，最终计算得到对应各时刻的功率因数序列

进一步的，所述步骤S2中，具体取计算出的各功率因数的统计值作为所述目标功率因数。

进一步的，所述步骤S3后还包括根据用户低压配电系统中配电变压器的无功需求量对得到的所述目标功率因数进行微调，以补偿所述配电变压器的无功损耗，确定得到最终的目标功率因数输出。

进一步的，具体按照下式确定得到最终的目标功率因数：

其中，m为所述接入模块14下连接的所述并网逆变器的台数，P_e为单台所述并网逆变器12的额定输出有功功率，Q_s为所述配电变压器的额定无功需求量。

进一步的，所述配电变压器的额定无功需求量具体取指定比例额定负载下的无功损耗。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明利用分布式光伏电站的拓扑结构特征以及上述功率因数特性，通过在每一个分布式光伏电站接入点处设置一个无功自平衡控制装置，由无功自平衡控制装置采集计算接入点处的多个功率因数，根据各功率因数确定一个目标功率因数以确定每个光伏子系统的阻抗特性，再控制并网逆变器按照目标功率因数进行定功率因数运行，可以依据每个光伏子系统处的阻抗特性，充分利用并网逆变器本身的无功调节能力，实时补偿光伏发电系统自身的无功损耗，避免光伏子系统增加整个系统的无功负担，实现无功自平衡，且能够避免造成低压无功补偿装置误动，有效减小甚至消除光伏电站并网对用户配网的影响，降低用户电网的下行无功电量，从而有效改善关口点功率因数。

2、本发明进一步通过取接入点各个时刻的功率因数的统计值作为控制值，下发至对应的每台并网逆变器，使并网逆变器以定功率因数运行，发挥逆变器的无功调节能力，对光伏电站自身消耗的无功进行动态补偿，此时接入点处的无功功率序列的每个值能够达到均近似于零，实现光伏电站自身无功平衡。

3、本发明进一步通过在实现无功自平衡的基础上再进行微调，使得适当多输出一点无功，来补偿用户配电变压器的一部分无功损耗，尽量减小用户负荷对电网的无功需求，可以进一步改善关口的功率因数，促进功率因数合格。

4、本发明通过先控制并网逆变器按确定的定功率因数运行，充分利用逆变器本身的无功调节能力，实时补偿分布式光伏电站自身无功功率损耗，完成第一级自平衡，通过自平衡消除光伏系统自身对用户的无功需求；进一步的再进行微调，补偿用户配电变压器的一部分无功损耗，尽量减小用户对电网的无功需求，促进功率因数合格，并可根据用户配网负载情况灵活设置补偿比例，完成第二级自平衡，能够最大程度削弱甚至消除光伏电站对用户配网关口功率因数的影响，达到优化功率因数的目的，且控制效果良好，成本远低于传统的无功补偿装置。

附图说明

图1是本实施例具有无功自平衡功能的分布式光伏电站系统的结构示意图。

图2是本实施例中无功自平衡控制装置的结构示意图。

图3是本实施例中分布式光伏电站系统实现无功自平衡控制的实现流程示意图

图例说明：1、光伏发电系统；11、光伏组件；12、并网逆变器；13、光伏变压器；14、接入模块；2、用户低压配电系统；21、负荷；22、无功补偿装置；23、电流互感器；24、总进线开关；25、配电变压器；3、无功自平衡控制装置；31、采集单元；32、数据处理单元；33、发送单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例具有无功自平衡功能的分布式光伏电站系统包括光伏发电系统1，光伏发电系统1包括依次连接的光伏组件11、并网逆变器12、光伏变压器13以及接入模块14，接入模块14的输出端连接至用户低压配电系统2，还包括与光伏发电系统1连接的无功自平衡控制装置3，无功自平衡控制装置3的输入端连接至接入模块14，控制输出端连接并网逆变器12，无功自平衡控制装置3采集指定时长内接入模块14处的多个电压、电流信号并计算出对应的功率因数，根据计算出的各个功率因数确定一个目标功率因数并发送给并网逆变器12，以控制并网逆变器12按照目标功率因数运行。

对于每个分布式光伏电站接入点，由于整个光伏发电系统1的主电路拓扑结构是恒定的，因而每个光伏接入点的功率因数应当是恒定值，即分布式光伏电站投运后，在并网逆变器12全有功功率输出模式下，光伏发电系统1的电路可等效为恒功率因数特性的阻抗电路。当光伏发电系统1内有隔离变压器时，考虑到变压器阻抗的非线性，光伏发电系统1的功率因数可能有微小变化，但总体仍然是保持恒定的。如具体实施例中在一个1.5MW低压并网光伏系统进行数据观测时，光伏逆变器全有功运行，其中1个1MW单元的接入点的数据记录如表1所示，从表1可看出，接入点的功率因数就是基本维持在某个定值。

表1：接入点数据记录表。

P	Q	cosφ
			333.30	54.00	0.987
382.06	59.03	0.988
			387.40	62.45	0.987
403.12	64.29	0.988
			414.30	66.00	0.988
431.50	68.33	0.988
			449.89	70.70	0.988
479.69	75.33	0.988
			496.02	75.96	0.988
518.39	81.19	0.988
			527.37	83.16	0.988
540.72	84.77	0.988

本实施例利用分布式光伏电站的拓扑结构特征以及上述功率因数特性，通过设置一个无功自平衡控制装置3，由无功自平衡控制装置3采集计算光伏发电系统1中接入点处的多个功率因数，根据各功率因数确定一个目标功率因数，即确定每个光伏子系统的阻抗特性，再将目标功率因数发送给并网逆变器12，控制并网逆变器12按照目标功率因数进行定功率因数运行，可以依据每个光伏子系统处的阻抗特性，充分利用并网逆变器12本身的无功调节能力，实时补偿光伏发电系统1自身的无功损耗，避免光伏子系统增加整个系统的无功负担，实现无功自平衡，不消耗用户配网无功，且能够避免造成低压无功补偿装置误动，同时有效减小甚至消除光伏电站并网对用户配网的影响，降低用户电网的下行无功电量，从而有效改善关口点功率因数。

本实施例具体在每个分布式光伏电站接入点处安装一个无功自平衡控制装置3，由无功自平衡控制装置3采集该接入点处的多个电流、电压数据计算出对应的功率因数，综合多个功率因数得到一个目标功率因数，以确定得到该光伏子系统的功率因数，再通过无功自平衡控制装置3和并网逆变器12之间的通讯，将得到的目标功率因数下发给并网逆变器12执行，实时补偿光伏发电系统1自身的无功损耗，实现无功自平衡。由于系统拓扑是固定的，因而功率因数特性也是不变的，上述功率因数调节可一次性执行完成。

本实施例中接入模块14具体为光伏接入柜，无功自平衡控制装置3安装于光伏接入柜中，无功自平衡控制装置3的输入电压、电流分别取至光伏接入柜主回路的电压和电流，控制输出连接至并网逆变器12。如图1所示，光伏发电系统1中由光伏组件11发出直流电，串并联后接至并网逆变器12，并网逆变器12输出端连接至光伏变压器13，经过就地升压后连接至光伏接入柜，其中并网逆变器12初始均以全有功功率输出模式运行，光伏接入柜输出端接至用户低压配电系统2，光伏接入柜的接入点位于用户低压配电系统2中配电变压器25低压侧的总进线开关24与用于为无功补偿装置22提供电流检测数据的电流互感器23之间，光伏发电系统1通过无功自平衡控制装置3控制实现无功自平衡，不会影响用户端无功补偿装置22的正常运行。

如图2所示，本实施例中无功自平衡控制装置3具体包括用于采集电压、电流信号的采集单元31、用于计算功率因数以及综合计算出的各功率因数得到目标功率因数的数据处理单元32以及用于将目标功率因数发送给并网逆变器12的发送单元33，采集单元31、数据处理单元32以及发送单元33依次连接。

本实施例中，数据处理单元32中具体取计算出的各功率因数的统计值作为目标功率因数，作为优选实施例，具体可以取计算出的各功率因数的均值作为目标功率因数，目标功率因数也即光伏子系统的功率因数。可以理解的是，目标功率因数也可以采用一段时间内计算出的各功率因数的其他类型统计值得到。

本实施例具体由无功自平衡控制装置3根据输入参数经程序处理后，得到光伏电站运行时在接入点处对应时间序列{t_n}的无功功率数据序列{Q_n}，根据控制端得到所有并网逆变器12的对应同一时间序列的有功功率数据序列{P_n}；对于每个分布式光伏电站接入点，不论其对应的电站包含一台或者多台光伏逆变器，通过无功自平衡控制装置3对{P_n}和{Q_n}进行逻辑处理，得到功率因数序列

由于电路拓扑不变，考虑感性参数的非线性影响，其中/>

和/>

的是非常相近的，即各个时刻的功率因数值是基本恒定不变的，本实施例具体最终取/>

中的平均值/>

作为控制值，无功自平衡控制装置3再将该控制值/>

下发至对应的每台并网逆变器12，使并网逆变器12以定功率因数/>

运行，发挥逆变器的无功调节能力，对光伏电站自身消耗的无功进行动态补偿，此时接入点处的无功功率序列{Q_n}的每个值均近似于零，实现光伏电站自身无功平衡。

本实施例数据处理单元32中，综合计算出的各功率因数得到目标功率因数后，根据用户低压配电系统2中配电变压器25的无功需求量对得到的目标功率因数进行微调，以补偿配电变压器25的无功损耗，确定得到最终的目标功率因数输出。由于10kV/0.4kV配电变压器要消耗无功功率，且用户无功补偿电容器是欠补偿模式运行，即负荷21的一部分无功损耗和配电变压器25的无功损耗需要电网供电，考虑该电容器欠补偿和10kV/0.4kV主变压器的无功损耗，在实现无功自平衡的基础上，本实施例通过对由综合得到的目标功率因数进一步进行微调，适当多输出一点无功，来补偿用户配电变压器的一部分无功损耗，能够尽量减小用户负荷对电网的无功需求，促进功率因数合格。

若配电变压器25在预设比例(具体取60％)额定负载下的无功损耗为Q_s，假定并网逆变器12额定功率运行，并网逆变器12输出的无功功率刚好完全补偿光伏发电系统1的无功损耗和Q_s，此时并网逆变器12的功率因数

可通过下式确定：

其中，m为同一接入点下并网逆变器12的台数，P_e为并网逆变器12的额定输出有功功率。

本实施例数据处理单元32在综合各时刻的功率因数得到目标功率因数后，进一步根据上式(1)来确定得到最终的目标功率因数

并网逆变器12最终以该定功率因数

运行，不止可平衡光伏电站自身的无功损耗，还可平衡上级配电变压器25的一部分无功损耗，最大程度削弱甚至消除光伏电站对用户配网关口功率因数的影响。配电变压器25的无功损耗可根据用户配网的实际运行情况灵活调整。

本实施例分布式光伏电站系统无功自平衡控制方法，步骤包括：

S1.采集光伏发电系统1中接入模块14处指定时长内的多个电压、电流信号并计算出对应的功率因数；

S2.根据步骤S1计算出的多个功率因数确定一个目标功率因数并发送给并网逆变器12；

S3.控制并网逆变器12按照目标功率因数运行。

本实施例通过上述控制方法，能够充分利用逆变器本身的无功调节能力，实时补偿分布式光伏电站自身无功功率损耗，完成第一级自平衡。

本实施例步骤S1中，具体通过检测时间序列{t_n}中各时刻的电压、电流信号，获取得到时间序列{t_n}内各时刻的有功功率{P_n}和无功功率{Q_n}，最终计算得到对应各时刻的功率因数序列

本实施例步骤S2中，具体取计算出的各功率因数的统计值作为目标功率因数，具体如上所示。

本实施例步骤S3后还包括根据用户低压配电系统2中配电变压器25的无功需求量对得到的目标功率因数进行微调，以补偿配电变压器25的无功损耗，确定得到最终的目标功率因数输出，具体按照上式(1)确定得到最终的目标功率因数，其中配电变压器25的额定无功需求量具体取指定比例(具体取60％)额定负载下的无功损耗。

本实施例通过上述控制方法，先控制并网逆变器12按定功率因数运行，充分利用逆变器本身的无功调节能力，实时补偿分布式光伏电站自身无功功率损耗，完成第一级自平衡，通过自平衡消除光伏系统自身的无功需求，进一步的再进行微调，补偿用户配电变压器的一部分无功损耗，尽量减小用户对电网的无功需求，促进功率因数合格，并可根据用户配网负载情况灵活设置补偿比例，完成第二级自平衡，削弱甚至消除光伏电站对用户配网关口功率因数的影响，达到优化功率因数的目的，且控制效果良好，成本远低于传统的无功补偿装置。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种具有无功自平衡功能的分布式光伏电站系统，包括光伏发电系统(1)，所述光伏发电系统(1)包括依次连接的光伏组件(11)、并网逆变器(12)、光伏变压器(13)以及多个接入模块(14)，所述接入模块(14)的输出端连接至用户低压配电系统(2)，其特征在于：还包括在所述光伏发电系统(1)的每个接入模块(14)连接一个无功自平衡控制装置(3)，所述无功自平衡控制装置(3)采集指定时长内对应的所述接入模块(14)处的多个电压、电流信号并计算出对应的功率因数，根据计算出的各个功率因数确定一个目标功率因数并发送给对应的所述并网逆变器(12)，以控制对应的所述并网逆变器(12)按照所述目标功率因数运行，所述无功自平衡控制装置(3)通过检测时间序列{t_n}中各时刻的电压、电流信号，获取得到时间序列{t_n}内各时刻的有功功率{P_n}和无功功率{Q_n}，最终计算得到对应各时刻的功率因数序列

取计算出的各功率因数序列/>

的统计值作为所述目标功率因数。

2.根据权利要求1所述的具有无功自平衡功能的分布式光伏电站系统，其特征在于：所述无功自平衡控制装置(3)的输入端连接至所述接入模块(14)，控制输出端连接所述并网逆变器(12)。

3.根据权利要求2所述的具有无功自平衡功能的分布式光伏电站系统，其特征在于：所述无功自平衡控制装置(3)包括用于采集电压、电流信号的采集单元(31)、用于计算功率因数以及综合计算出的各功率因数得到所述目标功率因数的数据处理单元(32)以及用于将所述目标功率因数发送给所述并网逆变器(12)的发送单元(33)，所述采集单元(31)、数据处理单元(32)以及发送单元(33)依次连接。

4.根据权利要求3所述的具有无功自平衡功能的分布式光伏电站系统，其特征在于：所述数据处理单元(32)中具体取计算出的各功率因数的统计值作为所述目标功率因数。

5.根据权利要求4所述的具有无功自平衡功能的分布式光伏电站系统，其特征在于：所述数据处理单元(32)中，综合计算出的各功率因数得到所述目标功率因数后，根据所述用户低压配电系统(2)中配电变压器(25)的无功需求量对得到的所述目标功率因数进行微调，以补偿所述配电变压器(25)的无功损耗，得到最终的目标功率因数输出。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的具有无功自平衡功能的分布式光伏电站系统，其特征在于：所述接入模块(14)为光伏接入柜，所述无功自平衡控制装置(3)安装在所述光伏接入柜中。

7.根据权利要求1～5中任意一项所述的具有无功自平衡功能的分布式光伏电站系统，其特征在于：所述接入模块(14)设置于所述用户低压配电系统(2)中配电变压器(25)低压侧的总进线开关(24)与用于为所述用户低压配电系统(2)中无功补偿装置(22)提供电流检测数据的电流互感器(23)之间。

8.一种利用权利要求1～7中任意一项的分布式光伏电站系统的无功自平衡控制方法，其特征在于，步骤包括：

S1.采集光伏发电系统(1)中接入模块(14)处指定时长内的多个电压、电流信号并计算出对应的功率因数；

S2.根据步骤S1计算出的多个功率因数确定一个目标功率因数并发送给所述并网逆变器(12)；

S3.控制所述并网逆变器(12)按照所述目标功率因数运行；

所述步骤S1中，具体通过检测时间序列{t_n}中各时刻的电压、电流信号，获取得到时间序列{t_n}内各时刻的有功功率{P_n}和无功功率{Q_n}，最终计算得到对应各时刻的功率因数序列

所述步骤S2中，具体取计算出的各功率因数的统计值作为所述目标功率因数。

9.根据权利要求8所述的无功自平衡控制方法，其特征在于，所述步骤S3后还包括根据用户低压配电系统(2)中配电变压器(25)的无功需求量对得到的所述目标功率因数进行微调，以补偿所述配电变压器(25)的无功损耗，得到最终的目标功率因数输出。

10.根据权利要求9所述的无功自平衡控制方法，其特征在于，具体按照下式确定得到最终的目标功率因数：

其中，m为所述接入模块(14)下连接的所述并网逆变器(12)的台数，P_e为单台所述并网逆变器(12)的额定输出有功功率，Q_s为所述配电变压器(25)的额定无功需求量。

11.根据权利要求10所述的无功自平衡控制方法，其特征在于，所述配电变压器(25)的额定无功需求量具体取指定比例额定负载下的无功损耗。

Images