基于逆变器控制的主动配电网台区功率因数异常治理技术研究

黄 海 曹 玮 吴勉宏 朱 雷 蔡德胜

（1.国网江苏省电力有限公司南通市通州区供电分公司，江苏南通 226000；
2.南京丰道电力科技有限公司，江苏南京 210032）

光伏发电出力随太阳日照强度变化而变化，具有随机性、间歇性和波动性等特点[1]。大规模的分布式光伏发电接入后，不仅会对配电网的电压分布、谐波以及可靠性等产生影响，而且对用户来说会直接影响内部负荷潮流分布[2]。对于光伏并网接入用户侧的这种接入方式来说，用户侧计量关口功率因数会出现达不到考核标准的问题，用户会在不同程度上存在力率调整电费损失情况[3]。

现阶段基于无功补偿设备的电能治理技术研究较多，但未充分挖掘分布式光伏逆变器的无功调节能力，调节手段较单一；
基于储能变流器的功率因数治理技术现阶段投资成本较高，不适合大面积推广。综上所述，本文主要从配电网目前存在的问题出发，以主动配电网分布式光伏无功控制为基础，通过挖掘逆变器无功调节能力，提出基于逆变器控制的主动配电网台区功率因数异常治理技术拓扑，并进行了试点运行。

1.1 分布式光伏并网方式

现阶段，分布式光伏有3种并网方式，分别是：（1）完全自用；
（2）自发自用，余电上网；
（3）全部上网。“自发自用，余电上网”是一种主流接入方式，光伏发电经逆变至并网柜接入用户侧原有配电设施，当用户负荷需求大于光伏出力时，电网电量补充；
当用户负荷需求小于光伏出力时，光伏向电网反向送电。分布式光伏通过台区400 V系统并网发电，在台区用户内侧400 V母线设立并网点，并设置发电计量表，用于计费补偿，同时在用户与电网的产权分界点设置双向电能计量表，用于结算用户的上网、用网电量电费。用户按照此方式新增分布式光伏时通常考虑配套新增一定容量的无功补偿设备，用于功率因数治理。分布式光伏发电接入配电台区用户侧一次拓扑图如图1所示。

图1 分布式光伏接入台区用户侧典型拓扑图

1.2 分布式光伏并网引起的功率因数影响分析

根据水利电力部、国家物价局关于《功率因数调整电费办法》[（83）水电财字第215号]文件规定，容量在100 kVA及以上的电力用户均需进行功率因数标准考核，如未达到考核标准将计收力率调整电费，超过考核标准的按超过比例进行奖励[12]。按照上述规定，10 kV工业用户功率因数应高于0.9，如果用户功率因数低于0.9，不仅会威胁电网运行安全，而且用户需承担电网考核费用。

用户关口计量表功率因数计算公式如下：

式（1）中用网关口表在计算功率因数时只计量用户负载使用电网的有功P用网，而负载所消耗来自光伏发电的有功P光伏不参与功率因数计算；
无功是采用负荷使用电网无功和上网无功的绝对值相加。由于光伏发电的存在，企业工厂用电优先使用光伏发电的电量。当分布式光伏发电量较大，用户负载用电量较小，光伏发电不能全部被负载消纳时，光伏发电会向电网倒送有功，即产生上网电量，此时用网电量P用网很小，关口表的功率因数就会降低，则会出现功率因数不达标的情况。

光伏逆变器本身具备无功吸收和补偿能力，但台区内分布式光伏较分散，无统一的协调控制系统，造成大量无功资源浪费，本文利用光伏逆变器无功调节功能，通过数据采集器与分布式光伏协调控制设备组网，使得台区多逆变器协同参与台区功率因数异常治理。通常，分布式光伏逆变器安装点较分散，需在分布式光伏并网处新增数据采集器，用于采集逆变器无功功率实时值与当前运行状态，计算无功功率可控裕度；
同时，分布式光伏协调控制设备根据当前计量点有功功率、功率因数以及逆变器无功可控裕度、逆变器可控状态等约束条件，计算逆变器总无功需求，按照等比例裕度计算每台逆变器所需无功出力，进行光伏逆变器无功功率群控，实现对台区侧功率因数异常的治理。

2.1 硬件架构

如图2所示，在低压侧并网的分布式光伏逆变器通过数据采集器完成与分布式光伏协调控制设备的交互，分布式光伏协调控制设备直接采集台区低压侧电压电流，计算分配的无功功率指令实时发送给逆变器，完成台区低压侧无功自动补偿，从而实现功率因数异常治理。

图2 硬件架构示意图

2.2 软件架构

如图3所示，系统软件架构主要分为核心策略模块、功率分配模块、目标值算法处理模块、集群算法处理模块、信息处理模块、本地采集模块、上行数据交换模块以及下行数据交换模块。其中，上行数据交换模块负责与集控主站或监控主机数据交互，接收控制策略或人工指令；
下行数据交换模块负责无功功率遥调指令群发；
本地采集模块负责逆变器通信与电气量采集；
信息处理模块负责将采集的数据类型转换为统一格式；
目标值算法处理负责解析集控主站或监控主机下发的指令；
集群算法处理模块负责将计算的功率分配值转换为逆变器所识别的数据格式；
功率分配模块负责将总无功功率需求按等比例裕度分配给每一台逆变器；
核心策略模块负责按照控制策略与实时采集数据计算功率因数合格条件下的无功需求。

图3 系统软件架构

3.1 逆变器可控无功容量计算

分布式光伏逆变器远程无功控制后，假设台区内分布式光伏装机容量为SDC，按照《光伏发电接入配电网设计规范》（GB/T 50865—2013）规定，光伏逆变器功率因数cos φ=0.95范围内动态可调，则台区可调无功容量为：

3.2 控制流程

分布式光伏协调控制设备就地控制初始化接收集控主站或监控主机控制模式设定及参数门限定值设置，支持多种模式选择，在治理配电台区功率因数异常场景下，选择功率因数模式。其初始化与模式选择流程图如图4所示。

图4 初始化及控制模式选择流程图

在此模式下实时计算相关输入量（包括电压、无功功率或功率因数），跟进功率因数设定门限参数及逆变器无功裕度计算台区低压侧无功功率总需求，并按照等比例裕度原则分配目标值，下发至逆变器，完成闭环调节下的首次控制，多次PID控制实现稳态精度，其控制流程如图5所示。

图5 控制流程图

3.3 无功控制补偿策略

上述算法计算出台区总无功需求后，将进行第一次分配调节，为提高控制精度，完成功率因数门限定值下的闭环控制，需要制订无功功率控制补偿策略。本文提出表1所示三种无功功率控制补偿策略。

表1 无功功率控制补偿策略

（1）不补偿策略：恒功率因数模式下，无功指令就是最终计算的总的无功控制指令。

（2）PID补偿策略：渐次逼近控制策略。

第一次调节，台区无功控制指令=计算无功总需求。

第二次调节，台区无功控制指令=上一次控制指令+（计算无功总需求-并网点无功），渐次逼近计算无功总需求。

PID补偿策略适用于逆变器可快速响应的场景（响应时间毫秒级）。由于分布式光伏逆变器无功响应时间在5 s以内，可以应用；
若超出5 s，可使用线损补偿策略。

（3）线损补偿策略：台区总的无功控制指令=计算无功总需求+无功线损。

无功线损=全站无功设备总无功出力-并网点无功。其中，无功设备指台区内分布式光伏逆变器。无功线损即主变压器的无功损耗与台区内负荷无功需求。

因此，在分布式光伏接入的主动配电网台区进行功率因数异常治理时，为提高无功补偿精度，可选用线损补偿策略。

本文基于上述方案，在容量为495 kW的分布式光伏电站进行了试点验证，分布式光伏采用“自发自用，余电上网”模式，园区日平均工业负荷约为200 kW，在分布式光伏发电期间有少量电量上网，改造前功率因数平均0.836左右，不满足电网要求。在采用台区功率因数控制模式后，日功率因数平均提高至0.927。图6中cos PCC为并网点24 h功率因数曲线，cos Average为平均值0.926 5。

图6 现场运行数据

试验结果显示，基于逆变器控制的主动配电网台区功率因数异常治理技术可以很好地解决分布式光伏接入配电网台区引起的功率因数异常问题。

本文针对分布式光伏接入配电网台区引起的功率因数异常问题，设计了分布式光伏协调控制系统架构，提出利用逆变器的无功输出能力以及功率因数控制算法来解决上述问题。充分挖掘逆变器无功潜在能力，采用基于多逆变器的无功协调分配策略参与配电台区功率因数治理，并提出了一种基于无功损耗计算的无功功率控制补偿策略以提升功率因数治理时无功补偿计算精度。研究结果表明，本方案可为主动配电网台区侧提供更多的无功补偿资源，切实提升台区功率因数水平。未来可将分布式光伏协调控制设备接入调度管理系统，从全局上利用台区无功控制能力，优化线路无功功率分布，降低线损。

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