学术︱基于分层控制策略的光伏-蓄电池系统动态提高并网点功率因数研究
中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”，并设“智能制造与电工装备行业的转型升级”“智能开关设备的关键技术与最新发展”两个分论坛。
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天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的研究人员肖朝霞、樊世军、杨庆新，在2016年第7期《电工技术学报》上撰文，提出了一种利用多功能光伏-蓄电池组合发电系统提高并网点功率因数的新方案，可降低光伏发电的成本、减少无功补偿设备的投资、增加用户经济效益且提高电网供电能力。
在综合考虑并网逆变器的额定容量、光照条件及负荷功率瞬时变化等实际情况下，分析系统多种运行模式，提出一种分层控制控制策略，实现了运行状态的无缝转换，保证在逆变器额定容量下输出有功的同时提供无功补偿以动态提高并网点功率因数。
当电网需求逆变器输出无功较多导致有功输出受限而光伏仍有更多有功输出时，将光伏剩余出力储存至蓄电池以尽可能减少弃光，提高光伏利用率。在低光照或夜间时，蓄电池放电维持直流母线电压，使逆变器可继续发出无功功率，同时实现光伏软关闭。建立了多功能光伏-蓄电池发电仿真系统，仿真结果验证了所提方案的可靠性。
多功能光伏-蓄电池系统是指光伏发电系统正常发电的同时根据不同运行工况下电网和用户的需求提供UPS、削峰填谷、谐波抑制、无功补偿、电网电压及频率支持等功能[1,2]。多功能光伏-蓄电池发电系统的提出可有效减少光伏发电成本的同时提高了对电网友好性和安全性，即实现逆变器功能多元化、智能化[3]。
在我国当前电费考核体系下，大功率光伏电站并网可能会导致并网点功率因数降低而收到不菲罚单，根据入网要求通常需要额外增加无功补偿设备[4]。同时大功率光伏发电入网功率常常因引起并网点电压升高而限电，从而导致部分弃光[5,6]，并且考虑到光伏并网逆变器本身具备发无功功率的能力且大部分时间都处于未完全利用状态，因此可充分利用并网逆变器的剩余容量，在正常发出有功的同时根据电网需求发出无功功率。
同时逆变器响应迅速，可实现无功功率的动态补偿。该措施可有效提高并网点功率因数，实现经济功率因数运行，减少电网无功设备的投资，提高电网末端供电能力。在大型光伏、风光互补电站中可使一台或几台逆变器具有无功补偿功能，可以像常规发电厂实现并网点功率因数动态调节。
利用光伏并网逆变器实现无功补偿功能根据不同控制目标可分为对并网点电压控制和功率因数控制。文献[1]提出了一种多功能光伏发电系统，通过利用光伏逆变器提供多种功能来减少光伏发电成本，其一种功能是通过控制无功功率来增加光伏渗透率。
文献[2]提出了一种利用恒功率因数控制器调节光伏逆变器输出的无功功率以保证并网点的平均功率因数满足要求。文献[3]实现了微网逆变器功能多元化，主要实现了功率的双向流动、谐波电流抑制、无功补偿并使并网点为单位功率因数供电。
文献[5]为提高分布式发电渗透率和有效抑制因光照变化和负荷变化等因素导致的并网点电压频繁波动，采用两台不同功能逆变器并联并结合无功补偿装置实现不同运行模式的切换，发挥逆变器动态无功补偿的特性同时大大提高了无功补偿容量。
文献[7]考虑到低压配电网X/R值较小，提出一种P-Q-V下垂控制策略实现光伏逆变器对并网点电压的调节。文献[8]提出了利用多功能光伏逆变器实现为负荷供电同时向电网注入无功功率实现低电压穿越。
文献[9,10]考虑了逆变器的额定容量，当逆变器视在功率大于额定容量时采用降低有功增发无功的办法来保证并网点电压在正常范围内。上述基于光伏逆变器实现无功就地补偿研究大多针对并网点电压调节，对于一般工业用户入网点电压由电力系统决定且低压配电网X/R较小利用逆变器无功补偿调节电压能力是非常有限的。
文献[11]指出工业负荷及风光互补微网功率的注入会导致并网点功率因数降低同时风力发电机会吸收大量无功，因此提出了利用光伏逆变器输出无功功率实现并网点功率因数调节。但没有充分考虑到光伏逆变器的容量及防止逆变器输出功率越限。
文献[12,13]针对47节点、123节点及101节微网，分别考虑微网中光伏功率注入节点变化及注入有功实时变化提出了在逆变器容量内的一种动态无功控制策略。文献[14,15]通过检测负荷无功及谐波电流情况，提出利用光伏逆变器实现无功补偿及有源电力滤波的功能，但文中亦没有考虑逆变器容量的限制，当检测的无功电流及谐波较大时可能会影响有功输出，无法实现无功定量控制且补偿范围有限。
本文从光伏-蓄电池发电系统运行经济性角度同时考虑并网逆变器的额定容量、光照变化及负荷运行等实际情况，提出一种分层、多模式切换控制策略实现并网点功率因数的动态提高满足电网要求同时最大化光伏输出功率。当逆变器有功输出受限时采取将光伏剩余发电量尽可能存储至蓄电池以减少弃光。低光照时由蓄电池维持直流电压使系统无故障状态下24小时不间断运行，同时实现光伏电池软关闭，避免了并网系统因昼夜交替频繁开启关断。
本文第二部介绍了光伏-蓄电池并网发电系统及其控制器的结构；第三部分分析了系统可能的运行模式和每种模式下逆变器应该输出的有功无功功率参考值的计算方法及蓄电池的运行状态；第四部分介绍了逆变器最大功率跟踪控制器、恒功率控制器及蓄电池充放电控制器的结构；第五部分给出了系统参数和仿真分析；最后一部分对本文做了总结。
图1 系统总体结构图
结论
从光伏-蓄电池发电系统的运行及用户经济用电的角度，根据负荷运行情况、光照条件及并网逆变器的额定容量，分析了系统的多种运行状态，提出一种分层控制策略。该方案实现了系统不同运行模式和底层控制器无缝切换，保证了逆变器在额定容量下输出有功的同时提供无功补偿，动态提高并网点的功率因数，实现了经济功率因数运行。
该方案一方面减少了光伏电站的运行成本和不必要的设备投资，同时减少用户低功率因数调整电费，增加用户经济效益；另一方面实现与电网友好交互，减少电网损耗，增强电网末端供电能力。当逆变器有功输出受额定容量限制光伏仍有更多有功输出时，采用光伏输出剩余有功功率尽可能存储至蓄电池以减少弃光，提高光伏利用效率。
低光照或夜间，利用蓄电池系统为并网逆变器供电，并网逆变器仍可发出电网需求的无功，保证并网点功率因数。实现了并网逆变器的不间断运行，减少系统启停频率并实现光伏电池的软关闭。
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