（广州固源电力工程设计有限公司）
摘要：本文介绍了某光伏电站功率因数的优化控制策略，详细介绍了该光伏电站工程现状、STATCOM原理，重点分析了功率因数不满足电力系统考核指标的原因，并提出了相应的优化控制策略。
关键词：光伏电站；STATCOM；功率因数；恒无功功率控制
引言
随着电力系统的不断发展，光伏电站功率因数问题越来越受到重视，功率无功功率与电力系统经济运行、电力系统电压稳定、电力系统电压质量等有着重要关联。光伏电站功率因数不满足要求，容易导致电力系统电压迅速崩溃、失稳，因而确保光伏电站功率因数满足要求十分必要。
在集中式光伏电站中，静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，简称STATCOM）获得了广泛的应用，STATCOM相当于一个可控的无功电源，其无功电流可以快速地跟随光伏电站无功电流的变化而变化，自动补偿光伏电站所需无功功率，并最终使光伏电站功率因数满足电力系统考核要求。
1 工程简介
光伏发电是根据光生伏特效应，利用光伏电池将太阳光的光能直接转化为直流电能，光伏发电系统是根据这一基本原理构成的完整的发电系统。光伏发电系统主要由光伏组件、逆变器、交直流配电系统、监控系统等几部分组成，该系统主要由电子元器件构成。
本工程新建一座110kV升压站，升压站规模按100MWp建设，设计装机容量为100MWp，光伏组件先经直流汇流箱汇流，汇流后接入逆变器直流侧，经逆变器逆变后接入升压变压器的低压侧。各升压变压器高压侧经集电线路汇流后以六回35kV集电线路接至110kV升压站35kV配电室，并通过升压站 110kV线路接入110kV电网。
本项目一次性建成，该站主接线示意图如图1所示，该变电站采用线变组接线方式，主变高低压侧电压分别为110kV及35kV，主变容量为100MVA，STATCOM容量为±20MVAR；35kV母线还包含一个站用接地变、一个PT及六个集电线路等开关间隔。STATCOM无功补偿装置由厂家成套供应，采用35kV降压式，包括降压变压器、启动电阻、隔离开关、功率柜、控制柜等设备。
图1 主接线示意图
本工程采用综合自动化系统，实现全站的保护、测量、控制、远动等功能。计算机监控系统采用分层分布式网络结构，按无人值班设计；计算机监控系统实现对变电站内所有设备的实时监视和控制，远动数据传输设备冗余配置，计算机监控主站及远动数据传输设备信息资源共享，不重复采集；测控装置采用交流采样技术采集电气模拟量信号，保护动作及装置报警等重要信号采用硬接点方式输入测控单元；计算机监控系统具备微机防误闭锁功能，能完成全站防误操作闭锁；光伏发电系统的间隔层设备布置在就地逆变器控制柜和箱变内，通过光缆与升压站的光伏区监控系统的站控层通讯。根据本项目并网协议要求，光伏电站平均功率因数应大于0.9（容性）。
２ STATCOM原理介绍
STATCOM（Static Synchronous Compensator），亦称静止同步补偿器，是当今无功补偿领域最新技术的代表。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆应用于光伏电站时，STATCOM相当于一个可控的无功电源，可以快速地跟随考核点电流、电压的变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿。
STATCOM利用可关断大功率电力电子器件（如IGBT、GTO等）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，最终实现动态无功补偿。
根据《光伏发电站设计规范（GB50797-2012）》要求，光伏发电站的无功补偿装置应按电力系统无功补偿就地平衡和便于调整电压的原则配置，无功补偿装置设备的形式选择宜选用成套设备；接入110kV及以上电压等级公用电网的光伏发电站，其配置的容性无功容量应能够补偿光伏电站满发时站内汇集线路、主变压器的全部感性无功及光伏发电站送出线路的一半感性无功之和，其配置的感性无功容量能够补偿光伏发电站站内全部充电无功功率及光伏发电站送出线路的全部充电无功功率之和。
3 功率因数问题分析
白天光照正常时，本项目考核点平均功率因数大于0.9，满足电网考核要求；但是，当夜晚时，本项目考核点平均功率因数小于0.5，不满足电网考核要求。
针对夜间功率因数不满足电网考核要求的问题，首先排除了STATCOM参考电流电压信号错误、考核电表问题。结合设计院图纸、现场实际接线，现场严格按照STATCOM厂家资料要求接入110kV线路电压、35kV母线电压、主变110kV侧电流、主变35kV侧电流，不存在错误。
在某一个时间段内，供电局电费结算复核单显示，该段时间夜间正向有功电量110，774kWh、夜间正向无功电量1，399，688kVARh，正向即光伏电站向电网购电；在同时段内，光伏电站运维人员抄表显示，该段时间夜间正向有功电量109，560 kWh、夜间正向无功电量1，390，620kVARh，正向即光伏电站向电网购电。双方数据基本吻合，可以排除电表误差的问题。
继续分析发现，夜间关口点电流仅为3A左右，此时光伏阵列不发电，光伏电站由电源转换为负荷，站用电负荷也非常小。
本工程考核点电流互感器变比为800/1A、准确级为0.5S；根据《电流互感器（GB1208-2006）》13.2款要求，当工作电流在25%~100%之间任一值时，其额定频率下的电流幅值误差不大于0.5%、电流相位误差不大于30’。本光伏电站夜间考核点工作电流仅3A，电流互感器工作在0.375%额定电流区域，属于非正常工作区，无法精确反映工作电流相位和幅值。因此，夜间STATCOM无法准确采集考核点电流情况，进而无法及时响应电网无功补偿需求，甚至可能出现反向补偿的问题。
因此，夜间功率因数不满足电网考核要求的根本原因：夜间时，光伏电站由电源变成负荷，考核点电流非常小且超出了考核点电流互感器正常工作范围，STATCOM无法准确获取考核点电流幅值和相位，导致STATCOM不能按照电网实际需求补偿无功功率。
4 功率因数优化控制
STATCOM通常包含恒电压控制、恒功率因数控制、恒无功输出控制等三种控制模式：
恒电压控制：设定目标电压Ur，通过闭环控制，使考核点电压按照目标电压运行。
恒功率因数控制：设定目标功率因数Cosψr，通过闭环控制，使考核点功率因数按照目标功率因数运行。
恒无功输出控制：设定目标无功功率，STATCOM将始终给电网输入一定的恒无功功率。
当前，本工程STATCOM设置为恒功率因数控制模式，白天正常发电时，该模式是合适的；但是夜间，由于考核点电流无法精确获取，恒功率因数模式已不再适用，应改用恒无功输出控制模式。
经反复试验，STATCOM可以找到一个合适的恒无功功率值，本项目最终设置为恒1Mvar无功功率输出，当光伏电站由于光照原因由电源变为负荷时，功率因数同样可以满足电网考核要求。
5 总结
针对某光伏电站夜间功率因数不满足电网考核要求的问题，本文分析发现考核点电流互感器无法准确获取电流幅值、相位，导致恒功率因数控制模式不适用于夜间运行；本文还提出了白天恒功率因数控制、夜间恒无功输出控制的优化控制策略。该优化控制策略已经通过了评审、验收，运行情况良好，达到了预期效果，说明本文提出的技术方案是可行的。
论文作者:邱培春
论文发表刊物:《河南电力》2018年21期
论文发表时间:2019/5/21
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