分布式光伏并网系统的智能无功补偿装置设计与分析

一、理论基础

分布式光伏并网系统的运行机理，实际上是光伏组件这种负责将太阳能转化为直流电的装置，经逆变器能够把直流电变换为交流电的设备变换之后接入电网。而该系统的发电输出受到光照强度、温度以及天气变化这些因素的影响，致使有功功率与无功功率都呈现出波动特性，特别是无功功率的变化，会直接对电网的电压水平及功率因数产生影响。虽然逆变器本身具备一定程度的无功调节能力，然而在负载波动较为频繁或者电网扰动较大的情况下，其响应速度及调节范围却往往是不足的。至于无功补偿，其原理是借助电力电子装置或者静止无功发生器（SVG）之类的设备，实时地提供或者吸收无功功率，进而实现电压支撑及功率因数优化。要是结合智能控制算法，就能够实现补偿的自适应调节，从某种程度上有效提升光伏并网系统的稳定性以及电能质量。

二、装置设计

（一）结构方案

被设计为整体采用模块化形式的智能无功补偿装置，由那些分别承担不同职责的监测单元、具备运算与控制功能的单元、发挥功率调节作用的单元以及负责通信管理事务的单元等所共同构成，而此系统会凭借实时采集光伏并网点存在的电压、电流以及功率因数等诸多参数，通过运用具有高速性能的数据采集模块，把所采集到的信息传输至控制单元当中，以便进行相应的分析与相关决策。至于功率调节这一部分，则是以静止无功发生器即 SVG 或者改进型的 STATCOM 作为核心，还结合双向功能的变流器，进而去实现无功功率的快速注入以及吸收的目的。为了能够满足分布式光伏在多节点进行接入时所产生的需求，该装置具备着较为灵活的并联扩展方面的能力，能够在各种不同容量大小的光伏系统内快速地开展部署工作，并且凭借通信网络来达成多台装置间协同运行的状态，从而有效提高整体的补偿效率及系统的鲁棒性。

（二）关键硬件

装置其核心硬件涵盖着高精度特点的电压及电流的传感器，还有能够执行实时信号处理且负责控制指令生成、在保障系统在毫秒级时间内实现无功补偿决策方面至关重要的高速数字信号处理器（DSP）或者现场可编程门阵列（FPGA），亦包括作为功率开关器件且将控制信号转化为实际无功功率注入动作、同时具备过流与过压及过温保护功能从而提升系统运行安全性和稳定性的大功率 IGBT 模块。其中，高精度和低延时采集电气参数进而为控制算法给予可靠数据支撑这个任务是由传感器来负责的，而被配备的工业级通信接口诸如 RS485 、CAN 以及以太网等，目的是达成与光伏逆变器及调度中心还有其他补偿装置的高速数据交互。

（三）控制策略

采用基于瞬时无功功率理论检测方法的控制策略，以对系统的有功与无功分量实现快速分离。借助模糊自适应 PI 控制或者基于模型预测控制（MPC）算法，对变流器的调制信号予以实时调整，进而完成无功功率的快速响应及高精度补偿。而为应对光伏系统输出的快速波动状况，控制策略把预测与前馈补偿机制予以引入，依据光照的变化趋势，提前对无功补偿量展开调整，从而避免电压发生突变及功率因数超出限定范围。系统本身还具备多目标优化功能，在对功率因数实施保障的同时，还兼顾电压稳定及谐波抑制。通过在线学习及参数自整定，控制策略能够依据不一样的光伏接入环境，自动对控制参数作出优化，由此显著提升补偿效果及系统长期运行的稳定性。

三、性能分析

（一）动态响应分析

为了能够验证在实际运行过程中的装置其具备的快速响应能力究竟如何，本文首先采取的方式是在MATLAB/Simulink 这样一个平台之上建立起一种分布式光伏并网系统连同智能无功补偿装置二者相联合的仿真模型。而该仿真的条件则设定成光伏输出功率会随着光照强度以随机波动的状态呈现，并且还要叠加不同幅值与频率的负载扰动。从所得到的结果可以看出，当出现光伏系统有功功率突然下降 10% 时，该装置能够在 25ms 的时间范围内完成对于无功补偿量所进行的动态调整操作，从而让母线电压可以恢复到额定值的± 1% 这一范围以内。相较于传统的固定参数PI 控制模式而言，本文所提出的这种智能补偿装置其响应时间被缩短了大约 35% ，而且电压波动幅度也降低了将近 40‰ 。在接下来所开展的实验台架测试过程中，系统在面临负载突然增加与突然卸除的情况下同样能够表现出具有毫秒级响应特性，这就证明了它对于分布式光伏高波动性的运行场景来说是适用的。

（二）补偿精度评估

补偿精度，作为用以衡量无功补偿装置性能的核心指标，经仿真结果统计可知由本文精心设计的装置在稳态运行时能够把系统功率因数始终维持在 0.98 以上并且将其波动范围有效控制在 以内。在负载呈现快速变化的特定条件下，功率因数的恢复时间被限制在不超过 50ms 。实验测试又进一步对这一结果进行了验证：在典型住宅光伏并网这样一种复杂环境中，无论白天出现光照剧烈波动这种状况还是夜间面临负荷突变的情形，该装置均能够把功率因数稳定地控制在设定目标范围内，同时有效地抑制无功功率所出现的过补偿与欠补偿现象。相较于未进行补偿的初始状态，系统无功功率波动幅度大概下降了 60% ，从而对电网的电能质量起到了显著的改善作用。

（三）系统稳定性验证

系统稳定性分析所涵盖的长时间连续运行及在电网扰动情形下展开的鲁棒性测试，像在历经连续72 小时的实验运行期间，在环境温度呈现出于- .10^∘C 至 40^∘C 这个范围进行变化的条件时，装置一直保持稳定工作的状态，诸如过流、过压及控制失效此类情况从未出现过。而当为了去考察在电网扰动状态下究竟有着怎样的表现，于是便将电压跌落（ 10%～20% ）和短时电压冲击这两类典型的扰动引入到实验当中。测试后的结果显示出，装置在扰动现象发生后皆能够在 30ms 这样短暂的时间范围内就恢复到正常的补偿状态，并且对母线电压出现的二次波动还能够起到有效抑制的作用。此外还有多台补偿装置开展的并联运行实验也表明，它们之间的通信及协同控制机制能够始终维持稳定的情形，不会引发像是系统振荡或者控制冲突等问题。这一切表明该装置不但在单机运行的状况下呈现出优越的表现，而且在大规模光伏实现接入的多机协同运行场景中同样具备良好的稳定性及可扩展性。

结论：

本文设计的智能无功补偿装置在结构上具备模块化与可扩展性，硬件选型兼顾高精度与高可靠性，控制策略融合预测与自适应算法，实现了毫秒级响应和高精度补偿。仿真与实验结果均表明，该装置能显著提升分布式光伏并网系统的电能质量与运行稳定性，具备广阔的工程应用前景。未来研究将聚焦于控制算法的进一步优化、多台协同运行策略的完善，以及在更大规模光伏接入场景下的长周期稳定性验证，以推动其在智能电网中的规模化推广。

参考文献：

[1]阮启洋.基于分布式光伏并网控制的配网三相不平衡治理研究[D].华南理工大学,2022.DOI:10.27151/d.cnki.ghnlu.2022.000207.

[2]童铸,欧仲曦,刘超,等.遗传算法优化粒子群的分布式光伏并网控制方法研究[J].自动化仪表,2023,44(10):39-43.