技術深度丨逆變器在夜晚還能做補償？
光伏產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊
發(fā)布日期：2021-07-15
核心提示：
技術深度丨逆變器在夜晚還能做補償？
SMA為逆變器技術領導品牌，隨著科技不斷進步，研發(fā)生產(chǎn)的逆變器會有增設各種全新功能，尤其近年為大型商用屋頂及地面電站所設計的系統(tǒng)解決方案，時常會因電網(wǎng)公司要求而需提供功率調(diào)節(jié)以及補償。透過系統(tǒng)設計方的靈活規(guī)劃，結合逆變器有功及無功補償?shù)膬?yōu)點，設計方可整合出最高效能以增加電網(wǎng)穩(wěn)定度。本文主要探討夜間無功補償技術, 也就是俗稱的Q at Night。
何為 P ? 何為Q?
逆變器規(guī)格書上都有額定功率值 Power (W) – 這也是分辨逆變器功率大小最主要指標。 此功率為交流側電壓乘以電流, 當電壓及電流最大值和最小值在完全相同的瞬間達到時, 會產(chǎn)生最大功率,也是逆變器最高功率輸出值。
圖一: 100%有功功率正弦波圖: 當電壓及電流在同一瞬間增加及減少,產(chǎn)生的功率(灰色區(qū)塊)在0 – 100% 波動,時間拉長后平均下來成為P (W) 值
光伏逆變器在成功并網(wǎng)前會偵測交流側, 當有上圖交流波型后就能并網(wǎng)發(fā)電。不過實際上偵測到的電壓及電流不會在同一瞬間增加及減少,而是會有一個時間差距 – 又稱相位偏移。這是因為現(xiàn)實生活中的電網(wǎng),從遠處發(fā)電廠傳輸電力到用戶負載的線, 會讓電流或電壓增快或減慢所致。一旦兩者有差距,電網(wǎng)公司就需增加額外能量以滿足終端需求,而這額外增加的部份就是所謂的無功功率, 也就是Q (Var) 。
圖二: 100%無功功率正弦波圖: 當電壓及電流差距達到90度差距時,平均下來的P = 0, 而Q (Var) 達到100%
圖三: 正常情況電網(wǎng)正弦波圖: 當電壓及電流稍微偏移時,大部分還是灰色有功功率P . 無功功率Q 則為黃色部份
有功功率P和無功功率Q之和是視在功率S。需注意它們不是單純相加，而是作為矢量相加：有功功率P和無功功率Q形成直角三角形的斜邊與視在功率S相對應。 有功功率和視在功率之間的角度的余弦值是相位偏移功率因子φ。
Q有甚么影響?
現(xiàn)今人們使用的各種負載, 包括計算機充電器, 吹風機, 省電燈泡, 以及帶有馬達的大型家具,包括洗衣機, 電鉆等. 都會造成相位偏移情形。而這對電網(wǎng)公司而言, 無功功率 (Q) 降低了發(fā)電機和電網(wǎng)的供電效率，并造成線路電壓損失及電能損耗等負擔，因此電網(wǎng)必需于變電站或纜線尾端設置一些成本高昂的無功補償裝置來穩(wěn)定電網(wǎng)。
這些補償裝置分為靜態(tài)或動態(tài)模式產(chǎn)生無功功率,靜態(tài)是指電網(wǎng)公司指定無功功率設定點，而無需考慮現(xiàn)場其他要求。動態(tài)補償則為依據(jù)現(xiàn)場饋線和負載數(shù)據(jù)及時調(diào)整所需無功功率。而在電力傳輸中光伏電站里的逆變器，如果有功及無功功率可被有效控制，便是電網(wǎng)公司最完美的補償首選。
根據(jù)世界各國電網(wǎng)的要求，中高電壓光伏電站逆變器需有功率因子控制，以充分利用各地電網(wǎng)的容量。德國更早在2009年便規(guī)定中電壓太陽能電站必需有此控制功能。SMA是全球第一家研發(fā)此功能至逆變器的廠商，并長期與德國電網(wǎng)公司合作。根據(jù)長期累積的經(jīng)驗，SMA逆變器可經(jīng)由以下控制方式調(diào)整功率因子提供電網(wǎng)公司達到最佳無功補償效果:
Q(V): 根據(jù)電網(wǎng)電壓調(diào)整無功功率Q(P): 根據(jù)逆變器有功輸出來調(diào)整無功功率Q(S): 根據(jù)視在功率調(diào)整無功功率PF(P): 根據(jù)功率因子調(diào)整有功功率輸出 (0超前到0滯后)PFext: 根據(jù)外部Modbus訊號調(diào)整功率因子 (SCADA系統(tǒng))Qext: 根據(jù)外部Modbus訊號調(diào)整無功功率輸出 (SCADA系統(tǒng))
逆變器在夜晚還能做補償?
逆變器平日是由光伏板提供的直流側起動, 藉由“夜間無功補償”的功能, 逆變器可保持整夜與交流側的公共電網(wǎng)連接,并僅從電網(wǎng)消耗少數(shù)有功功率為其內(nèi)部組件供電, 進而提供電網(wǎng)公司所需要的純無功功率作為補償。以下為逆變器主要工作步驟:
1. 當日照不足導致逆變器發(fā)電過低，逆變器將從平日并網(wǎng)運行切換為“夜間無功補償”運行。逆變器根據(jù)既有的靜態(tài)參數(shù)設置或動態(tài)接收電網(wǎng)公司指令供給無功功率。由于這種狀態(tài)也可能在白天出現(xiàn)，因此逆變器內(nèi)部的直流開關首先保持關閉狀態(tài)，以避免增加不必要的開關次數(shù)。
2. 如果逆變器在“夜間無功補償”下運行了一個小時，或者直流電流降至負值以下，則直流開關將打開。逆變器繼續(xù)供給無功功率。
3. 如果在直流開關打開后,電網(wǎng)側電壓與頻率超出范圍導致無功饋電中斷，則將首先對直流電路進行預充電，以減少電子部件上的壓力。此過程不超過一分鐘。
4. 一旦對直流電路進行了充分的預充電，交流接觸器就會閉合，逆變器會監(jiān)控電網(wǎng)極限。如果滿足所有饋電要求，逆變器將在一分鐘內(nèi)恢復為無功功率饋電。
5. 在逆變器提供無功功率的同時，逆變器會持續(xù)檢查是否滿足有功功率并網(wǎng)的條件。如回到白天日照充足滿足并網(wǎng)要求后，逆變器將關閉直流開關并切換到平日并網(wǎng)運行模式。
如上圖第三區(qū)塊顯示, SMA的逆變器最多可提供100%無功功率給電網(wǎng)。但在白天時如果操作提供過多無功功率, 將會導致輸出有功功率大幅減少,如上圖第二區(qū)塊顯示。在夜晚時提供此功能意味著當無功功率為100%時，也不影響白天有功功率的發(fā)電量, 減少業(yè)主收益損失。
“夜晚無功補償” 功能的成本支出大大低于電站額外安裝功率因子補償設備的成本。特別是，與動態(tài)補償設備相比可節(jié)