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        技術深度丨逆變器在夜晚還能做補償?

        放大字體??縮小字體 光伏產業網訊 發布日期: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,研發生產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解決方案,時常會因電網公司要求而需提供功率調節以及補償。透過系統設計方的靈活規劃,結合逆變器有功及無功補償的優點,設計方可整合出最高效能以增加電網穩定度。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,產生的功率(灰色區塊)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前會偵測交流側, 當有上圖交流波型后就能并網發電。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。這是因為現實生活中的電網,從遠處發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。而這對電網公司而言, 無功功率 (Q) 降低了發電機和電網的供電效率,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定電網。
          
          這些補償裝置分為靜態或動態模式產生無功功率,靜態是指電網公司指定無功功率設定點,而無需考慮現場其他要求。動態補償則為依據現場饋線和負載數據及時調整所需無功功率。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,便是電網公司最完美的補償首選。
          
          根據世界各國電網的要求,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的容量。德國更早在2009年便規定中電壓太陽能電站必需有此控制功能。SMA是全球第一家研發此功能至逆變器的廠商,并長期與德國電網公司合作。根據長期累積的經驗,SMA逆變器可經由以下控制方式調整功率因子提供電網公司達到最佳無功補償效果:
          
          Q(V): 根據電網電壓調整無功功率Q(P): 根據逆變器有功輸出來調整無功功率Q(S): 根據視在功率調整無功功率PF(P): 根據功率因子調整有功功率輸出 (0超前到0滯后)PFext: 根據外部Modbus訊號調整功率因子 (SCADA系統)Qext: 根據外部Modbus訊號調整無功功率輸出 (SCADA系統)
          
          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連接,并僅從電網消耗少數有功功率為其內部組件供電, 進而提供電網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電過低,逆變器將從平日并網運行切換為“夜間無功補償”運行。逆變器根據既有的靜態參數設置或動態接收電網公司指令供給無功功率。由于這種狀態也可能在白天出現,因此逆變器內部的直流開關首先保持關閉狀態,以避免增加不必要的開關次數。
          
          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。逆變器繼續供給無功功率。
          
          3. 如果在直流開關打開后,電網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,逆變器會監控電網極限。如果滿足所有饋電要求,逆變器將在一分鐘內恢復為無功功率饋電。
          
          5. 在逆變器提供無功功率的同時,逆變器會持續檢查是否滿足有功功率并網的條件。如回到白天日照充足滿足并網要求后,逆變器將關閉直流開關并切換到平日并網運行模式。
          
          如上圖第三區塊顯示, SMA的逆變器最多可提供100%無功功率給電網。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電量, 減少業主收益損失。
          
          “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,與動態補償設備相比可節
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