技术深度丨逆变器在夜晚还能做补偿？

SMA为逆变器技术领导品牌，随着科技不断进步，研发生产的逆变器会有增设各种全新功能，尤其近年为大型商用屋顶及地面电站所设计的系统解决方案，时常会因电网公司要求而需提供功率调节以及补偿。透过系统设计方的灵活规划，结合逆变器有功及无功补偿的优点，设计方可整合出最高效能以增加电网稳定度。本文主要探讨夜间无功补偿技术, 也就是俗称的Q at Night。

何为 P ? 何为Q?

逆变器规格书上都有额定功率值 Power (W) – 这也是分辨逆变器功率大小最主要指标。 此功率为交流侧电压乘以电流, 当电压及电流最大值和最小值在完全相同的瞬间达到时, 会产生最大功率,也是逆变器最高功率输出值。

图一: 100%有功功率正弦波图: 当电压及电流在同一瞬间增加及减少,产生的功率(灰色区块)在0 – 100% 波动,时间拉长后平均下来成为P (W) 值

光伏逆变器在成功并网前会侦测交流侧, 当有上图交流波型后就能并网发电。不过实际上侦测到的电压及电流不会在同一瞬间增加及减少,而是会有一个时间差距 – 又称相位偏移。这是因为现实生活中的电网,从远处发电厂传输电力到用户负载的线, 会让电流或电压增快或减慢所致。一旦两者有差距,电网公司就需增加额外能量以满足终端需求,而这额外增加的部份就是所谓的无功功率, 也就是Q (Var) 。

图二: 100%无功功率正弦波图: 当电压及电流差距达到90度差距时,平均下来的P = 0, 而Q (Var) 达到100%

图三: 正常情况电网正弦波图: 当电压及电流稍微偏移时,大部分还是灰色有功功率P . 无功功率Q 则为黄色部份

有功功率P和无功功率Q之和是视在功率S。需注意它们不是单纯相加，而是作为矢量相加：有功功率P和无功功率Q形成直角三角形的斜边与视在功率S相对应。 有功功率和视在功率之间的角度的余弦值是相位偏移功率因子φ。

Q有甚么影响?

现今人们使用的各种负载, 包括计算机充电器, 吹风机, 省电灯泡, 以及带有马达的大型家具,包括洗衣机, 电钻等. 都会造成相位偏移情形。而这对电网公司而言, 无功功率 (Q) 降低了发电机和电网的供电效率，并造成线路电压损失及电能损耗等负担，因此电网必需于变电站或缆线尾端设置一些成本高昂的无功补偿装置来稳定电网。

这些补偿装置分为静态或动态模式产生无功功率,静态是指电网公司指定无功功率设定点，而无需考虑现场其他要求。动态补偿则为依据现场馈线和负载数据及时调整所需无功功率。而在电力传输中光伏电站里的逆变器，如果有功及无功功率可被有效控制，便是电网公司最完美的补偿首选。

根据世界各国电网的要求，中高电压光伏电站逆变器需有功率因子控制，以充分利用各地电网的容量。德国更早在2009年便规定中电压太阳能电站必需有此控制功能。SMA是全球第一家研发此功能至逆变器的厂商，并长期与德国电网公司合作。根据长期累积的经验，SMA逆变器可经由以下控制方式调整功率因子提供电网公司达到最佳无功补偿效果:

Q(V): 根据电网电压调整无功功率Q(P): 根据逆变器有功输出来调整无功功率Q(S): 根据视在功率调整无功功率PF(P): 根据功率因子调整有功功率输出 (0超前到0滞后)PFext: 根据外部Modbus讯号调整功率因子 (SCADA系统)Qext: 根据外部Modbus讯号调整无功功率输出 (SCADA系统)

逆变器在夜晚还能做补偿?

逆变器平日是由光伏板提供的直流侧起动, 藉由“夜间无功补偿”的功能, 逆变器可保持整夜与交流侧的公共电网连接,并仅从电网消耗少数有功功率为其内部组件供电, 进而提供电网公司所需要的纯无功功率作为补偿。以下为逆变器主要工作步骤:

1. 当日照不足导致逆变器发电过低，逆变器将从平日并网运行切换为“夜间无功补偿”运行。逆变器根据既有的静态参数设置或动态接收电网公司指令供给无功功率。由于这种状态也可能在白天出现，因此逆变器内部的直流开关首先保持关闭状态，以避免增加不必要的开关次数。

2. 如果逆变器在“夜间无功补偿”下运行了一个小时，或者直流电流降至负值以下，则直流开关将打开。逆变器继续供给无功功率。

3. 如果在直流开关打开后,电网侧电压与频率超出范围导致无功馈电中断，则将首先对直流电路进行预充电，以减少电子部件上的压力。此过程不超过一分钟。

4. 一旦对直流电路进行了充分的预充电，交流接触器就会闭合，逆变器会监控电网极限。如果满足所有馈电要求，逆变器将在一分钟内恢复为无功功率馈电。

5. 在逆变器提供无功功率的同时，逆变器会持续检查是否满足有功功率并网的条件。如回到白天日照充足满足并网要求后，逆变器将关闭直流开关并切换到平日并网运行模式。

如上图第三区块显示, SMA的逆变器最多可提供100%无功功率给电网。但在白天时如果操作提供过多无功功率, 将会导致输出有功功率大幅减少,如上图第二区块显示。在夜晚时提供此功能意味着当无功功率为100%时，也不影响白天有功功率的发电量, 减少业主收益损失。

“夜晚无功补偿” 功能的成本支出大大低于电站额外安装功率因子补偿设备的成本。特别是，与动态补偿设备相比可节