安居

（華電漳州能源有限公司，福建 漳州 363000）

光伏電站與電網(wǎng)連接時(shí)，如果接入容量過大將導(dǎo)致并網(wǎng)電壓超過限定范圍。此外，光照、溫度等外部環(huán)境會影響并網(wǎng)點(diǎn)有功功率輸出，造成功率輸出波動，而通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功輸出可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓的效果。如果電網(wǎng)運(yùn)行出現(xiàn)問題，并網(wǎng)點(diǎn)電壓基礎(chǔ)下降，則光伏電站需要具有適當(dāng)?shù)臒o功輸出才能為電力系統(tǒng)提供相應(yīng)的電壓支持。光伏逆變器雖然也有一定的無功功率調(diào)節(jié)能力，但因其設(shè)置和控制復(fù)雜，響應(yīng)時(shí)間慢和難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的缺點(diǎn)。因此，大型并網(wǎng)光伏電站，如詔安橋東光伏電站必須裝配相應(yīng)的無功補(bǔ)償設(shè)備。現(xiàn)階段，SVG動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在國內(nèi)外電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，因此，文本闡述了SVG原理、特點(diǎn)、系統(tǒng)組成，控制策略，并以詔安橋東光伏電站為例探討SVG無功補(bǔ)償裝置在光伏電站中的應(yīng)用。

1 SVG工作原理概述

SVG主要包括檢測、控制運(yùn)算、補(bǔ)償輸出3大基本模塊，其基本原理是檢測系統(tǒng)電流信息，并通過控制模塊分析檢測到的電流信息，再由控制器發(fā)出補(bǔ)償信號，最終通過逆變回路輸出用于補(bǔ)償?shù)碾娏?。SVG可以動態(tài)收發(fā)無功功率，其等效電路如圖1所示。

圖1中所示的功率模塊包含多個(gè)絕緣柵雙極型晶體管元件，這些晶體管和電容器連接組合成自換相橋式電路，并經(jīng)由電抗器與電網(wǎng)連接。電抗器的主要作用是抑制紋波電流產(chǎn)生的高次諧波，實(shí)現(xiàn)SVG無功功率的平滑調(diào)整，避免產(chǎn)生沖擊電流，引發(fā)故障。多個(gè)自換相橋式電路串聯(lián)構(gòu)成多電平結(jié)構(gòu)，通過合理控制導(dǎo)通角形成與正弦波相近的階梯波。調(diào)節(jié)自換相橋式電路中的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）開關(guān)，可控制直流變交流過程中的電壓幅值以及相位。改變SVG交流側(cè)輸出電壓幅值及相位可以調(diào)節(jié)電抗上的電壓，控制SVG吸收無功功率大小，實(shí)現(xiàn)無功平衡，使系統(tǒng)始終保持高功率因數(shù)。

圖1 SVG無功補(bǔ)償?shù)刃щ娐?/p>

2 SVG特點(diǎn)

相較于其他無功補(bǔ)償裝置，SVG特點(diǎn)以及用于光伏電站的優(yōu)勢如下：

2.1 補(bǔ)償能力強(qiáng)

光伏電站通常使用電纜連接線路，而電纜本質(zhì)上是一種電容器，因此，在這使得光伏電站在停止發(fā)電的情況下，光伏電站需要感性無功補(bǔ)償；在光伏滿載發(fā)電的情況下，光伏電站需要容性無功補(bǔ)償。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，大中型光伏電站功率因數(shù)應(yīng)該在超前0.98～滯后0.98范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)節(jié)。SVG可以做到平滑雙向快速調(diào)節(jié)感性、容性無功，在選擇適合型號的前提下，光伏電站功率因數(shù)在任何時(shí)刻都接近1.0。

2.2 諧波特性好

諧波問題是非線性負(fù)荷用電特性的問題，是非線性負(fù)荷的固有特性。只要電力系統(tǒng)中存在這種負(fù)荷就一定會出現(xiàn)諧波。逆變器是具有代表性的非線性負(fù)荷，是光伏電站的關(guān)鍵組成器件，因而常常形成較大諧波。而SVG中應(yīng)用的橋式電路脈寬調(diào)制技術(shù)能夠有效抑制和消除低次諧波（低于主頻率的諧波），將諧波電力的產(chǎn)生次數(shù)降低到可接受范圍。這樣一來，光伏電站應(yīng)用SVG后就無需再另外裝配消諧設(shè)備。

2.3 響應(yīng)速度快

SVG是所有無功補(bǔ)償設(shè)備中響應(yīng)速度最快的。例如，自動投切裝置的相應(yīng)時(shí)間為幾秒鐘，SVC的響應(yīng)時(shí)間為20～100ms，而SVG的響應(yīng)時(shí)間普遍低于10ms，有的甚至的可以控制在5ms之內(nèi)。

2.4 運(yùn)行可靠，安全性高

SVG對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，其無功補(bǔ)償能力不會因?yàn)殡妷航档偷挠绊懚鴾p弱，而且SVG還具有很強(qiáng)的短時(shí)間電流過載能力（超額定電流1/4）。而因?yàn)镾VG的諧波特性，在無需額外增加濾波支路的情況下可以治理諧波，濾除諧波電流。同時(shí)SVG的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT ）屬于可斷開元器件，從根本上避免了諧振現(xiàn)象。此外，大部分SVG 無功補(bǔ)償裝置，即使某個(gè)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT ）功率模塊不能正常工作，也不會影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，SVG的上述特點(diǎn)和措施決定了SVG運(yùn)行的可靠性和良好的安全性。

3 SVG系統(tǒng)構(gòu)成

SVG無功補(bǔ)償裝置主要包括功率模塊、啟動模塊、控制模塊等模塊。按照接線類型，SVG可以分成直掛式、降壓式兩種。降壓式接線方式無需使用電抗器，該接線方式更加可靠，但是單套設(shè)備的容量較小，適合用于無功功率12 Mvar以下的系統(tǒng)。詔安橋東光伏電站使用的是南京國電南自新能源科技有限公司生產(chǎn)的ASG 100L-222C型降壓式SVG無功補(bǔ)償裝置。而直掛接線方式的單套無功補(bǔ)償設(shè)備的容量較大，但接線技術(shù)尚未完全成熟，價(jià)格也較高。作為SVG中控制無功輸出容量關(guān)鍵模塊，控制模塊具有報(bào)送故障、保護(hù)、采集處理數(shù)據(jù)、提供電源等多種功能。SVG的邏輯原理及接線方式如圖2所示。控制模塊獲取系統(tǒng)的電流、電壓信號并進(jìn)行分析計(jì)算后形成出發(fā)IGBT模塊的信號。上圖中的SVG控制合閘閉鎖原理是：隔離開關(guān)合閘，控制模塊接收常開點(diǎn)信號，啟動SVG無功補(bǔ)償裝置，裝置運(yùn)行后通過控制模塊發(fā)送信號合上進(jìn)線開關(guān)柜斷路器。一旦裝置運(yùn)行出現(xiàn)問題，控制模塊可以自斷開進(jìn)線開關(guān)柜斷路器，將故障點(diǎn)快速隔離。

圖2 SVG邏輯原理及接線示意圖

4 SVG控制策略

SVG控制策略是其無功補(bǔ)償性能的關(guān)鍵，其主要包含檢測補(bǔ)償電流、控制輸出電流、PWM調(diào)制三個(gè)部分。檢測補(bǔ)償電流常用的方法有瞬時(shí)無功功率法、傅里葉和FFT算法、同步檢測法等?？刂戚敵鲭娏魇菍z測得到的輸出電流值和實(shí)現(xiàn)確定的參考值進(jìn)行對比處理，從而獲得控制信號，以便實(shí)時(shí)跟蹤電流信號；PWM調(diào)制是依據(jù)輸出的控制信號產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而控制功率元器件的運(yùn)行。詔安橋東光伏電站配置的SVG采用電壓空間矢量控制策略，通過電壓電流雙閉環(huán)控制措施控制系統(tǒng)整流電路。在電壓PI的調(diào)控中，經(jīng)過PI調(diào)解電壓相位差后，獲得需要補(bǔ)償?shù)碾妷盒盘?，信號?jīng)過脈寬調(diào)制后通過控制器形成PWM調(diào)制波，從而控制主電路絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的連通和斷開。

在電流的PI調(diào)控中，先采集無功電流信號，將計(jì)算獲得的無功電流和設(shè)定值進(jìn)行對比分析，使系統(tǒng)始終不消耗無功電流。這樣一來，經(jīng)過補(bǔ)償之后的系統(tǒng)只有固定的有功功率，從而提高功率利用率。該SVG控制策略如圖3所示。

圖3 SVG控制策略示意圖

5 SVG在詔安橋東光伏電站的應(yīng)用

詔安橋東光伏電站本期規(guī)劃裝機(jī)量10MW。采用280W單晶硅電池組件、270W、275W多晶硅電池組件，全固定式安裝方式。考慮到系統(tǒng)維護(hù)的便利性，將10MW并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分為10個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)容量約為1.0MW?？紤]到運(yùn)行成本，分別將5個(gè)光伏子系統(tǒng)T接形成1回集電線路，光伏場區(qū)共采用2回集電線路，接至場內(nèi)新建10kV開關(guān)站。然后以1回10kV出線接入110kV橋東變新擴(kuò)建的1個(gè)10kV間隔。新建線路單回長度約6.2km，導(dǎo)線截面選用300mm2絕緣鋼芯鋁鉸線。

光伏電站應(yīng)用SVG無功補(bǔ)償裝置不光要考慮電站自身無功消耗，還需要參與電網(wǎng)調(diào)壓，為系統(tǒng)提供無功功率支撐。因此，必須在配置無功補(bǔ)償容量是應(yīng)該考慮一定裕度，按照光伏裝機(jī)容量的25%配置升壓站無功補(bǔ)償容量，即在光伏升壓站10kV母線上裝配一組2.5MVar的SVG動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，要求響應(yīng)時(shí)間小于10ms。SVG經(jīng)過兩個(gè)工頻周期后可以恢復(fù)正常工作狀態(tài)，此時(shí)輸出電流達(dá)到補(bǔ)償電流指令值。SVG無功補(bǔ)償裝置在感性無功狀態(tài)下輸出電壓、電流波形，這時(shí)輸出電流滯后于電壓90°，SVG無功補(bǔ)償裝置從感性無功工作狀態(tài)切換到容性無功工作狀態(tài)需要一個(gè)工頻周期，表現(xiàn)出良好的動態(tài)響應(yīng)性能。需要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況設(shè)定電壓范圍，如10.5～11.2kV，低于下、上限值，SVG設(shè)備開始調(diào)節(jié)，且保持在合理范圍。

6 結(jié)語

綜上所述，深入研究SVG工作原理，特點(diǎn)，系統(tǒng)構(gòu)成及控制策略，以詔安橋東光伏電站10 MWp大型光伏電站為例，探討了SVG在光伏電站中的應(yīng)用，其中提到的無功補(bǔ)償控制策略和配置原則適用于類似光伏系統(tǒng)，對類似光伏電站工程設(shè)計(jì)具有一定的技術(shù)指導(dǎo)作用。