河源供電局 何紹洋 危 樂

引言：本文介紹了光伏變電站正常運(yùn)行環(huán)境下電壓電流和無功的變化情況，分析了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的控制策略，采用數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行波形驗(yàn)證了文中涉及的系統(tǒng)控制策略的合理性，該策略已成功應(yīng)用于目前110kV光伏上網(wǎng)變電站工程中。

1.前言

近年來，電網(wǎng)建設(shè)中大力發(fā)著新能源入網(wǎng)，提高電網(wǎng)能源的清潔、綠色成分，為了解決新能源入網(wǎng)的穩(wěn)定性和功能利用率，國內(nèi)一些電網(wǎng)開展了利用SVG來提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的工程實(shí)踐，無功補(bǔ)償對(duì)于提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量有重要意義。隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)用電量日益增加，2018年全社會(huì)年用電量相比2015年增加22%，達(dá)87233億千瓦時(shí)。然而當(dāng)越來越多的用電設(shè)備接入電網(wǎng)，電網(wǎng)中的無功負(fù)載越來越多。輸電線路輸送無功功率，會(huì)影響電力系統(tǒng)中的功率分布：輸送的無功功率越多，則輸電線上的電壓降和能量損耗就會(huì)越多。同時(shí)，由于新型輸電技術(shù)和新能源技術(shù)的發(fā)展，無功補(bǔ)償設(shè)備應(yīng)對(duì)的電壓等級(jí)和容量也越來越高。傳統(tǒng)的變流器是基于晶閘管的普通換流器，晶閘管需要電網(wǎng)電壓強(qiáng)制換相，且單個(gè)開關(guān)器件承受的電壓等級(jí)有限。因此，將輸出諧波小、器件可控、對(duì)器件承受的電壓等級(jí)沒有過高要求的新型變流器應(yīng)用于電能質(zhì)量治理就很有意義了。本文提到的靜止無功發(fā)生器是采用模塊化多電平變流器，通過對(duì)載波移相方法和最近電平逼近方法的輸出諧波大小進(jìn)行了比較，并選取諧波特性較好的載波移相方法對(duì)變流器中的開關(guān)器件進(jìn)行調(diào)制，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。通過仿真與實(shí)際運(yùn)行效果驗(yàn)證了控制策略的可行性。

2.SVG的接線方式和工作原理

SVG裝置在110kV光伏變電站中的主電路采用鏈?zhǔn)侥孀兤魍負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，Y形連接，35kV裝置每相由40個(gè)功率單元串聯(lián)組成。采用雙臺(tái)GSC-35、雙母運(yùn)行，總?cè)萘繛?0MVar，下圖2-1為一次接線圖，圖2-2為SVG裝置的連接原理圖。

圖2-1 變電站SVG一次接線圖

圖2-2 SVG裝置的連接原理圖

從圖2-2看出，功率單元采用H 橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，技術(shù)可靠。GSC-35系列鏈?zhǔn)礁邏红o止無功發(fā)生器的這種模塊式級(jí)連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，極大的提高了高壓靜止無功發(fā)生器的可靠性、靈活性和可維護(hù)性。GSC-35的工作原理可以用下圖2-3所示，單相等效電路圖與電流超前和滯后工作的相量圖來說明。Us表示電網(wǎng)電壓，Ui等效SVG。SVG調(diào)節(jié)功率模組的輸出電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)電抗器上的電流，使SVG吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。如需?duì)系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行處理，可同時(shí)使SVG產(chǎn)生指定的諧波來補(bǔ)償負(fù)荷中的電流諧波，實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

圖2-3 單相等效電路圖

其詳細(xì)的工作模式及其補(bǔ)償特性如表2-1所示：

表2-1 工作模式及其補(bǔ)償特性

3.SVG在光伏電站的控制方法

3.1 定功率控制模型

以定值方式下發(fā)無功功率目標(biāo)值，CPU計(jì)算出目標(biāo)電流有效值值，F(xiàn)PGA根據(jù)有效值和相電壓相位角計(jì)算出目標(biāo)電流瞬時(shí)值。ua，ub，uc為系統(tǒng)電壓，Irms為期望無功電流有效值，如上圖所示，ua，ub，uc單相鎖相環(huán)后得到角度值(鎖相角度超前實(shí)際90度)，Irms與sin(theta)相乘，得到該相無功電流期望瞬時(shí)值。

圖3-1 定功率控制模型策略

3.2 定電圧控制模型

對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行3s/2r變換得到系統(tǒng)電壓ud，期望線電壓和ud作為PI輸入，以PI輸出為iq，令id=0，進(jìn)行2r/3s變換得到期望電流瞬時(shí)值。根據(jù)系統(tǒng)電壓變化改變輸出無功功率大小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓的目的。

ua，ub，uc為系統(tǒng)電壓，Urms為期望線電壓有效值，如上圖所示，ua，ub，uc單相鎖相環(huán)后得到角度值，對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行3s/2r變換得到ud，ud和Urms作為PI輸入，PI輸出作為期望電流iq，對(duì)iq進(jìn)行濾波后再進(jìn)行2r/3s變換得到目標(biāo)電流瞬時(shí)值。

圖3-2 定電壓控制模型策略

3.3 定功率因數(shù)控制模型

根據(jù)系統(tǒng)母線電流的有功分量和功率因數(shù)計(jì)算值計(jì)算出無功電流期望值，無功電流期望值和實(shí)際值無功電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，結(jié)果作為無功電流指令調(diào)節(jié)輸出無功功率，達(dá)到調(diào)節(jié)母線無功功率的目的，實(shí)現(xiàn)了母線功率因數(shù)的控制。

ua，ub，uc為系統(tǒng)電壓，ia，ib，ic為系統(tǒng)電流。如上圖所示，母線電流進(jìn)行3s/2r變換得到id、iq，以id×tan(theta_PF)為PI模塊輸入期望，theta_PF為期望功率因數(shù)角，以iq是PI模塊輸入實(shí)際值，PI輸出結(jié)果作為期望電流iq_ref，令id_ref=0，做2r/3s變換得到期望目標(biāo)電流。

圖3-3 定功率因數(shù)控制模型策略

在光伏變電站中，以上幾種控制策略能實(shí)現(xiàn)STATCOM既可以發(fā)出容性無功也可以發(fā)出感性無功，“吸收”自如，并且能實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間在5～20ms，不發(fā)出諧波。

4.仿真與試驗(yàn)結(jié)果

4.1 仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證SVG系統(tǒng)控制策略的正確性，在PSCAD平臺(tái)上搭建了±10Mvar的鏈?zhǔn)絊TATCOM的電磁暫態(tài)仿真模型，利用大型設(shè)計(jì)軟件pre-E進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，建立幾何模型，完成模型設(shè)計(jì)。采用電弧爐作為負(fù)載，具體的仿真模型如圖4-1所示，提供較大的諧波含量和感性無功，正常運(yùn)行狀況下，SVG未投入，通過仿真輸出的電壓、電流和功率因素狀況，通過調(diào)節(jié)輸出角，實(shí)施測(cè)試電氣量的變化，把現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際電氣特性復(fù)制到數(shù)字模型中，與實(shí)際一致的先進(jìn)仿真手段，電網(wǎng)工況模擬如下所示：

圖4-1 仿真一次模型

仿真測(cè)試0～3S，系統(tǒng)正常運(yùn)行，接入點(diǎn)35kV母線電壓偏低，功率因數(shù)約為0.94；3～6S，投入負(fù)載運(yùn)行，電壓下降明顯，功率因數(shù)降低0.82，仿真平臺(tái)測(cè)試的波形如圖4-2所示；6～9S，投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，逐步調(diào)節(jié)電弧爐的負(fù)荷大小，檢測(cè)功率因數(shù)與電流電壓變化，電壓恢復(fù)正常值，功率因數(shù)保持在0.98以上，效果良好。仿真平臺(tái)測(cè)試的波形如圖4-3所示。

圖4-2 投入負(fù)載運(yùn)行的電壓波形曲線

圖4-3 采用SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后的電壓波形曲線

4.2 光伏電場(chǎng)運(yùn)行效果

110kV光伏變電站投運(yùn)以來，發(fā)生一次電壓波動(dòng)情況，經(jīng)改善后35kV母線電壓波動(dòng)得到抑制，電壓偏差由7%降為2.3%，10kV母線波動(dòng)情況得到抑制，電壓偏差小于5%。

檢測(cè)電壓波形如圖4-4、4-5所示。

圖4-4 35kV母線電壓補(bǔ)償前

圖4-5 35kV母線電壓補(bǔ)償后

通過近幾個(gè)月的數(shù)據(jù)檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)了110kV光伏用電量情況，總功率因數(shù)一致保持在0.99以上，響應(yīng)時(shí)間控制在15mS以內(nèi)。

5.結(jié)論

本文從SVG控制原理出發(fā)，提出對(duì)應(yīng)的控制策略可根據(jù)電壓檢測(cè)值、電網(wǎng)故障狀態(tài)、站內(nèi)并聯(lián)補(bǔ)償狀態(tài)等信息優(yōu)化選取SVG運(yùn)行模式，將多種功能有機(jī)地協(xié)調(diào)起來，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行搭建實(shí)際仿真平臺(tái)，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該控制策略在電網(wǎng)運(yùn)行中的可靠性及合理性，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置目前在光伏上網(wǎng)電站中發(fā)揮重要作用，對(duì)平衡電壓和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。