SVG在詔安橋東10MWp光伏電站無功補償中的應用

安居

（華電漳州能源有限公司，福建 漳州 363000）

光伏電站與電網連接時，如果接入容量過大將導致并網電壓超過限定范圍。此外，光照、溫度等外部環境會影響并網點有功功率輸出，造成功率輸出波動，而通過調節系統的無功輸出可以實現穩定并網點電壓的效果。如果電網運行出現問題，并網點電壓基礎下降，則光伏電站需要具有適當的無功輸出才能為電力系統提供相應的電壓支持。光伏逆變器雖然也有一定的無功功率調節能力，但因其設置和控制復雜，響應時間慢和難以實現遠程控制的缺點。因此，大型并網光伏電站，如詔安橋東光伏電站必須裝配相應的無功補償設備。現階段，SVG動態無功補償裝置在國內外電力系統中應用最為廣泛，因此，文本闡述了SVG原理、特點、系統組成，控制策略，并以詔安橋東光伏電站為例探討SVG無功補償裝置在光伏電站中的應用。

1 SVG工作原理概述

SVG主要包括檢測、控制運算、補償輸出3大基本模塊，其基本原理是檢測系統電流信息，并通過控制模塊分析檢測到的電流信息，再由控制器發出補償信號，最終通過逆變回路輸出用于補償的電流。SVG可以動態收發無功功率，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，并經由電抗器與電網連接。電抗器的主要作用是抑制紋波電流產生的高次諧波，實現SVG無功功率的平滑調整，避免產生沖擊電流，引發故障。多個自換相橋式電路串聯構成多電平結構，通過合理控制導通角形成與正弦波相近的階梯波。調節自換相橋式電路中的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）開關，可控制直流變交流過程中的電壓幅值以及相位。改變SVG交流側輸出電壓幅值及相位可以調節電抗上的電壓，控制SVG吸收無功功率大小，實現無功平衡，使系統始終保持高功率因數。

圖1 SVG無功補償等效電路

2 SVG特點

相較于其他無功補償裝置，SVG特點以及用于光伏電站的優勢如下：

2.1 補償能力強

光伏電站通常使用電纜連接線路，而電纜本質上是一種電容器，因此，在這使得光伏電站在停止發電的情況下，光伏電站需要感性無功補償；在光伏滿載發電的情況下，光伏電站需要容性無功補償。按照國家標準，大中型光伏電站功率因數應該在超前0.98～滯后0.98范圍內連續可調節。SVG可以做到平滑雙向快速調節感性、容性無功，在選擇適合型號的前提下，光伏電站功率因數在任何時刻都接近1.0。

2.2 諧波特性好

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

2.3 響應速度快

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

2.4 運行可靠，安全性高

SVG對系統參數變化不敏感，其無功補償能力不會因為電壓降低的影響而減弱，而且SVG還具有很強的短時間電流過載能力（超額定電流1/4）。而因為SVG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象。此外，大部分SVG 無功補償裝置，即使某個絕緣柵雙極型晶體管（IGBT ）功率模塊不能正常工作，也不會影響到整個系統的運行，SVG的上述特點和措施決定了SVG運行的可靠性和良好的安全性。

3 SVG系統構成

SVG無功補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，但是單套設備的容量較小，適合用于無功功率12 Mvar以下的系統。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的ASG 100L-222C型降壓式SVG無功補償裝置。而直掛接線方式的單套無功補償設備的容量較大，但接線技術尚未完全成熟，價格也較高。作為SVG中控制無功輸出容量關鍵模塊，控制模塊具有報送故障、保護、采集處理數據、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。控制模塊獲取系統的電流、電壓信號并進行分析計算后形成出發IGBT模塊的信號。上圖中的SVG控制合閘閉鎖原理是：隔離開關合閘，控制模塊接收常開點信號，啟動SVG無功補償裝置，裝置運行后通過控制模塊發送信號合上進線開關柜斷路器。一旦裝置運行出現問題，控制模塊可以自斷開進線開關柜斷路器，將故障點快速隔離。

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償性能的關鍵，其主要包含檢測補償電流、控制輸出電流、PWM調制三個部分。檢測補償電流常用的方法有瞬時無功功率法、傅里葉和FFT算法、同步檢測法等。控制輸出電流是將檢測得到的輸出電流值和實現確定的參考值進行對比處理，從而獲得控制信號，以便實時跟蹤電流信號；PWM調制是依據輸出的控制信號產生觸發脈沖，從而控制功率元器件的運行。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控制措施控制系統整流電路。在電壓PI的調控中，經過PI調解電壓相位差后，獲得需要補償的電壓信號，信號經過脈寬調制后通過控制器形成PWM調制波，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調控中，先采集無功電流信號，將計算獲得的無功電流和設定值進行對比分析，使系統始終不消耗無功電流。這樣一來，經過補償之后的系統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用

詔安橋東光伏電站本期規劃裝機量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。考慮到系統維護的便利性，將10MW并網發電系統分為10個子系統，每個子系統容量約為1.0MW。考慮到運行成本，分別將5個光伏子系統T接形成1回集電線路，光伏場區共采用2回集電線路，接至場內新建10kV開關站。然后以1回10kV出線接入110kV橋東變新擴建的1個10kV間隔。新建線路單回長度約6.2km，導線截面選用300mm2絕緣鋼芯鋁鉸線。

光伏電站應用SVG無功補償裝置不光要考慮電站自身無功消耗，還需要參與電網調壓，為系統提供無功功率支撐。因此，必須在配置無功補償容量是應該考慮一定裕度，按照光伏裝機容量的25%配置升壓站無功補償容量，即在光伏升壓站10kV母線上裝配一組2.5MVar的SVG動態無功補償裝置，要求響應時間小于10ms。SVG經過兩個工頻周期后可以恢復正常工作狀態，此時輸出電流達到補償電流指令值。SVG無功補償裝置在感性無功狀態下輸出電壓、電流波形，這時輸出電流滯后于電壓90°，SVG無功補償裝置從感性無功工作狀態切換到容性無功工作狀態需要一個工頻周期，表現出良好的動態響應性能。需要根據系統運行情況設定電壓范圍，如10.5～11.2kV，低于下、上限值，SVG設備開始調節，且保持在合理范圍。

6 結語

綜上所述，深入研究SVG工作原理，特點，系統構成及控制策略，以詔安橋東光伏電站10 MWp大型光伏電站為例，探討了SVG在光伏電站中的應用，其中提到的無功補償控制策略和配置原則適用于類似光伏系統，對類似光伏電站工程設計具有一定的技術指導作用。