基于光伏變電站動態無功補償裝置控制策略的研究

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行環境下電壓電流和無功的變化情況，分析了動態無功補償裝置的控制策略，采用數字仿真實驗和實際運行波形驗證了文中涉及的系統控制策略的合理性，該策略已成功應用于目前110kV光伏上網變電站工程中。

1.前言

近年來，電網建設中大力發著新能源入網，提高電網能源的清潔、綠色成分，為了解決新能源入網的穩定性和功能利用率，國內一些電網開展了利用SVG來提高電網電壓穩定的工程實踐，無功補償對于提高電力系統的電能質量有重要意義。隨著國家經濟發展，社會用電量日益增加，2018年全社會年用電量相比2015年增加22%，達87233億千瓦時。然而當越來越多的用電設備接入電網，電網中的無功負載越來越多。輸電線路輸送無功功率，會影響電力系統中的功率分布：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越多。同時，由于新型輸電技術和新能源技術的發展，無功補償設備應對的電壓等級和容量也越來越高。傳統的變流器是基于晶閘管的普通換流器，晶閘管需要電網電壓強制換相，且單個開關器件承受的電壓等級有限。因此，將輸出諧波小、器件可控、對器件承受的電壓等級沒有過高要求的新型變流器應用于電能質量治理就很有意義了。本文提到的靜止無功發生器是采用模塊化多電平變流器，通過對載波移相方法和最近電平逼近方法的輸出諧波大小進行了比較，并選取諧波特性較好的載波移相方法對變流器中的開關器件進行調制，維持直流側電壓穩定。通過仿真與實際運行效果驗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式逆變器拓撲結構，Y形連接，35kV裝置每相由40個功率單元串聯組成。采用雙臺GSC-35、雙母運行，總容量為20MVar，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 橋拓撲結構，技術可靠。GSC-35系列鏈式高壓靜止無功發生器的這種模塊式級連拓撲結構，極大的提高了高壓靜止無功發生器的可靠性、靈活性和可維護性。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表示電網電壓，Ui等效SVG。SVG調節功率模組的輸出電壓，進而調節電抗器上的電流，使SVG吸收或發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。如需對系統中的諧波進行處理，可同時使SVG產生指定的諧波來補償負荷中的電流諧波，實現諧波補償的目的。

圖2-3 單相等效電路圖

其詳細的工作模式及其補償特性如表2-1所示：

表2-1 工作模式及其補償特性

3.SVG在光伏電站的控制方法

3.1 定功率控制模型

以定值方式下發無功功率目標值，CPU計算出目標電流有效值值，FPGA根據有效值和相電壓相位角計算出目標電流瞬時值。ua，ub，uc為系統電壓，Irms為期望無功電流有效值，如上圖所示，ua，ub，uc單相鎖相環后得到角度值(鎖相角度超前實際90度)，Irms與sin(theta)相乘，得到該相無功電流期望瞬時值。

圖3-1 定功率控制模型策略

3.2 定電圧控制模型

對系統電壓進行3s/2r變換得到系統電壓ud，期望線電壓和ud作為PI輸入，以PI輸出為iq，令id=0，進行2r/3s變換得到期望電流瞬時值。根據系統電壓變化改變輸出無功功率大小，從而達到調節系統電壓的目的。

ua，ub，uc為系統電壓，Urms為期望線電壓有效值，如上圖所示，ua，ub，uc單相鎖相環后得到角度值，對系統電壓進行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iq進行濾波后再進行2r/3s變換得到目標電流瞬時值。

圖3-2 定電壓控制模型策略

3.3 定功率因數控制模型

根據系統母線電流的有功分量和功率因數計算值計算出無功電流期望值，無功電流期望值和實際值無功電流進行PI調節，結果作為無功電流指令調節輸出無功功率，達到調節母線無功功率的目的，實現了母線功率因數的控制。

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

圖3-3 定功率因數控制模型策略

在光伏變電站中，以上幾種控制策略能實現STATCOM既可以發出容性無功也可以發出感性無功，“吸收”自如，并且能實現響應時間在5～20ms，不發出諧波。

4.仿真與試驗結果

4.1 仿真測試

為了驗證SVG系統控制策略的正確性，在PSCAD平臺上搭建了±10Mvar的鏈式STATCOM的電磁暫態仿真模型，利用大型設計軟件pre-E進行虛擬設計，建立幾何模型，完成模型設計。采用電弧爐作為負載，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，通過調節輸出角，實施測試電氣量的變化，把現場實際電氣特性復制到數字模型中，與實際一致的先進仿真手段，電網工況模擬如下所示：

圖4-1 仿真一次模型

仿真測試0～3S，系統正常運行，接入點35kV母線電壓偏低，功率因數約為0.94；3～6S，投入負載運行，電壓下降明顯，功率因數降低0.82，仿真平臺測試的波形如圖4-2所示；6～9S，投入動態無功補償裝置，逐步調節電弧爐的負荷大小，檢測功率因數與電流電壓變化，電壓恢復正常值，功率因數保持在0.98以上，效果良好。仿真平臺測試的波形如圖4-3所示。

圖4-2 投入負載運行的電壓波形曲線

圖4-3 采用SVG動態補償后的電壓波形曲線

4.2 光伏電場運行效果

110kV光伏變電站投運以來，發生一次電壓波動情況，經改善后35kV母線電壓波動得到抑制，電壓偏差由7%降為2.3%，10kV母線波動情況得到抑制，電壓偏差小于5%。

檢測電壓波形如圖4-4、4-5所示。

圖4-4 35kV母線電壓補償前

圖4-5 35kV母線電壓補償后

通過近幾個月的數據檢測，統計了110kV光伏用電量情況，總功率因數一致保持在0.99以上，響應時間控制在15mS以內。

5.結論

本文從SVG控制原理出發，提出對應的控制策略可根據電壓檢測值、電網故障狀態、站內并聯補償狀態等信息優化選取SVG運行模式，將多種功能有機地協調起來，結合現場運行搭建實際仿真平臺，對比現場運行數據，驗證了該控制策略在電網運行中的可靠性及合理性，動態無功補償裝置目前在光伏上網電站中發揮重要作用，對平衡電壓和電網穩定運行起到關鍵作用。