大型并網風電場和光伏電站內動態無功補償的應用技術研究

廣東陽江港港務股份有限公司 馬廣平

近年來由于清潔能源發展的需求，國家大力推進新能源行業，包括風電和光伏在內的新能源發展較快，發電量逐年上升，但與此同時新能源發電并網帶來的問題逐漸凸顯。風電受風速影響，電壓波動明顯，威脅到電網穩定。而光伏電站受日照和溫度等因素影響，嚴重時電壓波動引發繼電保護、直接導致脫網[1]。所以從穩定電壓保運行的角度出發，要采取相應的技術來對風電和光伏發電的電壓實施有效控制。

1 動態無功補償主要技術

1.1 各類動態無功補償技術

本文重點研究近年來廣泛應用的靜止無功補償器（簡稱SVC）和靜止無功發生器（簡稱SVG）動態無功補償技術，其中SVG 動態無功補償技術因其響應速度快、并網性能優秀而逐漸被廣泛應用。

1.1.1 SVC 動態無功補償技術裝置

SVC 采用晶閘管控制電抗器，補償速度較快、調節順暢，能夠給予動態電壓的支持，主要類型有TCR 型和MCR 型兩種類型。

TCR 型SVC。該類型SVC 由雙重濾波電容器組和單體晶閘管控制電抗器構成（圖1），其中濾波電容器組是常規電容器與電感聯合構成，能夠自我監測整體電路系統的變化程度，然后自行算出補充的需求變化量，最后通過晶閘管的控制角調節電抗器的基波分量電流，保證無間斷控制電抗器的無功功率，其值等于感性無功功率和容性無功功率相互作用后的無功功率凈值。

圖1 TCR 型SVC 結構示意圖

MCR 型SVC。該類型SVC 由雙重濾波電容器組和一套磁控電抗器構成，其中磁控電抗器主要組成部分是可控硅模塊和電抗器。MCR 型SVC 采取直流助磁效應，應用可控硅導通角來改變經過電抗的直流勵磁電流，以實現順暢改變電抗器的感性無功功率，而其感性無功功率欠補償或過補償電容器組容性無功功率后的無功功率，為MCR 型SVC 輸出的無功功率值。

1.1.2 SVG 動態無功補償技術裝置

靜止無功發生器（簡稱SVG）是全控有源型無功發生器的一種。此類裝置是通過電抗器和橋式變流模塊的對接，采用調整橋式變流模塊的輸出電壓相位、上下限值，或是控制其交流一側使得線路吸收或發出無功電流，最終實現電壓平穩調節，并且響應靈敏度極高。SVG 分為電流型和電壓型兩種形式（圖2）。

圖2 兩種類型的SVG 主電路結構示意圖

電流型SVG 直流側儲能部件是電感類型，而電壓型SVG 直流側儲能部件是電容類型，前者需要并聯電容器用來抵消換相伴生的過電壓，而后者需要串聯電抗器以順利并網，從成本和自身結構復雜程度上來看，電壓型SVG 的性能突出且能耗較低，所以目前廣泛應用的SVG 類型以電壓型SVG 為主流。

1.1.3 SVC 與SVG 的比較

結合響應速度、功耗和有效質量周期等指標綜合來分析，SVC 和SVG 相比較而言，SVG 的綜合性價比較為明顯，也成為近年來發展較快、應用較為廣泛的動態無功補償技術。隨著動態無功補償技術的完善和發展，近年來也出現了通過SVG 和固定電容器（Fixed Capacitor，簡稱FC）結合來擴容補償能力的技術，先由FC 初步補償，然后再采用SVG 技術持續補償，此方法能夠在一定程度上節約投資成本，但是應用范圍受限于10kV 的低壓電網，在高壓電網并網時，不可避免的仍然要采用SVG 動態無功補償技術裝置[1]。

1.1.4 SVG 動態無功補償技術在風電場和光伏電站作用

本文重點研究SVG 該項應用動態無功補償技術，目前其已在風電場和光伏電站發揮著重要作用。一是該項技術動態無功補償的性能卓越，容性和感性的補償特點突出，二者協同運作使得無功補償全程平穩順暢，采用功率因子來衡量，在合理選用型號的前提下，可以達到近乎1.0的功率因子數值；二是SVG 的限制諧波性能明顯，該項技術采用橋式主電路技術，能夠抵消逆變器發出的低次級諧波，但是會保留一部分高次級諧波，降幅較低。這樣就就省去了冗余的諧波消除設備。

2 SVG 動態無功補償技術實際應用研究

2.1 SVG 動態無功補償技術應用配置設計研究

在風電場和光伏電站進行SVG 配置設計時，需要以發電實際的無功補償容量作為設計基礎數據，著重分析補償的量級和范圍。本文以光伏電站的SVG 選型相關參數設計作為主要研究方面。設計步驟首先要進行容性無功補償量的計算，等同于變壓器的無功損耗量、線路無功損耗率和充電功率三者之和，而其感性無功補償容量要與線路的全部充電功率相匹配，能夠滿足其全部補償量，公式如下。

光伏電站無功損耗計算方法：Qa=(Uk%Q2s/+IR%/100)QN，其中：Qa為電站變壓器無功損耗量（kVar），Uk%為電站變壓器短路電壓值，IR%為電路空載時電流百分數，Qs為電站變壓器的視功率（kVA），QN為電站變壓器的額定容量（kVA）。

光伏電站總線路的無功損耗計算方法：Q0= 3I2NZ，其中：Q0為線路電抗附加無功損耗量（kVar），IN為線路額定電流值（A），Z為線路的阻抗；光伏電站線路充電功率值計算方法：Qe= 2πCLU2N×10-3，其中：f 為線路電頻（50Hz），CL為單位長度線路的單相對地電容值（uF/km），L 為線路長度（km），UN為線路額定電壓（kV）。

2.2 SVG 動態無功補償技術在大型并網風電場應用情況分析

國內早期時候應用SVC 技術裝置比較多，因其響應靈敏度較低，部分SVC 裝置還未開發自動投切的模塊，無法滿足持續補償、穩定電壓的需要，所以逐漸被SVG 技術所替代，目前國內新建的大型風電場均采用SVG 技術。以哈密某風電規模100MWp 的風電場為例，在電壓波動時，SVG 能夠時時控制無功功率，保持功率因數值在0.98以上，響應靈敏度低于5ms，110kV 母線的諧波電壓各類指標符合《電能質量公用電網諧波》(GB/T14549-93)標準，并且電壓三相不平衡度低于1.3%，電壓波動變化值低于1.5%，穩定在115kV 左右。從各類指標看穩壓效果明顯。

SVG 的應用在近年來的大型并網風電場中存在一些著重注意的方面：一是SVG 鎖相環調節等參數不合理時，會影響總電網內部超同步振蕩的發生率；二是單臺運行的SVG 裝置不能完全達到動態無功補償的要求，在恒電壓的控制模式下，其數量的增加或者增加容量的方法對整體電網系統次同步振蕩收斂有利，若不增加SVG 數量，可以考慮采取恒無功控制模式，但是對單臺SVG 容量要求較高；三是目前早期的SVG 裝置還沒有實現強補的整改、需要整體替換，投入較大。

2.3 SVG 動態無功補償技術在光伏電站內應用情況分析

國內現有110kV 光伏電站應用SVG 動態無功補償技術時，電壓的變化波動得到明顯改善。在該電站35kV 的母線電壓差值下降到2.3%，而10kV 的母線波動也在5%以下，總功率因數值保持在0.99～1之間，響應靈敏度控制在了15ms 范圍內。可見SVG 在光伏電站內取得了良好的電壓穩定效果。

但是從國內目前在光伏電站運行的SVG 技術情況看，也存在一些問題，主要集中在鏈接驅動、鏈接發熱、鏈接電源驅動和相關工作模塊故障等方面，其中發熱和故障占據了問題的一半以上比例，其原因基本為現場施工時的硬件保護工作沒有做到位，另外電池模塊國產率已經非常高，其故障比例較為明顯，使得發熱情況普遍存在，此外還有光纜的布線合理性和質量優劣等，都對SVG 的穩定運行產生影響，所以國內光伏電站SVG 技術應用的重點應該是放在現場施工和供應鏈質量方面。

綜上，伴隨風電和光伏等新能源的快速發展，針對其電壓不穩定的問題，需要采取相應的技術來彌補其不足。而采取SVG 動態無功補償技術，合理的選擇參數進行配置設計，在安裝施工和產品配件供應鏈質量上來保障SVG 技術裝置的順利投用，從實際應用情況證明，該項動態無功補償技術能夠很好的起到穩定風電場和光伏電站并網電壓的作用，從而為風電和光伏發電的未來發展發揮可靠的保障作用。