光伏建筑中無功補償技術的應用

劉曉娟

（陜西建邦達建筑工程有限公司，西安 710000）

為了應對自然生態環境污染與化石能源危機，光伏發電技術是今后發展的主要方向之一。太陽能具有較高的轉換效率，同時能量損失少、控制簡單，可實現對建筑內部提供穩定、可靠的電能供應，因此光伏建筑成為世界各國的研究焦點。我國出臺多項政策扶持光伏產業高質量發展，在光伏技術迅速發展下，光伏建筑應用規模逐步擴大，應用區域日益拓寬，鑒于此，提升光伏建筑微電網供電可靠性是當下面臨的首要問題。

在國家大力推動能源互聯網發展的背景下，光伏建筑產業將會得到巨大的發展空間，并且逐漸朝著規模化、智能化的方向發展。光伏建筑應具有一定的無功備用容量來保持電網的供電可靠性。對于光伏建筑而言，其光電出力與光照強度息息相關，但事實上，光強具有一定隨機性和不可控性，這就導致了光伏建筑系統發出的有功功率具有一定的波動性，另外，光電站的無功損耗主要來自升壓變壓器，其大小與光伏功率相關，因此光伏電站需要進行動態無功補償。現階段，已有多項無功補償裝置被用于光伏建筑中。本文從光伏建筑系統自身出發，結合光伏建筑特點，對常用的幾種無功補償裝置進行了討論。

1 光伏建筑概述

在碳中和背景下，我國政府加快推進光伏建筑發展，在數量和質量上都得到了迅速的上升。光伏建筑是光伏組件與建筑物相互結合的系統，由光伏陣列、太陽能充放電控制器、蓄電池、逆變器和負載等組成[1]。光伏建筑組成如圖1 所示。

圖1 光伏建筑的組成

光伏建筑電池技術發展大致經歷了3 個重要發展階段，其中，第一階段光伏建筑電池以單晶硅、多晶硅為主，主要還是以多晶硅應用最為廣泛；第二代為碲化鎘（CdTe）、硫化鎘（CdS）和銅銦鎵硒（CIGS），在吸收光譜上更寬了，有利于對可見光的吸收，提高了光能利用率，具有彈性優異、比功率高等諸多優勢，同時還可制備成薄膜形態，適用于多種場景和多種形式的應用；第三代為硫化銅鋅錫光伏電池（CZTS）、鈣鈦礦類型及聚合物類光伏電池等，但該系列技術大多還尚處于實驗室階段，未進入工程化應用階段。

與單個光伏電站相比，光伏建筑系統具有一定的應用優勢，原因一是將光伏模塊與傳統建筑有機結合為一體，對建筑起到一定的保護作用；原因二是可為建筑提供日常所需電能。通常來講，光伏建筑的形式主要有3 類：①附加光伏系統。通過在原有建筑基礎上進行改裝，將光伏模塊附加在建筑屋頂或南墻表面；②光伏建筑一體化。在建筑設計前期就考慮到太陽能的利用，與建筑充分融合為一體，不僅節約了建筑成本，還實現了原地并網發電，例如光伏幕墻實現了發電、保溫、科技感一體化的優異效果；③光伏光熱建筑一體化。該技術可滿足日常用水需要，但技術還不夠成熟。

2 光伏建筑中無功補償技術分析與應用

2.1 光伏建筑無功補償的重要意義

無功功率是電力系統中一個十分關鍵的物理量，無功功率平衡對于維持光伏建筑系統穩定運行具有重要作用。在光伏建筑系統中，由于光照的晝夜變化及白天光照的動態性和隨機性，使得光伏建筑的無功功率也呈現一定的周期性和隨機性，因此通過電力系統無功狀態對系統無功功率進行無功補償具有重大意義。一方面，光伏建筑中安裝無功補償裝置后，提升了電網系統的功率因數，降低了電路損耗功率（式1），因此在光伏建筑中安裝無功補償裝置可有效降低功率損耗；另一方面，采用無功補償技術還提升了系統輸出的有功功率，進而提升了輸出設備的供電能力[2]。

式中：cosφ 為補償后的功率因數；cosθ 為補償前的功率因數。

2.2 光伏建筑無功補償技術分析

隨著光伏建筑建設數量和建設區域的逐漸加大，要高度重視維持無功功率平衡問題，提升供電穩定性，需要開發更多適用于光伏建筑的無功補償技術和設備。常見的無功補償裝置有調相機、固定補償電容器、動態無功補償裝置（SVG）、靜止無功補償裝置（SVC）及靜止同步補償器（STATCOM）等。調相機和固定補償電容器是傳統的無功補償裝置，早期在電力系統中得到了廣泛應用，這2 種裝置在主要優勢是使用便捷、投入成本降低、技術相對成熟，但存在的問題是調相機無法滿足迅速、動態補償的需求，因此近些年逐步被淘汰[3]。本文重點對SVC、SVG 以及STATCOM 3 種無功補償技術進行了闡述與分析，具體如下。

2.2.1 基于SVC 的無功補償技術

通過在無功負荷集中處安裝一定容量的SVC，由SVC 向負荷點就近提供無功功率，減少系統流入的Q，使得網絡產生的壓降變小，同時也使得線損減小，當系統中并入容量為的SVC 后，網絡壓降和線損為

由以上公式可知，Qb值增大時，△U 減小，當Qb=Q時，無功傳輸引起的壓降損失和線損為0，當Qb＞Q 時，發生無功倒流入系統，壓降損失加大，因此SVC 主要可改善用戶的電壓質量和降損節電。

（1）TCR 型SVC。TCR 型無功補償設備是光伏系統中常用的無功功率補償裝置，其補償原理如圖2 所示。TCR 型補償器是由1 套TCR 裝置和2 個濾波電容器組成，應用靈活、易控制，可實現分相調節，TCR 裝置先檢測系統變量，通過計算處理后，利用調節晶匣管的觸發角來調整電抗器的等效電抗，實現連續調節電抗器輸出的感性無功功率，TCR 輸出的無功補償是感性和容性無功功率之和。

圖2 TCR 型補償器原理圖

（2）MERS 型SVC。SVC-MERS 是一種新型靜止無功補償裝置，集合了TCR 與TSC 兩者的優點，實現了容性無功功率的連續控制，并保持了SVC 的簡便性特征。MERS 最早是由日本學者島田隆一所提出，隨后在電力系統中得到了迅速發展，在光伏系統無功補償中具有較高應用價值。單相等效電路圖如圖3 所示，可對SVC-MERS 的工作原理進行說明。

圖3 SVC-MERS 等效電路圖與向量圖

電源電壓為向量E˙、MERS 兩端電壓為V˙，電抗X上的電壓為V˙L。通過調節MERS 從電網中吸收電流I來改變V˙幅值與E 相位，進而調節電抗兩端電壓。由圖3 可知，當V˙＞E˙時，MERS 吸收容性無功功率，當V˙

MERS 結構拓撲組包含全橋型、半橋型（逆導型/逆阻型）和單開關型，不同類型拓撲結構MERS 特征比較見表1。

表1 MERS 結構拓撲組特征比較[4]

2.2.2 基于SVG 的無功補償技術

SVG 是一種應用于光伏電站的動態無功補償裝置，其核心技術是基于IGBT 和PWM 技術，構造三相全控式整流逆變電路，交流側經電抗與電網相連。目前，工程上以電壓型橋式電路應用較多，電氣結構如圖4 所示。SVG 補償原理是通過改變交流側電壓（UInverter）和并網點電壓（USystem）的幅值大小，得到無功電流（IInverter），達到動態補償系統需要的無功功率目的。

圖4 SVG 單相電氣結構示意圖

2.2.3 基于STATCOM 的無功補償技術

STATCOM 是一種全控型電力電子器件的補償裝置，動態補償效果佳，是目前研究的重點。STATCOM 由1 個直流電容、3 個小電感和2 個IGBT 構成，電路結構如圖5 所示。STATCOM 工作原理為將三相橋式變流電路并聯在系統中，通過控制全控制器的開通與閉合來調節輸出電壓、電流相位和幅值，進而控制STATCOM 發出或吸收無功功率，補償范圍可實現容性到感性，實現了連續的無功功率補償[5]。

圖5 STATCOM 的電路結構

2.2.4 幾種不同補償技術的經濟性比較

分別對上述幾種可應用于光伏建筑中無功補償技術（分別為SVC-MERS、SVC-TCR、SVG 與STATCOM）進行比較分析，重點對不同無功補償裝置的無功補償范圍、響應時間、電流諧波含量進行了測試，數據見表2。

表2 不同補償技術的參數比較

可以看出，SVC 響應時間長，諧波嚴重，TCR 只能實現感性無功補償，不滿足光伏建筑系統中補償容性無功功率的實際需求，而MERS 在無功功率波動較大或者電壓波動分散性電源系統具有一定優勢；STATCOM 可實現感性無功補償和容性無功補償，同容量STATCOM 比SVC 提供更大的補償容量，另外，同容量的STATCOM 占地小于SVC，這是由于STATCOM使用直流電容器，可以減小電容器體積，無需采用并聯電抗器即可控制無功功率平滑變化，STATCOM 可提供有功功率，SVC 只能提供無功功率，STATCOM 是智能型的設備，是目前光伏建筑系統無功補償設備中最先進的也是最有發展前景的技術之一。

3 結束語

綜上所述，將無功補償技術應用于光伏建筑系統中，顯著提升了建筑用能的安全性、經濟性和可靠性。本文通過對多種無功補償技術進行了闡述，分析了每種技術的優勢與不足之處。今后光伏建筑系統在無功補償裝置選擇過程中，要結合實際情況，選擇實用性強、安全性高、經濟性優異的無功補償裝置，STATCOM在光伏建筑系統中具有顯著的應用優勢，但成本高、控制系統復雜是目前制約發展的重要問題，要加強STATCOM 置與其他裝置的結合應用的研究工作，為光伏建筑可持續發展奠定堅實基礎。