新能源光伏發電中SVG無功補償裝置的應用研究

新疆華電葦湖梁新能源有限公司 郭鵬山

從新能源發電發展來分析，光伏發電是較為重要的一種形式，利用光生伏特效應將光能轉變為電能，系統構成包括逆變器以及電池板等。在光照強度及時間作用下，無法評估形成的電能。為妥善處理光伏發電中發生的無功功率問題，應該增設無功補償設備，確保發電系統的可靠性。

1 光伏發電設備組成、優點及SVG選擇

從新能源發電形式來分析，光伏發電裝置涉及控制器和電池板等。通過控制器，能夠記錄系統數據信息，保持其工作狀態；通過逆變器，能夠將直流電變為交流電，適用大電網銜接；通過太陽能電池板，可以將太陽能變為電能。根據并網形式差異可分成并網式及獨立式，系統能夠獨立系統運轉，也可通過逆變器和大電網連接，提供電力支撐。如果根據容量大小進行區分，可將光伏發電系統分成以下幾種：小型發電系統，100kW容量；中型發電系統，100kW至1MW容量；大型發電系統容量超過1MW。

整體而言，新能源光伏發電具備以下優勢：設備容量較小、易于建設、所需投資較低、收益理想；清潔無污染；能夠切實緩解附近區域用電緊張；電網比較可靠，能提升供電穩定性。然而，在日照強度作用下，也存在著隨機性，系統有著一定電網阻抗，可能產生電壓問題。從光伏發電網來分析，電源處在配電網末端，線路較長，可能出現過電壓情況。在夜間，系統電源不出力，若有著較大承載壓力，將超過下限[1]。白天，系統發電量難以消納，功率將轉到至配網系統，造成出現反向潮流。久而久之，并網點周圍有著較大負載電壓。

目前，光伏發電比例持續提高，如果出現電壓故障將影響系統正常工作。基于此，應在系統中運用無功補償設備，其選擇除了決定電路結構，使逆變器無法控制，造成無功調節能力降低，電壓振蕩，系統運行缺乏可靠性，所以，應該選取最佳的無功補償設備。

2 無功補償裝置性能比較及運作原理

在接入電網容量偏高時，可能導致并網電壓大于既定范圍，影響電網電壓的可靠性。不僅如此，還可能被環境影響，光照以及溫度的變化均可能導致功率輸出出現變化。電網在工作中發生問題，將影響到并網點電壓。所以，為給光伏電站提供電壓支撐，需要安裝具備無功輸出功能的設備。在系統中，逆變器雖然有著無功功率調整作用，但不易進行布置，同時容易被環境影響。所以，光伏電站應該布設無功補償設備，相比之下，SVG有著較強的補償能力，響應迅速，安全性有保障，得到了普遍的運用。

2.1 無功補償裝置性能比較

無功補償設備組成包括控制設備、啟動設備等，由于接線形式不同，補償裝置可以分為兩類，對于直掛式設備，其容量較高，但運行效果較差，對于降壓式無功補償設備，其運行效果較好，但裝置容量不高。在裝置運轉時，會將信號傳輸到控制設備，通過內置芯片進行運算，獲取模塊信號。如果設備內部發生故障，可借助控制設備跳開斷路器，及時隔離故障。現如今，有多類無功補償設備，比如SR、TCR等。性能比較：對于SR無功補償裝置，其無功輸出連續，難以分相調整，響應時長10ms，諧波量較小，有著一定的損耗率，產生的噪聲大，控制靈活度較低，易于進行運維。

對于SC無功補償裝置，其無功輸出連續，難以分相調整，響應時長200ms，無諧波量，有著一定的損耗率，產生的噪聲大，控制靈活度較低，不易進行運維；對于TCR無功補償裝置，其無功輸出連續，能夠分相調整，響應時間介于5～10ms，有諧波量，存在一定的損耗率，產生的噪聲較小，控制靈活度高，運維比較復雜；對于TSC無功補償裝置，其無功輸出極差，能夠分相調整，響應時間介于10～20ms，沒有諧波量，有著一定的損耗率，形成的噪聲很小，控制靈活度高，運維比較復雜；對于SVG無功補償裝置，其無功輸出連續，能夠分相調整，響應時間介于3～5ms，有諧波量，有著一定的損耗率，產生的噪聲小，控制靈活度高，運維比較復雜[2]。

2.2 SVG的作用

對于無功補償設備來講，其工作原理類似于變流器電路，增設適當的SVG設備，能夠發出以及吸收無功功率，據此進行動態調整，優化電壓。補償裝置能夠控制元件，使其能夠發出電壓相位，據此開展相應的無功補償。相比于電容器以及調相機，無功補償設備有著以下優勢：補償較快，5～20ms就能夠響應；功率因素能夠超過0.98；無功補償設備能夠過濾諧波；能夠實現精準補償；設備使用壽命長、所需維護費用較低，并且能夠提升電能質量。

2.3 SVG的運用原理

SVG涉及多個模板，主要包含檢測模塊、補償輸出模塊等，運用原理：利用模塊所獲取的電流數據，由控制器啟動補償命令，然后由回路輸出用來補充的電流。從表1來分析，功率模塊為橋式電路，利用電抗器和電網連接，使無功功率更為平滑，避免發生沖擊電流，造成設備運行出現故障。

表1 SVG裝置等效電路主要組成

根據功率模塊來分析，在設備中，經過電路串聯構成多電平結構。結合等效電路來分析，U1表示輸出電壓，L表示電抗器，I表示輸出電流，R表示損耗，Us表示系統電壓。在輸出電壓大于系統電壓時，輸出電流超前輸出電壓，表明SVG處于容性運行模式，此時發出無功功率；輸出電壓小于系統值時，電流滯后電壓，表明設備處于感性運行模式，這時系統吸收功率。顯而易見，通過調整元件觸發角能切實控制電壓幅值以及相位角，使SVG吸收以及發出功能達到并網需求，為系統始終保持高功率因數運轉提供支持。

3 電流環及鎖相環的應對分析

光伏發電系統大部分處在偏遠區域，系統容量較高，應加以關注電壓問題。逆變器有著較高輸出電流，電壓會逐漸降低，輸出功率變化范圍較小。如果輸出功率有限，功率將出現改變，造成直流側電壓失穩。在電網感抗作用下會形成一定輸出功率，并且等效電感增多，功率值會持續降低，輸出電流將顯著變小。當光照足夠時，光伏發電會產生較大功率，但由于限制輸出功率，造成功率失衡，使得直流側充電。此種情形下，無法掌握直流電容電壓，影響系統正常運行。

無功補償也能影響電流環以及鎖相環。從電流環來分析，能使反諧振峰變多，使系統相位發生跳變。不僅如此，等效電感變多，頻率逐漸轉向低頻，導致系統產生不可靠的電流。從鎖相環來分析，電感越高，PLL頻率將失穩，在頻率較低時，將移動至高頻運行點，造成輸出時出現振蕩。為了應對以上問題，要采取穩定性舉措。在電流環上應開展超前相位補償，確保相位裕度科學性。在鎖相環上，應降低控制器參數，去除非基波頻率，減小輸出頻率，確保控制系統可靠。

4 基于新能源光伏發電SVG設備的優化配置

鑒于有著越上下限的問題，應在配網中增設SVG裝置，據此優化電壓。電壓降計量取決于諸多因素，其中包括線路負荷、長度等，以下是電壓降的求解公式：ΔU＇=PR+（Q+Qsvg）X/U=ΔU+QsvgX/U，其中：P表示有功負荷，R表示電阻，Q表示無功負荷，Qsvg表示無功補償設備的無功功率，X表示電抗，U表示電壓，ΔU表示電壓該變量。由于日照有著隨機性，輸出功率也有著變化，如果僅通過串聯電抗器進行補償，當沒有光照時，輸出功率是0，結合電壓降求解公式，末端電壓過小而無法滿足用電需要，因此需要運用SVG裝置。

如果要優化無功補償裝置，應先進一步分析電壓越上下限，將其當作目標工況，進而選取適當的最小組數。如果布設兩組設備時，工況屬于最嚴重電壓越上下限，感性功率值為正，容性功率值為負，以下是SVG配置：節點編號N1，工況1為負的Q11，工況2為正的Q21；節點編號N2，工況1為負的Q12，工況2為正的Q22。有著6組變量，處于工況1，節點補償了容性無功；處于工況2，節點補償了感性無功。容性無功最高值為容量Q1，感性無功最高值為容量Q2。Qsvg表示裝置安裝容量，用Qsvgmin來表示最低容量，用Qsvgmax來表示最高容量。

分別引入PSO以及TS-PSO來對兩種工況下的SVG進行計算。在第二種算法中，進行映射處理，根據二進制轉換進行分檔處理，獲得以下公式：Qsvg=kΔQ（k=0,1…，kmax），其中：k表示分檔系數，ΔQ表示基準值。轉變獲取分檔系數k11、k12、k21、k22，轉變獲取二進制數B2、B3、B5和B6。綜上獲取二進制B1-B6，也就是粒子和空間位置。

對于PSO算法來講，其是一種粒子群優化算法，將涉及迭代過程，尤其適用極值求解。以下是兩種工況下的SVG優化配置：TS-PSO算法，節點18，工況1負的1580kVA，工況2正的1590kVA，安裝容量1590kVA，節點32，工況1負的640kVA，工況2正的640kVA，安裝容量640kVA，總容量2230kVA；PSO算法，節點18，工況1負的1580kVA，工況2正的1600kVA，安裝容量1600kVA，節點33，工況1負的640kVA，工況2正的600kVA，安裝容量640kVA，總容量2240kVA。顯而易見，運用TS-PSO算法能獲取局部最優解，防止了重復迭代，使搜索能力得到增強，計算效率提高。對工況1和2進行無功補償，電壓偏差處于合理范圍，達到電壓質量標準，可見，無功補償裝置能夠切實解決越上下限問題。

5 SVG裝置在光伏發電中的運用分析

SVG的補償位置。在電網技術規定中，針對SVG補償位置給出詳細規定：在有著升壓變壓器的光伏電站中，SVG安裝于變壓器低壓側；在不具備升壓變壓器的電站內，SVG布設于匯集點。將某一光伏電站當作例子，其中應用的是無集中升壓變壓器，因此SVG安裝于匯集點。

無功補償容量。光伏電站內布設SVG裝置旨在穩定電壓并降低能耗。當對補償容量進行配置時，要根據裝機容量的1/4進行配置。在此光伏電站中，設備容量是7.5MVar,SVG設備能夠通過持續調整來控制電壓，使電壓變化達到要求。但是，從光伏電站來分析，補償容量還需要分析線路和變壓器消耗。

其一，電站線路無功損耗。所產生的無功功率以及充電功率，主要是電纜線路。感性功率求解公式：QL=s2/U2nxl，其中：S表示具體容量，Un表示額定電壓，x表示感抗，l表示線路長度；充電功率求解公式：Qc=U2n2πfCl×10-6，其中：C表示電容，l表示線路長度。能根據以上公式獲取無功功率以及充電功率；其二，變壓器無功損耗。通常情況下，涉及空載以及短路損耗，求解公式：Qt=Q0+Qv=I0%/100×Sn+Us% S2/100Sn，其中，Q0表示空載損耗，Qv表示短路損耗，I0%表示電流百分比，Sn表示額定容量，Us%表示電壓百分比，S表示視在功率。

SVG運用效果。提高光伏裝置轉化率。在光伏發電中應用SVG裝置，降低了逆變器無功輸出，避免了諧波入侵系統，提升光伏裝置轉化率，進而增加光伏發電量；減少線路損耗。無論是變壓器還是電纜，均能形成無功，干擾系統功率因數。光伏電站內布設SVG能夠切實提升功率因數，減少線路損耗以及電壓波動；避免電網考核。光伏電站根據接入系統意見，相關要求配置SVG，設備容量配置和調整速度要符合電網要求，否則納入考核范圍。

6 結論

光伏發電線路比較長，由于阻抗導致電壓變小，產生嚴重的振蕩問題。運用SVG設備能提供充足功率，使并網電壓可靠。因日照強度差異，光伏發電有著隨機性，可能產生電壓問題。合理運用無功補償設備，使用相關算法計量SVG容量，得知SVG能夠解決越上下限問題。此次研究使用各種等級的系統，也能夠為光伏電站設計提供借鑒。