SVG在诏安桥东10MWp光伏电站无功补偿中的应用

2018-11-19安居

中国设备工程 2018年20期

安居

（华电漳州能源有限公司，福建漳州 363000）

光伏电站与电网连接时，如果接入容量过大将导致并网电压超过限定范围。此外，光照、温度等外部环境会影响并网点有功功率输出，造成功率输出波动，而通过调节系统的无功输出可以实现稳定并网点电压的效果。如果电网运行出现问题，并网点电压基础下降，则光伏电站需要具有适当的无功输出才能为电力系统提供相应的电压支持。光伏逆变器虽然也有一定的无功功率调节能力，但因其设置和控制复杂，响应时间慢和难以实现远程控制的缺点。因此，大型并网光伏电站，如诏安桥东光伏电站必须装配相应的无功补偿设备。现阶段，SVG动态无功补偿装置在国内外电力系统中应用最为广泛，因此，文本阐述了SVG原理、特点、系统组成，控制策略，并以诏安桥东光伏电站为例探讨SVG无功补偿装置在光伏电站中的应用。

1 SVG工作原理概述

SVG主要包括检测、控制运算、补偿输出3大基本模块，其基本原理是检测系统电流信息，并通过控制模块分析检测到的电流信息，再由控制器发出补偿信号，最终通过逆变回路输出用于补偿的电流。SVG可以动态收发无功功率，其等效电路如图1所示。

图1中所示的功率模块包含多个绝缘栅双极型晶体管元件，这些晶体管和电容器连接组合成自换相桥式电路，并经由电抗器与电网连接。电抗器的主要作用是抑制纹波电流产生的高次谐波，实现SVG无功功率的平滑调整，避免产生冲击电流，引发故障。多个自换相桥式电路串联构成多电平结构，通过合理控制导通角形成与正弦波相近的阶梯波。调节自换相桥式电路中的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关，可控制直流变交流过程中的电压幅值以及相位。改变SVG交流侧输出电压幅值及相位可以调节电抗上的电压，控制SVG吸收无功功率大小，实现无功平衡，使系统始终保持高功率因数。

图1 SVG无功补偿等效电路

2 SVG特点

相较于其他无功补偿装置，SVG特点以及用于光伏电站的优势如下：

2.1 补偿能力强

光伏电站通常使用电缆连接线路，而电缆本质上是一种电容器，因此，在这使得光伏电站在停止发电的情况下，光伏电站需要感性无功补偿；在光伏满载发电的情况下，光伏电站需要容性无功补偿。按照国家标准，大中型光伏电站功率因数应该在超前0.98～滞后0.98范围内连续可调节。SVG可以做到平滑双向快速调节感性、容性无功，在选择适合型号的前提下，光伏电站功率因数在任何时刻都接近1.0。

2.2 谐波特性好

谐波问题是非线性负荷用电特性的问题，是非线性负荷的固有特性。只要电力系统中存在这种负荷就一定会出现谐波。逆变器是具有代表性的非线性负荷，是光伏电站的关键组成器件，因而常常形成较大谐波。而SVG中应用的桥式电路脉宽调制技术能够有效抑制和消除低次谐波（低于主频率的谐波），将谐波电力的产生次数降低到可接受范围。这样一来，光伏电站应用SVG后就无需再另外装配消谐设备。

2.3 响应速度快

SVG是所有无功补偿设备中响应速度最快的。例如，自动投切装置的相应时间为几秒钟，SVC的响应时间为20～100ms，而SVG的响应时间普遍低于10ms，有的甚至的可以控制在5ms之内。

2.4 运行可靠，安全性高

SVG对系统参数变化不敏感，其无功补偿能力不会因为电压降低的影响而减弱，而且SVG还具有很强的短时间电流过载能力（超额定电流1/4）。而因为SVG的谐波特性，在无需额外增加滤波支路的情况下可以治理谐波，滤除谐波电流。同时SVG的绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）属于可断开元器件，从根本上避免了谐振现象。此外，大部分SVG 无功补偿装置，即使某个绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）功率模块不能正常工作，也不会影响到整个系统的运行，SVG的上述特点和措施决定了SVG运行的可靠性和良好的安全性。

3 SVG系统构成

SVG无功补偿装置主要包括功率模块、启动模块、控制模块等模块。按照接线类型，SVG可以分成直挂式、降压式两种。降压式接线方式无需使用电抗器，该接线方式更加可靠，但是单套设备的容量较小，适合用于无功功率12 Mvar以下的系统。诏安桥东光伏电站使用的是南京国电南自新能源科技有限公司生产的ASG 100L-222C型降压式SVG无功补偿装置。而直挂接线方式的单套无功补偿设备的容量较大，但接线技术尚未完全成熟，价格也较高。作为SVG中控制无功输出容量关键模块，控制模块具有报送故障、保护、采集处理数据、提供电源等多种功能。SVG的逻辑原理及接线方式如图2所示。控制模块获取系统的电流、电压信号并进行分析计算后形成出发IGBT模块的信号。上图中的SVG控制合闸闭锁原理是：隔离开关合闸，控制模块接收常开点信号，启动SVG无功补偿装置，装置运行后通过控制模块发送信号合上进线开关柜断路器。一旦装置运行出现问题，控制模块可以自断开进线开关柜断路器，将故障点快速隔离。

图2 SVG逻辑原理及接线示意图

4 SVG控制策略

SVG控制策略是其无功补偿性能的关键，其主要包含检测补偿电流、控制输出电流、PWM调制三个部分。检测补偿电流常用的方法有瞬时无功功率法、傅里叶和FFT算法、同步检测法等。控制输出电流是将检测得到的输出电流值和实现确定的参考值进行对比处理，从而获得控制信号，以便实时跟踪电流信号；PWM调制是依据输出的控制信号产生触发脉冲，从而控制功率元器件的运行。诏安桥东光伏电站配置的SVG采用电压空间矢量控制策略，通过电压电流双闭环控制措施控制系统整流电路。在电压PI的调控中，经过PI调解电压相位差后，获得需要补偿的电压信号，信号经过脉宽调制后通过控制器形成PWM调制波，从而控制主电路绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的连通和断开。

在电流的PI调控中，先采集无功电流信号，将计算获得的无功电流和设定值进行对比分析，使系统始终不消耗无功电流。这样一来，经过补偿之后的系统只有固定的有功功率，从而提高功率利用率。该SVG控制策略如图3所示。

图3 SVG控制策略示意图

5 SVG在诏安桥东光伏电站的应用

诏安桥东光伏电站本期规划装机量10MW。采用280W单晶硅电池组件、270W、275W多晶硅电池组件，全固定式安装方式。考虑到系统维护的便利性，将10MW并网发电系统分为10个子系统，每个子系统容量约为1.0MW。考虑到运行成本，分别将5个光伏子系统T接形成1回集电线路，光伏场区共采用2回集电线路，接至场内新建10kV开关站。然后以1回10kV出线接入110kV桥东变新扩建的1个10kV间隔。新建线路单回长度约6.2km，导线截面选用300mm2绝缘钢芯铝铰线。

光伏电站应用SVG无功补偿装置不光要考虑电站自身无功消耗，还需要参与电网调压，为系统提供无功功率支撑。因此，必须在配置无功补偿容量是应该考虑一定裕度，按照光伏装机容量的25%配置升压站无功补偿容量，即在光伏升压站10kV母线上装配一组2.5MVar的SVG动态无功补偿装置，要求响应时间小于10ms。SVG经过两个工频周期后可以恢复正常工作状态，此时输出电流达到补偿电流指令值。SVG无功补偿装置在感性无功状态下输出电压、电流波形，这时输出电流滞后于电压90°，SVG无功补偿装置从感性无功工作状态切换到容性无功工作状态需要一个工频周期，表现出良好的动态响应性能。需要根据系统运行情况设定电压范围，如10.5～11.2kV，低于下、上限值，SVG设备开始调节，且保持在合理范围。