大型并网风电场和光伏电站内动态无功补偿的应用技术研究

广东阳江港港务股份有限公司 马广平

近年来由于清洁能源发展的需求，国家大力推进新能源行业，包括风电和光伏在内的新能源发展较快，发电量逐年上升，但与此同时新能源发电并网带来的问题逐渐凸显。风电受风速影响，电压波动明显，威胁到电网稳定。而光伏电站受日照和温度等因素影响，严重时电压波动引发继电保护、直接导致脱网[1]。所以从稳定电压保运行的角度出发，要采取相应的技术来对风电和光伏发电的电压实施有效控制。

1 动态无功补偿主要技术

1.1 各类动态无功补偿技术

本文重点研究近年来广泛应用的静止无功补偿器（简称SVC）和静止无功发生器（简称SVG）动态无功补偿技术，其中SVG 动态无功补偿技术因其响应速度快、并网性能优秀而逐渐被广泛应用。

1.1.1 SVC 动态无功补偿技术装置

SVC 采用晶闸管控制电抗器，补偿速度较快、调节顺畅，能够给予动态电压的支持，主要类型有TCR 型和MCR 型两种类型。

TCR 型SVC。该类型SVC 由双重滤波电容器组和单体晶闸管控制电抗器构成（图1），其中滤波电容器组是常规电容器与电感联合构成，能够自我监测整体电路系统的变化程度，然后自行算出补充的需求变化量，最后通过晶闸管的控制角调节电抗器的基波分量电流，保证无间断控制电抗器的无功功率，其值等于感性无功功率和容性无功功率相互作用后的无功功率净值。

图1 TCR 型SVC 结构示意图

MCR 型SVC。该类型SVC 由双重滤波电容器组和一套磁控电抗器构成，其中磁控电抗器主要组成部分是可控硅模块和电抗器。MCR 型SVC 采取直流助磁效应，应用可控硅导通角来改变经过电抗的直流励磁电流，以实现顺畅改变电抗器的感性无功功率，而其感性无功功率欠补偿或过补偿电容器组容性无功功率后的无功功率，为MCR 型SVC 输出的无功功率值。

1.1.2 SVG 动态无功补偿技术装置

静止无功发生器（简称SVG）是全控有源型无功发生器的一种。此类装置是通过电抗器和桥式变流模块的对接，采用调整桥式变流模块的输出电压相位、上下限值，或是控制其交流一侧使得线路吸收或发出无功电流，最终实现电压平稳调节，并且响应灵敏度极高。SVG 分为电流型和电压型两种形式（图2）。

图2 两种类型的SVG 主电路结构示意图

电流型SVG 直流侧储能部件是电感类型，而电压型SVG 直流侧储能部件是电容类型，前者需要并联电容器用来抵消换相伴生的过电压，而后者需要串联电抗器以顺利并网，从成本和自身结构复杂程度上来看，电压型SVG 的性能突出且能耗较低，所以目前广泛应用的SVG 类型以电压型SVG 为主流。

1.1.3 SVC 与SVG 的比较

结合响应速度、功耗和有效质量周期等指标综合来分析，SVC 和SVG 相比较而言，SVG 的综合性价比较为明显，也成为近年来发展较快、应用较为广泛的动态无功补偿技术。随着动态无功补偿技术的完善和发展，近年来也出现了通过SVG 和固定电容器（Fixed Capacitor，简称FC）结合来扩容补偿能力的技术，先由FC 初步补偿，然后再采用SVG 技术持续补偿，此方法能够在一定程度上节约投资成本，但是应用范围受限于10kV 的低压电网，在高压电网并网时，不可避免的仍然要采用SVG 动态无功补偿技术装置[1]。

1.1.4 SVG 动态无功补偿技术在风电场和光伏电站作用

本文重点研究SVG 该项应用动态无功补偿技术，目前其已在风电场和光伏电站发挥着重要作用。一是该项技术动态无功补偿的性能卓越，容性和感性的补偿特点突出，二者协同运作使得无功补偿全程平稳顺畅，采用功率因子来衡量，在合理选用型号的前提下，可以达到近乎1.0的功率因子数值；二是SVG 的限制谐波性能明显，该项技术采用桥式主电路技术，能够抵消逆变器发出的低次级谐波，但是会保留一部分高次级谐波，降幅较低。这样就就省去了冗余的谐波消除设备。

2 SVG 动态无功补偿技术实际应用研究

2.1 SVG 动态无功补偿技术应用配置设计研究

在风电场和光伏电站进行SVG 配置设计时，需要以发电实际的无功补偿容量作为设计基础数据，着重分析补偿的量级和范围。本文以光伏电站的SVG 选型相关参数设计作为主要研究方面。设计步骤首先要进行容性无功补偿量的计算，等同于变压器的无功损耗量、线路无功损耗率和充电功率三者之和，而其感性无功补偿容量要与线路的全部充电功率相匹配，能够满足其全部补偿量，公式如下。

光伏电站无功损耗计算方法：Qa=(Uk%Q2s/+IR%/100)QN，其中：Qa为电站变压器无功损耗量（kVar），Uk%为电站变压器短路电压值，IR%为电路空载时电流百分数，Qs为电站变压器的视功率（kVA），QN为电站变压器的额定容量（kVA）。

光伏电站总线路的无功损耗计算方法：Q0= 3I2NZ，其中：Q0为线路电抗附加无功损耗量（kVar），IN为线路额定电流值（A），Z为线路的阻抗；光伏电站线路充电功率值计算方法：Qe= 2πCLU2N×10-3，其中：f 为线路电频（50Hz），CL为单位长度线路的单相对地电容值（uF/km），L 为线路长度（km），UN为线路额定电压（kV）。

2.2 SVG 动态无功补偿技术在大型并网风电场应用情况分析

国内早期时候应用SVC 技术装置比较多，因其响应灵敏度较低，部分SVC 装置还未开发自动投切的模块，无法满足持续补偿、稳定电压的需要，所以逐渐被SVG 技术所替代，目前国内新建的大型风电场均采用SVG 技术。以哈密某风电规模100MWp 的风电场为例，在电压波动时，SVG 能够时时控制无功功率，保持功率因数值在0.98以上，响应灵敏度低于5ms，110kV 母线的谐波电压各类指标符合《电能质量公用电网谐波》(GB/T14549-93)标准，并且电压三相不平衡度低于1.3%，电压波动变化值低于1.5%，稳定在115kV 左右。从各类指标看稳压效果明显。

SVG 的应用在近年来的大型并网风电场中存在一些着重注意的方面：一是SVG 锁相环调节等参数不合理时，会影响总电网内部超同步振荡的发生率；二是单台运行的SVG 装置不能完全达到动态无功补偿的要求，在恒电压的控制模式下，其数量的增加或者增加容量的方法对整体电网系统次同步振荡收敛有利，若不增加SVG 数量，可以考虑采取恒无功控制模式，但是对单台SVG 容量要求较高；三是目前早期的SVG 装置还没有实现强补的整改、需要整体替换，投入较大。

2.3 SVG 动态无功补偿技术在光伏电站内应用情况分析

国内现有110kV 光伏电站应用SVG 动态无功补偿技术时，电压的变化波动得到明显改善。在该电站35kV 的母线电压差值下降到2.3%，而10kV 的母线波动也在5%以下，总功率因数值保持在0.99～1之间，响应灵敏度控制在了15ms 范围内。可见SVG 在光伏电站内取得了良好的电压稳定效果。

但是从国内目前在光伏电站运行的SVG 技术情况看，也存在一些问题，主要集中在链接驱动、链接发热、链接电源驱动和相关工作模块故障等方面，其中发热和故障占据了问题的一半以上比例，其原因基本为现场施工时的硬件保护工作没有做到位，另外电池模块国产率已经非常高，其故障比例较为明显，使得发热情况普遍存在，此外还有光缆的布线合理性和质量优劣等，都对SVG 的稳定运行产生影响，所以国内光伏电站SVG 技术应用的重点应该是放在现场施工和供应链质量方面。

综上，伴随风电和光伏等新能源的快速发展，针对其电压不稳定的问题，需要采取相应的技术来弥补其不足。而采取SVG 动态无功补偿技术，合理的选择参数进行配置设计，在安装施工和产品配件供应链质量上来保障SVG 技术装置的顺利投用，从实际应用情况证明，该项动态无功补偿技术能够很好的起到稳定风电场和光伏电站并网电压的作用，从而为风电和光伏发电的未来发展发挥可靠的保障作用。