摘要：光伏电站配置无功补偿装置可提高光伏输送容量和系统的稳定性，并防止电压崩溃。目前电力系统中最常用的无功补偿装置为SVG，本文深入研究了SVG的工作原理和系统构成，并针对光伏电站的无功补偿范围、补偿位置及补偿容量进行了理论分析与计算。最后，以某个专线接入的大型光伏电站为例提出了无功配置方案，研究结果对光伏电站的工程设计及无功补偿技术研究具有指导作用。 0引言 光伏电站接入电网改变了系统的潮流分布，当接入容量过大时会造成并网点电压越限。同时，外界环境光照、温度的变化会引起并网点有功功率输出发生波动，调节系统的无功输出可以稳定并网点电压［1］；此外，当电网发生故障时，并网点电压跌落，光伏电站若具备一定的无功输出可以为系统提供必要的电压支撑［2-3］。 光伏逆变器能产生一定的无功功率，但日照强度充沛时，逆变器的有功输出较高，无功功率很小，甚至不足以补偿升压变压器的无功功率损耗［4］，从而造成光伏电站功率因数的低下。因此，具有一定规模的并网光伏电站应配置无功补偿装置，当光伏电站夜间有功出力为零时，亦可作为线路无功补偿装备，提高线路输电能力［5］。目前电力系统中常用的无功补偿装置为SVG(staticvargenerator，SVG)型动态无功补偿装置，本文就SVG装置原理、系统构成及补偿容量进行研究，为光伏电站的系统设计提供一定的参考依据。 1SVG无功补偿装置 1.1SVG原理概述 SVG型无功补偿装置是一种IGBT全控式有源型无功发生器，能动态地发出和吸收无功功率，其等效电路如图1所示。其功率模块是由多个IGBT元器件与电容器串并联而成的自换相桥式电路，通过电抗器并联在电网上［6］。电抗器能有效地抑制SVG开关频率纹波电流所衍生的高次谐波，使SVG输出的无功功率能够更加平滑地调节，防止因冲击电流而发生故障［7］。桥式电路串联形成多电平结构（见图1中SVG功率模块），控制各导通角即可产生接近于正弦波的阶梯波。  图1中L为链接电抗器，R为等效的桥式电路与电抗器的损耗，UI、I分别为桥式电路的输出电压、电流，US为电网电压。当UI＜US时，电流I滞后于电压UI，SVG处于感性工作模式，从电网吸收无功功率。当UI＞US时，电流I超前于电压UI，SVG处于容性工作模式，发出无功功率。 桥式电路可以等效为幅值和相位均可控制、与电网同频率的交流电压源。调节交流侧输出电压相位和幅值就可以控制SVG吸收和发出无功功率［8-9］。SVG电流、电压关系如图2表示，图中φ为链接电抗器阻抗角；δ角为UI与US相位差；UL为电感X与电阻R上电压向量和；I为流过电感L与电阻R上的电流，也是SVG从电网侧吸收的电流。  控制UL进而可以控制I［10］。而UL同时也是US与UI的向量差:UL=US-UI。改变UI幅值的大小或改变相位差δ，就可调节SVG与系统的无功交换［11］。 1.2SVG系统构成 SVG装置由功率模块、启动装置和控制装置构成。根据接线形式的不同SVG又可分为降压式和直挂式。通过连接变升压至系统电压等级的接线形式为降压式，增加连接变的阻抗，即可实现抑制高次谐波的功能，故降压式接法可省去电抗器。降压式SVG技术相对成熟可靠，但单套容量较小，适用于12Mvar以下；直挂式SVG单套设备容量可以做到较大，但价格及技术成熟度都有待提高。控制装置是SVG实现无功输出容量控制的核心单元。兼具有故障信息上送、保护、数据采集与处理和提供交直流电源等功能。SVG逻辑原理及接线图如图3所示，控制装置从系统获取电压、电流信号，通过内置的DSP芯片进行分析运算，从而产生各IGBT模块的触发信号。电压、电流信号可从下节图4中母线PT和总出线测量CT上采样。  图3SVG逻辑原理及接线示意图中SVG控制合闸的闭锁关系为：隔离开关合闸后，控制装置接收到接地开关常开点信号，启动SVG装置，正常运行后由控制装置发出信号合进线开关柜断路器。当SVG发生故障时，控制装置可跳开进线开关柜断路器，迅速隔离故障。 2光伏电站无功补偿设计 2.1光伏电站无功补偿位置 光伏电站无动补偿范围及补偿位置如图4所示，他是一个光伏电站35kV汇集站典型接线图。根据GB/T29321—2012《光伏电站无功补偿技术规范》中7.1.1条：光伏电站可在升压变压器的低压侧（图42号位置）配集中无功补偿装置。无集中升压变压器的光伏电站可在汇集点（图4中1号位置）安装集中无功补偿装置［12］。  2.2光伏电站无功补偿容量研究 根据Q/GDW617—2011《光伏电站接入电网技术规定》：对于专线接入公用电网的大型光伏电站，其配置的容性无功容量能够补偿光伏电站满发时站内汇集系统、主变压器的全部感性无功及光伏电站送出线路中的一半感性无功之和，其配置的感性无功容量能够补偿光伏电站送出线路的一半充电无功功率［13］，如图4反映的光伏电站无功补偿范围，当然也有补偿位置。总而言之，光伏电站无功补偿容量由3部分构成：线路的无功损耗、线路的充电功率和变压器无功损耗。 2.2.1线路的无功损耗 线路中的电抗会产生感性的无功功率，此外，线路对地的电容也会产生容性的充电功率。光伏电站站内的线路通常是电缆线路，但是建在偏远地区，距离上级变电站较远的光伏电站，其送出线路通常是架空线路。 1）线路产生的感性无功功率。设S为通过线路的实际容量；UN为线路的额定线电压，kV；x、x′分别为电缆、架空线单位长度的感抗，Ω/km；l、l′分别为电缆、架空线路的长度，km。 电缆线路产生的感性无功功率为  架空线路产生的感性无功功率  2）线路产生的容性充电功率。设f为电力系统频率，HZ；c为单位长度导线单相对地电容，μF/km。电缆线路产生的容性充电功率为  架空线路产生的容性充电功率为：  2.2.2变压器的无功损耗 光伏站内升压变压器的无功损耗由空载无功损耗和短路无功损耗组成。空载无功损耗与变压器短路电流有关，是1个固定的值；短路无功损耗与变压器的短路电压有关，随实际所发电量变化［14］。变压器无功损耗为  式中：Q0为变压器空载无功损耗；QV为变压器短路无功损耗；US%为电压器短路电压百分数，I0%为空载电流百分数；SN为变压器的额定容量（MVA），S为变压器的视在功率（MVA）。 3工程实例分析 以某30MWp大型地面光伏电站为例进行分析，该大型地面光伏电站由30个1MWp的发电单元组成，各发电单元采用就地逆变的方式，经1台1000kVA的双分裂绕组箱式变压器升压至35kV。每5台箱变的高压侧并联为1个联合进线，共6个联合进线，联合进线单元分别接入35kV开关站的母线，通过5.7km（LGJ-3*240）的架空线专线接入上级变电站。35kV汇集线ZR-YJV22-26/35-3*70电缆长度5.115km，ZR-YJV22-26/35-3*95电缆长度5.55km；变压器空载电流I0%=0.4，短路电压百分数 US%=6.5。线路参数见表1。  3.1光伏电站产生的感性无功功率 电缆线路产生的感性无功为 满发情况下一半送出线路产生的感性无功为 30台升压变产生的感性无功为 应配置的容性无功补偿容量即为光伏电站产生的感性无功总功率为 3.2光伏电站产生的容性无功功率 电缆线路产生的容性充电功率为 满发情况下一半送出线路产生的容性充电功率为 应配置的感性无功补偿即为光伏电站产生的容性充电总功率为 光伏电站配置无功补偿装置，不仅要考虑电站本身的无功消耗，必要时还要参加电网调压，为系统提供无功功率支撑［15］。因此，配置无功补偿容量必须考虑一定的裕度。本项目为专线接入、无集中升压变的大型光伏电站，推荐在开关站35kV母线侧配置1组-2Mvar~+6Mvar的动态无功补偿装置SVG，动态调节的响应时间不应大于30ms，该光伏电站2015年5月1日运行1天内的无功功率曲线如图5所示。 4结束语 以光伏电站无功补偿技术为研究对象，深入研究SVG的补偿原理、系统构成及控制逻辑，并对光伏电站无功补偿安装位置、补偿范围及无功消耗容量进行了分析与计算。依据本文提出的补偿原则，以某30MWp专线接入的大型光伏电站为例，经分析计算给出了该项目无功补偿技术方案。采用的计算方法和配置原则适用于不同容量和等级的光伏系统中，对光伏电站工程设计具有指导作用。 赵萌萌，江新峰，胡琴洪，龚晓伟，牛高远 国网许继集团有限公司 |
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