大型并網(wǎng)風(fēng)電場和光伏電站內(nèi)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用技術(shù)研究

廣東陽江港港務(wù)股份有限公司 馬廣平

近年來由于清潔能源發(fā)展的需求，國家大力推進(jìn)新能源行業(yè)，包括風(fēng)電和光伏在內(nèi)的新能源發(fā)展較快，發(fā)電量逐年上升，但與此同時(shí)新能源發(fā)電并網(wǎng)帶來的問題逐漸凸顯。風(fēng)電受風(fēng)速影響，電壓波動(dòng)明顯，威脅到電網(wǎng)穩(wěn)定。而光伏電站受日照和溫度等因素影響，嚴(yán)重時(shí)電壓波動(dòng)引發(fā)繼電保護(hù)、直接導(dǎo)致脫網(wǎng)[1]。所以從穩(wěn)定電壓保運(yùn)行的角度出發(fā)，要采取相應(yīng)的技術(shù)來對(duì)風(fēng)電和光伏發(fā)電的電壓實(shí)施有效控制。

1 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償主要技術(shù)

1.1 各類動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)

本文重點(diǎn)研究近年來廣泛應(yīng)用的靜止無功補(bǔ)償器（簡稱SVC）和靜止無功發(fā)生器（簡稱SVG）動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)，其中SVG 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)因其響應(yīng)速度快、并網(wǎng)性能優(yōu)秀而逐漸被廣泛應(yīng)用。

1.1.1 SVC 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)裝置

SVC 采用晶閘管控制電抗器，補(bǔ)償速度較快、調(diào)節(jié)順暢，能夠給予動(dòng)態(tài)電壓的支持，主要類型有TCR 型和MCR 型兩種類型。

TCR 型SVC。該類型SVC 由雙重濾波電容器組和單體晶閘管控制電抗器構(gòu)成（圖1），其中濾波電容器組是常規(guī)電容器與電感聯(lián)合構(gòu)成，能夠自我監(jiān)測整體電路系統(tǒng)的變化程度，然后自行算出補(bǔ)充的需求變化量，最后通過晶閘管的控制角調(diào)節(jié)電抗器的基波分量電流，保證無間斷控制電抗器的無功功率，其值等于感性無功功率和容性無功功率相互作用后的無功功率凈值。

圖1 TCR 型SVC 結(jié)構(gòu)示意圖

MCR 型SVC。該類型SVC 由雙重濾波電容器組和一套磁控電抗器構(gòu)成，其中磁控電抗器主要組成部分是可控硅模塊和電抗器。MCR 型SVC 采取直流助磁效應(yīng)，應(yīng)用可控硅導(dǎo)通角來改變經(jīng)過電抗的直流勵(lì)磁電流，以實(shí)現(xiàn)順暢改變電抗器的感性無功功率，而其感性無功功率欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償電容器組容性無功功率后的無功功率，為MCR 型SVC 輸出的無功功率值。

1.1.2 SVG 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)裝置

靜止無功發(fā)生器（簡稱SVG）是全控有源型無功發(fā)生器的一種。此類裝置是通過電抗器和橋式變流模塊的對(duì)接，采用調(diào)整橋式變流模塊的輸出電壓相位、上下限值，或是控制其交流一側(cè)使得線路吸收或發(fā)出無功電流，最終實(shí)現(xiàn)電壓平穩(wěn)調(diào)節(jié)，并且響應(yīng)靈敏度極高。SVG 分為電流型和電壓型兩種形式（圖2）。

圖2 兩種類型的SVG 主電路結(jié)構(gòu)示意圖

電流型SVG 直流側(cè)儲(chǔ)能部件是電感類型，而電壓型SVG 直流側(cè)儲(chǔ)能部件是電容類型，前者需要并聯(lián)電容器用來抵消換相伴生的過電壓，而后者需要串聯(lián)電抗器以順利并網(wǎng)，從成本和自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上來看，電壓型SVG 的性能突出且能耗較低，所以目前廣泛應(yīng)用的SVG 類型以電壓型SVG 為主流。

1.1.3 SVC 與SVG 的比較

結(jié)合響應(yīng)速度、功耗和有效質(zhì)量周期等指標(biāo)綜合來分析，SVC 和SVG 相比較而言，SVG 的綜合性價(jià)比較為明顯，也成為近年來發(fā)展較快、應(yīng)用較為廣泛的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)。隨著動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)的完善和發(fā)展，近年來也出現(xiàn)了通過SVG 和固定電容器（Fixed Capacitor，簡稱FC）結(jié)合來擴(kuò)容補(bǔ)償能力的技術(shù)，先由FC 初步補(bǔ)償，然后再采用SVG 技術(shù)持續(xù)補(bǔ)償，此方法能夠在一定程度上節(jié)約投資成本，但是應(yīng)用范圍受限于10kV 的低壓電網(wǎng)，在高壓電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，不可避免的仍然要采用SVG 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)裝置[1]。

1.1.4 SVG 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)在風(fēng)電場和光伏電站作用

本文重點(diǎn)研究SVG 該項(xiàng)應(yīng)用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)，目前其已在風(fēng)電場和光伏電站發(fā)揮著重要作用。一是該項(xiàng)技術(shù)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)男阅茏吭?，容性和感性的補(bǔ)償特點(diǎn)突出，二者協(xié)同運(yùn)作使得無功補(bǔ)償全程平穩(wěn)順暢，采用功率因子來衡量，在合理選用型號(hào)的前提下，可以達(dá)到近乎1.0的功率因子數(shù)值；二是SVG 的限制諧波性能明顯，該項(xiàng)技術(shù)采用橋式主電路技術(shù)，能夠抵消逆變器發(fā)出的低次級(jí)諧波，但是會(huì)保留一部分高次級(jí)諧波，降幅較低。這樣就就省去了冗余的諧波消除設(shè)備。

2 SVG 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)實(shí)際應(yīng)用研究

2.1 SVG 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用配置設(shè)計(jì)研究

在風(fēng)電場和光伏電站進(jìn)行SVG 配置設(shè)計(jì)時(shí)，需要以發(fā)電實(shí)際的無功補(bǔ)償容量作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，著重分析補(bǔ)償?shù)牧考?jí)和范圍。本文以光伏電站的SVG 選型相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)作為主要研究方面。設(shè)計(jì)步驟首先要進(jìn)行容性無功補(bǔ)償量的計(jì)算，等同于變壓器的無功損耗量、線路無功損耗率和充電功率三者之和，而其感性無功補(bǔ)償容量要與線路的全部充電功率相匹配，能夠滿足其全部補(bǔ)償量，公式如下。

光伏電站無功損耗計(jì)算方法：Qa=(Uk%Q2s/+IR%/100)QN，其中：Qa為電站變壓器無功損耗量（kVar），Uk%為電站變壓器短路電壓值，IR%為電路空載時(shí)電流百分?jǐn)?shù)，Qs為電站變壓器的視功率（kVA），QN為電站變壓器的額定容量（kVA）。

光伏電站總線路的無功損耗計(jì)算方法：Q0= 3I2NZ，其中：Q0為線路電抗附加無功損耗量（kVar），IN為線路額定電流值（A），Z為線路的阻抗；光伏電站線路充電功率值計(jì)算方法：Qe= 2πCLU2N×10-3，其中：f 為線路電頻（50Hz），CL為單位長度線路的單相對(duì)地電容值（uF/km），L 為線路長度（km），UN為線路額定電壓（kV）。

2.2 SVG 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)在大型并網(wǎng)風(fēng)電場應(yīng)用情況分析

國內(nèi)早期時(shí)候應(yīng)用SVC 技術(shù)裝置比較多，因其響應(yīng)靈敏度較低，部分SVC 裝置還未開發(fā)自動(dòng)投切的模塊，無法滿足持續(xù)補(bǔ)償、穩(wěn)定電壓的需要，所以逐漸被SVG 技術(shù)所替代，目前國內(nèi)新建的大型風(fēng)電場均采用SVG 技術(shù)。以哈密某風(fēng)電規(guī)模100MWp 的風(fēng)電場為例，在電壓波動(dòng)時(shí)，SVG 能夠時(shí)時(shí)控制無功功率，保持功率因數(shù)值在0.98以上，響應(yīng)靈敏度低于5ms，110kV 母線的諧波電壓各類指標(biāo)符合《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549-93)標(biāo)準(zhǔn)，并且電壓三相不平衡度低于1.3%，電壓波動(dòng)變化值低于1.5%，穩(wěn)定在115kV 左右。從各類指標(biāo)看穩(wěn)壓效果明顯。

SVG 的應(yīng)用在近年來的大型并網(wǎng)風(fēng)電場中存在一些著重注意的方面：一是SVG 鎖相環(huán)調(diào)節(jié)等參數(shù)不合理時(shí)，會(huì)影響總電網(wǎng)內(nèi)部超同步振蕩的發(fā)生率；二是單臺(tái)運(yùn)行的SVG 裝置不能完全達(dá)到動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)囊?，在恒電壓的控制模式下，其?shù)量的增加或者增加容量的方法對(duì)整體電網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩收斂有利，若不增加SVG 數(shù)量，可以考慮采取恒無功控制模式，但是對(duì)單臺(tái)SVG 容量要求較高；三是目前早期的SVG 裝置還沒有實(shí)現(xiàn)強(qiáng)補(bǔ)的整改、需要整體替換，投入較大。

2.3 SVG 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)在光伏電站內(nèi)應(yīng)用情況分析

國內(nèi)現(xiàn)有110kV 光伏電站應(yīng)用SVG 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)時(shí)，電壓的變化波動(dòng)得到明顯改善。在該電站35kV 的母線電壓差值下降到2.3%，而10kV 的母線波動(dòng)也在5%以下，總功率因數(shù)值保持在0.99～1之間，響應(yīng)靈敏度控制在了15ms 范圍內(nèi)。可見SVG 在光伏電站內(nèi)取得了良好的電壓穩(wěn)定效果。

但是從國內(nèi)目前在光伏電站運(yùn)行的SVG 技術(shù)情況看，也存在一些問題，主要集中在鏈接驅(qū)動(dòng)、鏈接發(fā)熱、鏈接電源驅(qū)動(dòng)和相關(guān)工作模塊故障等方面，其中發(fā)熱和故障占據(jù)了問題的一半以上比例，其原因基本為現(xiàn)場施工時(shí)的硬件保護(hù)工作沒有做到位，另外電池模塊國產(chǎn)率已經(jīng)非常高，其故障比例較為明顯，使得發(fā)熱情況普遍存在，此外還有光纜的布線合理性和質(zhì)量優(yōu)劣等，都對(duì)SVG 的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，所以國內(nèi)光伏電站SVG 技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)應(yīng)該是放在現(xiàn)場施工和供應(yīng)鏈質(zhì)量方面。

綜上，伴隨風(fēng)電和光伏等新能源的快速發(fā)展，針對(duì)其電壓不穩(wěn)定的問題，需要采取相應(yīng)的技術(shù)來彌補(bǔ)其不足。而采取SVG 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)，合理的選擇參數(shù)進(jìn)行配置設(shè)計(jì)，在安裝施工和產(chǎn)品配件供應(yīng)鏈質(zhì)量上來保障SVG 技術(shù)裝置的順利投用，從實(shí)際應(yīng)用情況證明，該項(xiàng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)能夠很好的起到穩(wěn)定風(fēng)電場和光伏電站并網(wǎng)電壓的作用，從而為風(fēng)電和光伏發(fā)電的未來發(fā)展發(fā)揮可靠的保障作用。