高壓動態(tài)無功補償裝置（SVG）的光伏項目的應(yīng)用案例

本文介紹了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的高壓動態(tài)無功補償裝置（SVG）在華電汶上光伏項目的應(yīng)用情況。從SVG的工作原理、特性及在無功補償方面的作用等方面進行了分析，闡明了SVG在發(fā)電站、尤其是光伏及風(fēng)電工程的重要作用。

1、引言

華電山東新能源有限公司汶上分公司，位于山東省濟寧市汶上縣郭樓鎮(zhèn)，占地面積4200畝，總裝機容量為100MW，是國家光伏領(lǐng)跑技術(shù)基地示范項目，于2018年5月31日順利并網(wǎng)發(fā)電。該工程于2018年4月列入山東省新舊動能轉(zhuǎn)換重大工程優(yōu)選典型項目。該項目地處采煤沉陷區(qū)，采用"農(nóng)光互補"新型發(fā)展模式，有效利用采煤沉陷區(qū)土地和太陽能資源，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與光伏發(fā)電有機結(jié)合，上層用于光伏發(fā)電，下層用于大棚種植，充分實現(xiàn)土地的深度利用。借助光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和觀光旅游，實施集約化生產(chǎn)和企業(yè)化經(jīng)營，對促進當?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/" target="_blank">工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推進技術(shù)進步，培育新的經(jīng)濟增長具有重要的經(jīng)濟價值和社會意義，是貫徹落實鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要實踐。

該工程具有良好的生態(tài)和社會效益，項目投運后不僅可以增加綠化面積，加快山東省新舊動能的轉(zhuǎn)換腳步，還可以吸引農(nóng)村勞動力，增加農(nóng)民收入。同時每年可減少標煤消耗約4.69萬噸，相應(yīng)每年減少煙塵102噸/年，SO2816.82噸/年，NOX1225.3噸/年，CO211.23萬噸/年，灰渣1.70萬噸/年。對當?shù)氐纳鷳B(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

2、發(fā)電廠無功的實現(xiàn)

從電力電子學(xué)的角度來說，對于發(fā)電廠，既要向用戶提供一定的有功能量，供用戶的用電設(shè)備使用，如各種電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，各種電熱設(shè)備將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芄┪覀兪褂?，各種照明設(shè)備將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，供人們生活和工作用。但同時也必須發(fā)送一定的無功功率。它是用于電路內(nèi)電廠與磁場的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。它不對外做功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，都需要消耗無功功率。無功功率絕不是無用功率，它的用處很大，電動機需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動從而帶動機械運動，電動機的轉(zhuǎn)子磁場就是從電源取得無功功率而建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉(zhuǎn)動，變壓器也不能變壓，交流接觸器也不能吸合。這就好比人吃飯，每次盛一碗飯吃，吃完又去盛一碗飯吃，對人而言，飯相當于對人做有功，而碗就是做無功。

在電網(wǎng)中，有功與無功都要保持相對平衡，否則系統(tǒng)的頻率電壓就無法維持在額定范圍內(nèi)。

而對于火力發(fā)電廠來說，一般不需要專用的無功補償設(shè)備，這是因為發(fā)電機本身就是一個無功補償設(shè)備，在其發(fā)出電力的同時，如果提高勵磁電壓，就會發(fā)出感性無功，如果減少勵磁電壓，就會發(fā)出容性無功。

但是對于光伏發(fā)電站來說，由于沒有發(fā)電機，無法靠改變勵磁電壓來改變線路內(nèi)的無功，因此必須采用專用的無功補償裝置，保證電網(wǎng)可靠的穩(wěn)定經(jīng)濟運行。而這種專用的無功補償裝置，現(xiàn)在通常采用的就是靜止無功補償裝置，簡稱SVG。

3、SVG動態(tài)無功補償裝置的介紹

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展，新能源的大量并網(wǎng)、大容量的電力電子設(shè)備等非線性負荷和沖擊性負荷的廣泛應(yīng)用，帶來了嚴重的電能質(zhì)量問題：

◆功率因數(shù)低，電網(wǎng)損耗增加，生產(chǎn)成本加大，生產(chǎn)效率降低。

◆產(chǎn)生的無功沖擊引起電網(wǎng)電壓波動及閃變，嚴重時導(dǎo)致傳動裝置及保護裝置無法正常工作甚至停產(chǎn)。

◆電網(wǎng)三相不平衡，產(chǎn)生負序電流使電機轉(zhuǎn)子發(fā)生振動。

◆產(chǎn)生高次諧波電流，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓畸變。

◆電容器組諧振及諧波電流放大，使電容器過負荷或過電壓，甚至燒毀。

◆增加變壓器損耗，引起變壓器發(fā)熱。

◆導(dǎo)致電力設(shè)備發(fā)熱，電機力矩不穩(wěn)甚至損壞。

◆加速電力設(shè)備絕緣老化，易擊穿。

◆降低電弧爐生產(chǎn)效率，增加損耗。

◆干擾通訊信號。

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對無功功率進行控制與補償?shù)谋匾耘c日俱增。

■輸電網(wǎng)絡(luò)對運行效率的要求日益提高，為了有效利用輸變電容量，應(yīng)對無功進行就地補償。

■電源（尤其水電、光伏等新能源）遠離負荷中心，遠距離的輸電需要靈活控制無功以支撐解決穩(wěn)定性及電壓控制問題。

■配電網(wǎng)中存在大量電感性負載，在運行中需要大量無功，使得配電系統(tǒng)損耗大大增加。

■直流輸電系統(tǒng)要求在換流器的交流側(cè)進行無功控制。

■用戶對于供電電能質(zhì)量的要求日益提高，獲得經(jīng)濟效益的目的日益明確，對電網(wǎng)的無功進行補償，尤其是就地無功補償，在輸配電系統(tǒng)中便顯得十分必要。

目前最理想的解決方案就是采用SVG(StaticVarGenerator-靜止無功發(fā)生器)也稱STATCOM（StaticSynchronousCompensator的簡稱)，其主要作用是：

提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、增加輸電能力、消除無功沖擊、抑制諧波、平衡三相電網(wǎng)，降低損耗、節(jié)能減排。

其基本原理是將橋式變流電路通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)，適當調(diào)節(jié)橋式變流電路輸出電壓的相位和幅值或者直接調(diào)節(jié)其輸出電流，使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功功率，從而實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?/p>

SVG型動態(tài)無功補償與諧波治理裝置的運用是目前最先進的動態(tài)無功補償技術(shù)，最成熟的電壓源型變流器技術(shù)，使得無功補償裝置實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。無功補償不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量的變換。

SVG動態(tài)無功補償裝置是以IGBT為核心的無功補償系統(tǒng)，能夠快速連續(xù)地提供容性或感性無功功率，實現(xiàn)考核點恒定無功、恒定電壓和恒定功率因數(shù)的控制等，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運行。在配電網(wǎng)中，將中小容量的SVG產(chǎn)品安裝在某些特殊負荷（如電弧爐）附近，可以顯著地改善負荷與公共電網(wǎng)連接點處的電能質(zhì)量，例如提高功率因數(shù)、克服三相不平衡、消除電壓閃變和電壓波動、抑止諧波污染等。

4新風(fēng)光高壓SVG產(chǎn)品的主要特點：

新風(fēng)光SVG系列產(chǎn)品采用現(xiàn)代電力電子、自動化、微電子及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，采用先進的瞬時無功功率理論和基于同步坐標變換的功率解耦算法，以設(shè)定的無功性質(zhì)及大小、功率因數(shù)、電網(wǎng)電壓為控制目標運行，動態(tài)的跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化調(diào)節(jié)無功輸出，并能實現(xiàn)曲線設(shè)定運行，提升電網(wǎng)質(zhì)量。

易操作、高性能、高可靠性的SVG系列產(chǎn)品為滿足用戶對提高輸配電電網(wǎng)的功率因數(shù)、治理諧波、補償負序電流的迫切需求做出相應(yīng)設(shè)計，具有以下特點：

●模塊化設(shè)計，安裝、調(diào)試、設(shè)定簡便。

●動態(tài)響應(yīng)速度快，響應(yīng)時間≤5ms。

●在補償容量足夠的前提下，輸出電流諧波（THD）≤3%。

●多種運行模式極大地滿足用戶需求，運行模式有：恒裝置無功功率模式、恒考核點無功功率模式1、恒考核點功率因數(shù)模式、恒考核點電壓模式、恒考核點無功功率模式2，目標值可實時更改。

●實時跟蹤負荷變化，動態(tài)連續(xù)平滑補償無功功率，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，實時治理諧波，補償負序電流，提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。

●抑制電壓閃變，改善電壓質(zhì)量，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。

●SVG電路參數(shù)精心設(shè)計，發(fā)熱量小，效率高，運行成本低

●設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。

●主電路采用IGBT組成的H橋功率單元鏈式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每相由多個相同功率單元組成，整機輸出由PWM波形疊加而成的階梯波，逼近正弦，經(jīng)輸出電抗濾波后正弦度良好。

●SVG采用冗余性設(shè)計和模塊化設(shè)計，滿足系統(tǒng)高可靠性的需求。

●功率電路模塊化設(shè)計，維護簡單，互換性好。

●保護功能齊全，具有過壓、欠壓、過流、單元過熱、不均壓等保護，并能實現(xiàn)故障瞬間的波形錄制，便于確定故障點，易維護，運行可靠性高。

●人機界面友好顯示，對外通訊提供了RS-485、以太網(wǎng)等接口，采用標準Modbus通訊協(xié)議。除具有實時數(shù)字量及模擬量的顯示、運行歷史事件記錄、歷史曲線記錄查詢、單元狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)信息查詢、歷史故障查詢等功能外，還具有送電后系統(tǒng)自檢、一鍵開停機、分時控制、示波器（AD通道強制錄波）、故障瞬間電壓/電流波形記錄等特色功能。

●SVG設(shè)計包含與FC配合使用的接口，實現(xiàn)定補和動補的有效結(jié)合，為用戶提供更經(jīng)濟，更靈活的補償方案。

●投切時無暫態(tài)沖擊，無合閘涌流，無電弧重燃，無需放電即可再投。

●與系統(tǒng)連接時，不需要考慮交流系統(tǒng)相序，連接方便。

●可并聯(lián)安裝，極易擴展容量。并機運行使用光纖通訊，通訊速度快，能夠完好的滿足實時補償?shù)囊蟆?/p>

5、SVG的基本原理

SVG系列產(chǎn)品的原理示意圖如圖2所示。在交流電路中，電壓和電流的相位有三種情況，當負載呈現(xiàn)純電阻特性時，電壓和電流相位相同；當負載呈現(xiàn)電感特性時，電壓相位超前電流相位；當負載呈現(xiàn)電容特性時，電壓相位滯后電流相位。

圖2SVG原理圖

SVG系列產(chǎn)品基本原理就是將自換相橋式電路通過變壓器或者電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康模绫?所示

6、高壓SVG的主電路結(jié)構(gòu)

高壓SVG系列產(chǎn)品的主電路采用鏈式拓撲結(jié)構(gòu)，模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，星型及三角形的連接方式實現(xiàn)不同容量下的最大性價比，既保證用戶投資的有效性，又保障了電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)的運行。星型接法的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3SVG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制柜與功率柜信號通過光纖進行隔離控制，實現(xiàn)了高低壓的可靠隔離。SVG系列產(chǎn)品系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)上做出了極大的改進處理，使維護更方便。控制柜進行了嚴格的抗干擾處理，保障控制系統(tǒng)不受高壓主回路的影響。功率模塊（單元）的改善使得功率柜占地面積更小，極大節(jié)省了用戶設(shè)備空間，減少了投資。

功率柜主要由功率單元組成，構(gòu)成了SVG無功補償?shù)闹黧w。功率單元分三相安裝，每相單元個數(shù)相等，單元輸出波形疊加成整機輸出波形。每個功率單元都承受全部的輸出電流、1/N的相電壓、1/(3N)的輸出功率。單元模塊工作時會產(chǎn)生部分熱量，由柜頂或后柜門設(shè)計的風(fēng)機強制散熱。功率柜單元排布如圖4所示。每個功率單元均具有完善的保護功能（過流、過壓、過溫、驅(qū)動觸發(fā)異常、通訊異常等），各單元狀態(tài)均反饋到主控系統(tǒng)，控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。

功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得功率單元可以任意互換，單元的外部接口只有兩個或四個輸出端子及兩個光纖插口，這使得維護和檢修更簡單。在單元已有冗余的情況下其它功率單元發(fā)生故障，用戶可以簡單更換備用功率單元，為恢復(fù)生產(chǎn)贏得寶貴時間。

每個單元通過IGBT逆變橋?qū)崿F(xiàn)正弦PWM控制，可得到如圖5所示的單元輸出波形。

圖5單元輸出波形

單元鏈接后三相之間進行星型或角型連接并通過電抗接入電網(wǎng)，通過對每個單元的PWM波形的疊加，可得到逼近正弦的階梯PWM波形，如圖6所示為星型連接的單相波形。

圖6星型連接的單相波形

SVG系列產(chǎn)品采用了先進的數(shù)字化標準載波移相技術(shù)，它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消，串聯(lián)后又經(jīng)過輸出電抗器濾波，總輸出波形正弦度好，dv/dt小，諧波成分含量小，可減少對電纜的絕緣損壞，在輸出側(cè)無需再增加輸出濾波器。

7、SVG的應(yīng)用領(lǐng)域

SVG系列產(chǎn)品可以增強電力傳輸能力、減小電能損耗、補償無功功率、治理諧波、抑制閃變、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、平衡三相系統(tǒng)、改變系統(tǒng)的阻尼特性、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有較廣的應(yīng)用范圍。

SVG系列產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于石油化工、電力系統(tǒng)、冶金、電氣化鐵路、城市建設(shè)等行業(yè)中，為各種異步電動機、變壓器、晶閘管變流器、變頻器、感應(yīng)爐、電弧爐、照明設(shè)備、電力機車、提升機、起重機、沖壓機、風(fēng)力發(fā)電機、電焊機、軋鋼機、電阻爐、石英熔煉爐等設(shè)備提供高質(zhì)量、高可靠性的無功補償?shù)慕鉀Q方案。

（1）石油、化工、礦山、碼頭、重型工業(yè)：

a穩(wěn)定供電電壓；

b給較多中低壓電機供電的變電站集中補償；

c大型電機的無功就地動態(tài)補償；

d對各類粉碎機、破碎機、球磨機進行無功集中補償；

e減少牽引傳動裝置的無功波動與諧波；

f大型起重機設(shè)備、船閘控制系統(tǒng)、鍛造設(shè)備等的集中補償；

（2）鋼鐵、冶金：

a提高功率因數(shù)降低無功損耗；

b降低電壓波動，抑制閃變，提高生產(chǎn)效率；

c濾除諧波，保障設(shè)備安全；

d平衡負序；

（3）城市配網(wǎng)及農(nóng)網(wǎng)供電：

a提高功率因數(shù)降低無功損耗；

b解決波動性負荷產(chǎn)生的電壓波動與閃變;；

c穩(wěn)定受電末端電壓；

d適合對多個用戶的無功與諧波集中補償，尤其沖擊型負荷較多的場合；

（4）新能源接入：

a控制風(fēng)電、光伏發(fā)電設(shè)備電源接入點無功，防止無功倒送；

b穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，減少發(fā)電功率波動造成的電壓波動；

c維持接入點電壓，提高低電壓穿越能力；

（5）電氣化鐵道及城市軌道交通行業(yè)：

a牽引供電系統(tǒng)的無功與諧波綜合治理，改善電能質(zhì)量，提高牽引能力，節(jié)能降耗；

b平衡機車負荷產(chǎn)生的負序電流。

8、現(xiàn)場應(yīng)用情況

SVG應(yīng)用現(xiàn)場如圖7所示，現(xiàn)場運行人機界面截圖如圖8所示。

圖8現(xiàn)場運行人機界面

華電山東新能源有限公司汶上分公司，建站后采用了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的SVG產(chǎn)品，型號是FGSVG-C6.5/35-O，共4臺用于電站的動態(tài)無功補償。自2018年投入運行，接近兩年的時間，通過運行實踐，帶來明顯的經(jīng)濟效益，在穩(wěn)定電網(wǎng)質(zhì)量，提高輸配電能力等方面都有很好的效果，具體體現(xiàn)在：

（1）電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。發(fā)電廠自投運以來，由于大部分面向農(nóng)村供電，電網(wǎng)波動比較頻繁。特別在夏季，電網(wǎng)用電高峰，呈現(xiàn)波峰與波谷的交替變換。使用SVG恒電壓補償后，電網(wǎng)電壓基本保持在37.5V，有效保持了輸電電壓的穩(wěn)定，補償了因負載波動因起的電壓波動，保正了輸電的穩(wěn)定性。

（2）提高了功率因數(shù)并保持恒定。光伏電站在白天發(fā)電時由于逆變器的工作，功率因數(shù)較高，而在夜間或陰雨天沒有陽光不發(fā)電時，功率因數(shù)就下降不穩(wěn)定，采用SVG的功率因數(shù)補償后，可將功率因數(shù)補償?shù)?.98以上，保持了功率因數(shù)的穩(wěn)定，提高了輸電效率。

（3）通過SVG的低電壓穿越功能，有效抑制了電網(wǎng)的閃變頻率，提高了電網(wǎng)質(zhì)量。

（4）平衡電網(wǎng)的無功。SVG將考核點接在并網(wǎng)處，能實時的檢測電網(wǎng)的無功，平滑的調(diào)整無功，感性無功高時就補容性無功，容性無功高時就補感性無功，并能平滑的調(diào)節(jié)，保持了電網(wǎng)的無功平衡，利于電網(wǎng)的有功與無功的交換。

（5）調(diào)試方便，通過SVG的恒裝置無功模式，可以自行發(fā)出感性無功或容性無功，檢驗裝置的工作狀態(tài)，確認設(shè)備的正常。

（6）檢修與維護方便。裝置采用功率單元模塊化設(shè)計，當每相不超過2個模塊，總的不超過6個模塊故障時，可采取單元冗余的方式，降額運行。如果有備用單元，可在適當?shù)臅r機停運，停電后進行更換，只是拆掉輸出與光纖及單元固定螺栓即可更換，極大地方便了現(xiàn)場維護，有利于減少停運時間，保持設(shè)備的穩(wěn)定?？傊?，通過現(xiàn)場使用，新風(fēng)光SVG產(chǎn)品在調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功、恒定功率因數(shù)及穩(wěn)定電網(wǎng)電壓方面都具有極大的優(yōu)越性，值得在發(fā)電站及用戶無功補償領(lǐng)域大力推廣。

參考文獻：

[1]石東源,盧炎生.SVG及其在電力系統(tǒng)軟件圖形化中的應(yīng)用初探[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2004，32（16）

[2]高原,韓志盈.SVG結(jié)構(gòu)及工作原理與優(yōu)勢淺析[J].民營科技,2017第11期

編輯：黃飛