光伏無功補償裝置SVG的研究及應(yīng)用

魏秀江

摘 要： 本文主要研究光伏電站并網(wǎng)無功補償裝置SVG（靜止無功補償器），通過介紹SVG的工作原理、基本電路結(jié)構(gòu)，并且建立SVG的數(shù)學(xué)模型，利用具體的模型及理論公式重點分析SVG（靜止無功補償器）及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 光伏電站；SVG；數(shù)學(xué)模型；無功補償

1.SVG（靜止無功補償器）

在光伏電站應(yīng)用中，由于線路阻抗因素的存在，有功輸出增加將導(dǎo)致并網(wǎng)電壓的幅值降低甚至越限，降低了并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。因此，光伏電站在輸送有功功率的同時，需要輸送一定的無功功率來抑制由于有功輸出變化導(dǎo)致的并網(wǎng)電壓幅值波動及越限。

光伏電站的無功控制效果取決與其無功輸出能力。設(shè)每臺并網(wǎng)逆變器的額定功率為Pmax，每臺并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率為Pj，其發(fā)出（感性）或吸收（容性）的無功功率能力可表示為由于光伏并網(wǎng)逆變器自身額定功率即視在功率的限制，并網(wǎng)逆變器有功輸出的增加必然導(dǎo)致無功容量的降低。在一定程度上，光伏電站所需的無功功率是隨著有功輸出的增加而增加的，光伏電站在光照強度最大輻射條件下，并網(wǎng)逆變器的無功輸出能力搜到限制，因此對于光伏電站除了并網(wǎng)的無功輸出能力之外，還需要額外配置無功補償裝置。

SVG（靜止無功補償器），廣泛應(yīng)用于光伏電站作為無功補償設(shè)備。SVG 核心技術(shù)是基于可快速導(dǎo)通和關(guān)斷的半導(dǎo)體器件 IGBT和脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，構(gòu)造三相全控橋式整流逆變電路，交流側(cè)經(jīng)電抗與電網(wǎng)相連。

目前SVG（靜止無功補償器）一般采用電壓源型，具有較快的響應(yīng)速度，且易于實現(xiàn)。SVG的基本原理是將電壓源型逆變器，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上。電壓源逆變器包含直流電容和逆變橋兩個部分，其中逆變橋由可關(guān)斷的半導(dǎo)體器件IGBT組成。

通過調(diào)節(jié)IGBT器件的開關(guān)，可以控制直流逆變到交流電壓的幅值和相位。通過改變SVG交流側(cè)輸出電壓的幅值及相對于電網(wǎng)電壓的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，實現(xiàn)無功的就地平衡，保持系統(tǒng)能夠?qū)崟r的高功率因數(shù)運行。

SVG并網(wǎng)接入電力系統(tǒng)，運行過程中涉及交流環(huán)節(jié)和直流環(huán)節(jié)。交流環(huán)節(jié)主要于電網(wǎng)系統(tǒng)向連接；直流環(huán)節(jié)是SVG將交流電能變換為直流，將其保存至儲能元件內(nèi)，以及直流側(cè)電壓經(jīng)過變流器轉(zhuǎn)換為交流電壓電流送至電網(wǎng)系統(tǒng)。由于SVG采用的橋式變流器，它可以看作是一個可調(diào)的電壓或電流源。

目前SVG的基本電路結(jié)構(gòu)分為電壓型橋式電路結(jié)構(gòu)和電流型電路結(jié)構(gòu)兩種，如圖所示：

電壓型橋式變流電路結(jié)構(gòu)和電流型橋式變流電路結(jié)構(gòu)都是并聯(lián)于系統(tǒng)中，主要區(qū)別就是直流側(cè)的儲能元件不同，電壓型橋式變流電流采用的是電容器做為儲能元件，可將其看作是電壓源；電流型橋式變流電路采用的是電感做為儲能元件，可將其做為電流源，兩種都是通過橋式變流器調(diào)節(jié)無功功率輸出

SVG屬于電源型逆變裝置，接入系統(tǒng)不會改變阻抗特性，并且可以調(diào)整逆變側(cè)輸出的電壓相位及幅值可抑制相應(yīng)的諧波；當(dāng)三相電力系統(tǒng)中出線負載不平衡時，在系統(tǒng)中將出線負序電流，其與公共功率一樣對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響，SVG具有補償電力系統(tǒng)中不平衡負載情況下負序電流的功能。

2. SVG 的數(shù)學(xué)模型及分析

利用輸入輸出建模方法來建立SVG的數(shù)學(xué)模型，SVG的三相等效電路如圖所示，首先假設(shè)R為SVG中橋式變流器導(dǎo)通電阻及各種線路損耗總和，X為連接電抗器。僅考慮基波時的變流器交流側(cè)輸出電壓為

（1-1）

式中 K為比例系數(shù)；δ為SVG交流側(cè)輸出電與電網(wǎng)電壓相位差；UC為SVG逆變側(cè)輸出相電壓有效值。假設(shè)電網(wǎng)電壓有效值為US，則三相電網(wǎng)電壓為

（1-2）

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可以得出SVG裝置的三相回路方程

（1-3）

直流側(cè)電容電壓的動態(tài)方程為

（1-4）

由以上公式相結(jié)合，整理后可得SVG時域輸入輸出數(shù)學(xué)模型

（1-5）

由以上方程可知，δ為定值時微分方程各個變量都與三相電流和SVG主流側(cè)電壓有關(guān)。根據(jù)瞬時功率理論，可得出穩(wěn)態(tài)功率為

（1-6）

且由于δ只在正負幾度變化，而且變化范圍很小，所以

（1-7）

綜合以上可見，SVG的穩(wěn)態(tài)輸出無功功率與δ成正比，當(dāng)δ<0時，SVG發(fā)出無功功率為負，為感性無功；當(dāng)δ>0時，SVG發(fā)出無功功率為正，為容性無功；當(dāng)δ=0時，SVG不發(fā)出無功功率，系統(tǒng)平衡。

參考文獻

[1] 李鐘時 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計施工與維護 北京 人民郵電出版社 2010.

[2] 王璟 光伏并網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用 中國電力出版社 2017.7.

[3] 太陽能光伏發(fā)電技術(shù) 沈輝 曾祖勤 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社.2005.

[4] 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)工程設(shè)計與實例 周志敏 紀(jì)愛華等 中國電力出版社 2014.