光伏無(wú)功補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償裝置SVG（靜止無(wú)功補(bǔ)償器），通過(guò)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(diǎn)分析SVG（靜止無(wú)功補(bǔ)償器）及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 光伏電站；SVG；數(shù)學(xué)模型；無(wú)功補(bǔ)償

1.SVG（靜止無(wú)功補(bǔ)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(shí)，需要輸送一定的無(wú)功功率來(lái)抑制由于有功輸出變化導(dǎo)致的并網(wǎng)電壓幅值波動(dòng)及越限。

光伏電站的無(wú)功控制效果取決與其無(wú)功輸出能力。設(shè)每臺(tái)并網(wǎng)逆變器的額定功率為Pmax，每臺(tái)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(wú)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(wú)功容量的降低。在一定程度上，光伏電站所需的無(wú)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(qiáng)度最大輻射條件下，并網(wǎng)逆變器的無(wú)功輸出能力搜到限制，因此對(duì)于光伏電站除了并網(wǎng)的無(wú)功輸出能力之外，還需要額外配置無(wú)功補(bǔ)償裝置。

SVG（靜止無(wú)功補(bǔ)償器），廣泛應(yīng)用于光伏電站作為無(wú)功補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償器）一般采用電壓源型，具有較快的響應(yīng)速度，且易于實(shí)現(xiàn)。SVG的基本原理是將電壓源型逆變器，經(jīng)過(guò)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(gè)部分，其中逆變橋由可關(guān)斷的半導(dǎo)體器件IGBT組成。

通過(guò)調(diào)節(jié)IGBT器件的開(kāi)關(guān)，可以控制直流逆變到交流電壓的幅值和相位。通過(guò)改變SVG交流側(cè)輸出電壓的幅值及相對(duì)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(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡，保持系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的高功率因數(shù)運(yùn)行。

SVG并網(wǎng)接入電力系統(tǒng)，運(yùn)行過(guò)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(chǔ)能元件內(nèi)，以及直流側(cè)電壓經(jīng)過(guò)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(gè)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(chǔ)能元件不同，電壓型橋式變流電流采用的是電容器做為儲(chǔ)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(chǔ)能元件，可將其做為電流源，兩種都是通過(guò)橋式變流器調(diào)節(jié)無(wú)功功率輸出

SVG屬于電源型逆變裝置，接入系統(tǒng)不會(huì)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(fù)載不平衡時(shí)，在系統(tǒng)中將出線負(fù)序電流，其與公共功率一樣對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響，SVG具有補(bǔ)償電力系統(tǒng)中不平衡負(fù)載情況下負(fù)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(lái)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(shí)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(dòng)態(tài)方程為

（1-4）

由以上公式相結(jié)合，整理后可得SVG時(shí)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(shí)微分方程各個(gè)變量都與三相電流和SVG主流側(cè)電壓有關(guān)。根據(jù)瞬時(shí)功率理論，可得出穩(wěn)態(tài)功率為

（1-6）

且由于δ只在正負(fù)幾度變化，而且變化范圍很小，所以

（1-7）

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

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