光伏建筑中無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

劉曉娟

（陜西建邦達(dá)建筑工程有限公司，西安 710000）

為了應(yīng)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境污染與化石能源危機(jī)，光伏發(fā)電技術(shù)是今后發(fā)展的主要方向之一。太陽(yáng)能具有較高的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)能量損失少、控制簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑內(nèi)部提供穩(wěn)定、可靠的電能供應(yīng)，因此光伏建筑成為世界各國(guó)的研究焦點(diǎn)。我國(guó)出臺(tái)多項(xiàng)政策扶持光伏產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，在光伏技術(shù)迅速發(fā)展下，光伏建筑應(yīng)用規(guī)模逐步擴(kuò)大，應(yīng)用區(qū)域日益拓寬，鑒于此，提升光伏建筑微電網(wǎng)供電可靠性是當(dāng)下面臨的首要問題。

在國(guó)家大力推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的背景下，光伏建筑產(chǎn)業(yè)將會(huì)得到巨大的發(fā)展空間，并且逐漸朝著規(guī)?；?、智能化的方向發(fā)展。光伏建筑應(yīng)具有一定的無(wú)功備用容量來(lái)保持電網(wǎng)的供電可靠性。對(duì)于光伏建筑而言，其光電出力與光照強(qiáng)度息息相關(guān)，但事實(shí)上，光強(qiáng)具有一定隨機(jī)性和不可控性，這就導(dǎo)致了光伏建筑系統(tǒng)發(fā)出的有功功率具有一定的波動(dòng)性，另外，光電站的無(wú)功損耗主要來(lái)自升壓變壓器，其大小與光伏功率相關(guān)，因此光伏電站需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?，F(xiàn)階段，已有多項(xiàng)無(wú)功補(bǔ)償裝置被用于光伏建筑中。本文從光伏建筑系統(tǒng)自身出發(fā)，結(jié)合光伏建筑特點(diǎn)，對(duì)常用的幾種無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了討論。

1 光伏建筑概述

在碳中和背景下，我國(guó)政府加快推進(jìn)光伏建筑發(fā)展，在數(shù)量和質(zhì)量上都得到了迅速的上升。光伏建筑是光伏組件與建筑物相互結(jié)合的系統(tǒng)，由光伏陣列、太陽(yáng)能充放電控制器、蓄電池、逆變器和負(fù)載等組成[1]。光伏建筑組成如圖1 所示。

圖1 光伏建筑的組成

光伏建筑電池技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了3 個(gè)重要發(fā)展階段，其中，第一階段光伏建筑電池以單晶硅、多晶硅為主，主要還是以多晶硅應(yīng)用最為廣泛；第二代為碲化鎘（CdTe）、硫化鎘（CdS）和銅銦鎵硒（CIGS），在吸收光譜上更寬了，有利于對(duì)可見光的吸收，提高了光能利用率，具有彈性優(yōu)異、比功率高等諸多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還可制備成薄膜形態(tài)，適用于多種場(chǎng)景和多種形式的應(yīng)用；第三代為硫化銅鋅錫光伏電池（CZTS）、鈣鈦礦類型及聚合物類光伏電池等，但該系列技術(shù)大多還尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，未進(jìn)入工程化應(yīng)用階段。

與單個(gè)光伏電站相比，光伏建筑系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，原因一是將光伏模塊與傳統(tǒng)建筑有機(jī)結(jié)合為一體，對(duì)建筑起到一定的保護(hù)作用；原因二是可為建筑提供日常所需電能。通常來(lái)講，光伏建筑的形式主要有3 類：①附加光伏系統(tǒng)。通過在原有建筑基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，將光伏模塊附加在建筑屋頂或南墻表面；②光伏建筑一體化。在建筑設(shè)計(jì)前期就考慮到太陽(yáng)能的利用，與建筑充分融合為一體，不僅節(jié)約了建筑成本，還實(shí)現(xiàn)了原地并網(wǎng)發(fā)電，例如光伏幕墻實(shí)現(xiàn)了發(fā)電、保溫、科技感一體化的優(yōu)異效果；③光伏光熱建筑一體化。該技術(shù)可滿足日常用水需要，但技術(shù)還不夠成熟。

2 光伏建筑中無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)分析與應(yīng)用

2.1 光伏建筑無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾饬x

無(wú)功功率是電力系統(tǒng)中一個(gè)十分關(guān)鍵的物理量，無(wú)功功率平衡對(duì)于維持光伏建筑系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。在光伏建筑系統(tǒng)中，由于光照的晝夜變化及白天光照的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性，使得光伏建筑的無(wú)功功率也呈現(xiàn)一定的周期性和隨機(jī)性，因此通過電力系統(tǒng)無(wú)功狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償具有重大意義。一方面，光伏建筑中安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置后，提升了電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低了電路損耗功率（式1），因此在光伏建筑中安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置可有效降低功率損耗；另一方面，采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)還提升了系統(tǒng)輸出的有功功率，進(jìn)而提升了輸出設(shè)備的供電能力[2]。

式中：cosφ 為補(bǔ)償后的功率因數(shù)；cosθ 為補(bǔ)償前的功率因數(shù)。

2.2 光伏建筑無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)分析

隨著光伏建筑建設(shè)數(shù)量和建設(shè)區(qū)域的逐漸加大，要高度重視維持無(wú)功功率平衡問題，提升供電穩(wěn)定性，需要開發(fā)更多適用于光伏建筑的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)和設(shè)備。常見的無(wú)功補(bǔ)償裝置有調(diào)相機(jī)、固定補(bǔ)償電容器、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG）、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）及靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）等。調(diào)相機(jī)和固定補(bǔ)償電容器是傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，早期在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，這2 種裝置在主要優(yōu)勢(shì)是使用便捷、投入成本降低、技術(shù)相對(duì)成熟，但存在的問題是調(diào)相機(jī)無(wú)法滿足迅速、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨螅虼私┠曛鸩奖惶蕴璠3]。本文重點(diǎn)對(duì)SVC、SVG 以及STATCOM 3 種無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了闡述與分析，具體如下。

2.2.1 基于SVC 的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

通過在無(wú)功負(fù)荷集中處安裝一定容量的SVC，由SVC 向負(fù)荷點(diǎn)就近提供無(wú)功功率，減少系統(tǒng)流入的Q，使得網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的壓降變小，同時(shí)也使得線損減小，當(dāng)系統(tǒng)中并入容量為的SVC 后，網(wǎng)絡(luò)壓降和線損為

由以上公式可知，Qb值增大時(shí)，△U 減小，當(dāng)Qb=Q時(shí)，無(wú)功傳輸引起的壓降損失和線損為0，當(dāng)Qb＞Q 時(shí)，發(fā)生無(wú)功倒流入系統(tǒng)，壓降損失加大，因此SVC 主要可改善用戶的電壓質(zhì)量和降損節(jié)電。

（1）TCR 型SVC。TCR 型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備是光伏系統(tǒng)中常用的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，其補(bǔ)償原理如圖2 所示。TCR 型補(bǔ)償器是由1 套TCR 裝置和2 個(gè)濾波電容器組成，應(yīng)用靈活、易控制，可實(shí)現(xiàn)分相調(diào)節(jié)，TCR 裝置先檢測(cè)系統(tǒng)變量，通過計(jì)算處理后，利用調(diào)節(jié)晶匣管的觸發(fā)角來(lái)調(diào)整電抗器的等效電抗，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器輸出的感性無(wú)功功率，TCR 輸出的無(wú)功補(bǔ)償是感性和容性無(wú)功功率之和。

圖2 TCR 型補(bǔ)償器原理圖

（2）MERS 型SVC。SVC-MERS 是一種新型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，集合了TCR 與TSC 兩者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了容性無(wú)功功率的連續(xù)控制，并保持了SVC 的簡(jiǎn)便性特征。MERS 最早是由日本學(xué)者島田隆一所提出，隨后在電力系統(tǒng)中得到了迅速發(fā)展，在光伏系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償中具有較高應(yīng)用價(jià)值。單相等效電路圖如圖3 所示，可對(duì)SVC-MERS 的工作原理進(jìn)行說明。

圖3 SVC-MERS 等效電路圖與向量圖

電源電壓為向量E˙、MERS 兩端電壓為V˙，電抗X上的電壓為V˙L。通過調(diào)節(jié)MERS 從電網(wǎng)中吸收電流I來(lái)改變V˙幅值與E 相位，進(jìn)而調(diào)節(jié)電抗兩端電壓。由圖3 可知，當(dāng)V˙＞E˙時(shí)，MERS 吸收容性無(wú)功功率，當(dāng)V˙

MERS 結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M包含全橋型、半橋型（逆導(dǎo)型/逆阻型）和單開關(guān)型，不同類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MERS 特征比較見表1。

表1 MERS 結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M特征比較[4]

2.2.2 基于SVG 的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

SVG 是一種應(yīng)用于光伏電站的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，其核心技術(shù)是基于IGBT 和PWM 技術(shù)，構(gòu)造三相全控式整流逆變電路，交流側(cè)經(jīng)電抗與電網(wǎng)相連。目前，工程上以電壓型橋式電路應(yīng)用較多，電氣結(jié)構(gòu)如圖4 所示。SVG 補(bǔ)償原理是通過改變交流側(cè)電壓（UInverter）和并網(wǎng)點(diǎn)電壓（USystem）的幅值大小，得到無(wú)功電流（IInverter），達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)需要的無(wú)功功率目的。

圖4 SVG 單相電氣結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 基于STATCOM 的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

STATCOM 是一種全控型電力電子器件的補(bǔ)償裝置，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果佳，是目前研究的重點(diǎn)。STATCOM 由1 個(gè)直流電容、3 個(gè)小電感和2 個(gè)IGBT 構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示。STATCOM 工作原理為將三相橋式變流電路并聯(lián)在系統(tǒng)中，通過控制全控制器的開通與閉合來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓、電流相位和幅值，進(jìn)而控制STATCOM 發(fā)出或吸收無(wú)功功率，補(bǔ)償范圍可實(shí)現(xiàn)容性到感性，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的無(wú)功功率補(bǔ)償[5]。

圖5 STATCOM 的電路結(jié)構(gòu)

2.2.4 幾種不同補(bǔ)償技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性比較

分別對(duì)上述幾種可應(yīng)用于光伏建筑中無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)（分別為SVC-MERS、SVC-TCR、SVG 與STATCOM）進(jìn)行比較分析，重點(diǎn)對(duì)不同無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功補(bǔ)償范圍、響應(yīng)時(shí)間、電流諧波含量進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同補(bǔ)償技術(shù)的參數(shù)比較

可以看出，SVC 響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，諧波嚴(yán)重，TCR 只能實(shí)現(xiàn)感性無(wú)功補(bǔ)償，不滿足光伏建筑系統(tǒng)中補(bǔ)償容性無(wú)功功率的實(shí)際需求，而MERS 在無(wú)功功率波動(dòng)較大或者電壓波動(dòng)分散性電源系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢(shì)；STATCOM 可實(shí)現(xiàn)感性無(wú)功補(bǔ)償和容性無(wú)功補(bǔ)償，同容量STATCOM 比SVC 提供更大的補(bǔ)償容量，另外，同容量的STATCOM 占地小于SVC，這是由于STATCOM使用直流電容器，可以減小電容器體積，無(wú)需采用并聯(lián)電抗器即可控制無(wú)功功率平滑變化，STATCOM 可提供有功功率，SVC 只能提供無(wú)功功率，STATCOM 是智能型的設(shè)備，是目前光伏建筑系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備中最先進(jìn)的也是最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，將無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于光伏建筑系統(tǒng)中，顯著提升了建筑用能的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。本文通過對(duì)多種無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了闡述，分析了每種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足之處。今后光伏建筑系統(tǒng)在無(wú)功補(bǔ)償裝置選擇過程中，要結(jié)合實(shí)際情況，選擇實(shí)用性強(qiáng)、安全性高、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異的無(wú)功補(bǔ)償裝置，STATCOM在光伏建筑系統(tǒng)中具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但成本高、控制系統(tǒng)復(fù)雜是目前制約發(fā)展的重要問題，要加強(qiáng)STATCOM 置與其他裝置的結(jié)合應(yīng)用的研究工作，為光伏建筑可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。