新能源光伏發(fā)電中SVG無功補償裝置的應(yīng)用研究

新疆華電葦湖梁新能源有限公司 郭鵬山

從新能源發(fā)電發(fā)展來分析，光伏發(fā)電是較為重要的一種形式，利用光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，系統(tǒng)構(gòu)成包括逆變器以及電池板等。在光照強度及時間作用下，無法評估形成的電能。為妥善處理光伏發(fā)電中發(fā)生的無功功率問題，應(yīng)該增設(shè)無功補償設(shè)備，確保發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。

1 光伏發(fā)電設(shè)備組成、優(yōu)點及SVG選擇

從新能源發(fā)電形式來分析，光伏發(fā)電裝置涉及控制器和電池板等。通過控制器，能夠記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，保持其工作狀態(tài)；通過逆變器，能夠?qū)⒅绷麟娮優(yōu)榻涣麟姡m用大電網(wǎng)銜接；通過太陽能電池板，可以將太陽能變?yōu)殡娔?。根?jù)并網(wǎng)形式差異可分成并網(wǎng)式及獨立式，系統(tǒng)能夠獨立系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，也可通過逆變器和大電網(wǎng)連接，提供電力支撐。如果根據(jù)容量大小進行區(qū)分，可將光伏發(fā)電系統(tǒng)分成以下幾種：小型發(fā)電系統(tǒng)，100kW容量；中型發(fā)電系統(tǒng)，100kW至1MW容量；大型發(fā)電系統(tǒng)容量超過1MW。

整體而言，新能源光伏發(fā)電具備以下優(yōu)勢：設(shè)備容量較小、易于建設(shè)、所需投資較低、收益理想；清潔無污染；能夠切實緩解附近區(qū)域用電緊張；電網(wǎng)比較可靠，能提升供電穩(wěn)定性。然而，在日照強度作用下，也存在著隨機性，系統(tǒng)有著一定電網(wǎng)阻抗，可能產(chǎn)生電壓問題。從光伏發(fā)電網(wǎng)來分析，電源處在配電網(wǎng)末端，線路較長，可能出現(xiàn)過電壓情況。在夜間，系統(tǒng)電源不出力，若有著較大承載壓力，將超過下限[1]。白天，系統(tǒng)發(fā)電量難以消納，功率將轉(zhuǎn)到至配網(wǎng)系統(tǒng)，造成出現(xiàn)反向潮流。久而久之，并網(wǎng)點周圍有著較大負(fù)載電壓。

目前，光伏發(fā)電比例持續(xù)提高，如果出現(xiàn)電壓故障將影響系統(tǒng)正常工作?；诖?，應(yīng)在系統(tǒng)中運用無功補償設(shè)備，其選擇除了決定電路結(jié)構(gòu)，使逆變器無法控制，造成無功調(diào)節(jié)能力降低，電壓振蕩，系統(tǒng)運行缺乏可靠性，所以，應(yīng)該選取最佳的無功補償設(shè)備。

2 無功補償裝置性能比較及運作原理

在接入電網(wǎng)容量偏高時，可能導(dǎo)致并網(wǎng)電壓大于既定范圍，影響電網(wǎng)電壓的可靠性。不僅如此，還可能被環(huán)境影響，光照以及溫度的變化均可能導(dǎo)致功率輸出出現(xiàn)變化。電網(wǎng)在工作中發(fā)生問題，將影響到并網(wǎng)點電壓。所以，為給光伏電站提供電壓支撐，需要安裝具備無功輸出功能的設(shè)備。在系統(tǒng)中，逆變器雖然有著無功功率調(diào)整作用，但不易進行布置，同時容易被環(huán)境影響。所以，光伏電站應(yīng)該布設(shè)無功補償設(shè)備，相比之下，SVG有著較強的補償能力，響應(yīng)迅速，安全性有保障，得到了普遍的運用。

2.1 無功補償裝置性能比較

無功補償設(shè)備組成包括控制設(shè)備、啟動設(shè)備等，由于接線形式不同，補償裝置可以分為兩類，對于直掛式設(shè)備，其容量較高，但運行效果較差，對于降壓式無功補償設(shè)備，其運行效果較好，但裝置容量不高。在裝置運轉(zhuǎn)時，會將信號傳輸?shù)娇刂圃O(shè)備，通過內(nèi)置芯片進行運算，獲取模塊信號。如果設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障，可借助控制設(shè)備跳開斷路器，及時隔離故障。現(xiàn)如今，有多類無功補償設(shè)備，比如SR、TCR等。性能比較：對于SR無功補償裝置，其無功輸出連續(xù)，難以分相調(diào)整，響應(yīng)時長10ms，諧波量較小，有著一定的損耗率，產(chǎn)生的噪聲大，控制靈活度較低，易于進行運維。

對于SC無功補償裝置，其無功輸出連續(xù)，難以分相調(diào)整，響應(yīng)時長200ms，無諧波量，有著一定的損耗率，產(chǎn)生的噪聲大，控制靈活度較低，不易進行運維；對于TCR無功補償裝置，其無功輸出連續(xù)，能夠分相調(diào)整，響應(yīng)時間介于5～10ms，有諧波量，存在一定的損耗率，產(chǎn)生的噪聲較小，控制靈活度高，運維比較復(fù)雜；對于TSC無功補償裝置，其無功輸出極差，能夠分相調(diào)整，響應(yīng)時間介于10～20ms，沒有諧波量，有著一定的損耗率，形成的噪聲很小，控制靈活度高，運維比較復(fù)雜；對于SVG無功補償裝置，其無功輸出連續(xù)，能夠分相調(diào)整，響應(yīng)時間介于3～5ms，有諧波量，有著一定的損耗率，產(chǎn)生的噪聲小，控制靈活度高，運維比較復(fù)雜[2]。

2.2 SVG的作用

對于無功補償設(shè)備來講，其工作原理類似于變流器電路，增設(shè)適當(dāng)?shù)腟VG設(shè)備，能夠發(fā)出以及吸收無功功率，據(jù)此進行動態(tài)調(diào)整，優(yōu)化電壓。補償裝置能夠控制元件，使其能夠發(fā)出電壓相位，據(jù)此開展相應(yīng)的無功補償。相比于電容器以及調(diào)相機，無功補償設(shè)備有著以下優(yōu)勢：補償較快，5～20ms就能夠響應(yīng)；功率因素能夠超過0.98；無功補償設(shè)備能夠過濾諧波；能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)補償；設(shè)備使用壽命長、所需維護費用較低，并且能夠提升電能質(zhì)量。

2.3 SVG的運用原理

SVG涉及多個模板，主要包含檢測模塊、補償輸出模塊等，運用原理：利用模塊所獲取的電流數(shù)據(jù)，由控制器啟動補償命令，然后由回路輸出用來補充的電流。從表1來分析，功率模塊為橋式電路，利用電抗器和電網(wǎng)連接，使無功功率更為平滑，避免發(fā)生沖擊電流，造成設(shè)備運行出現(xiàn)故障。

表1 SVG裝置等效電路主要組成

根據(jù)功率模塊來分析，在設(shè)備中，經(jīng)過電路串聯(lián)構(gòu)成多電平結(jié)構(gòu)。結(jié)合等效電路來分析，U1表示輸出電壓，L表示電抗器，I表示輸出電流，R表示損耗，Us表示系統(tǒng)電壓。在輸出電壓大于系統(tǒng)電壓時，輸出電流超前輸出電壓，表明SVG處于容性運行模式，此時發(fā)出無功功率；輸出電壓小于系統(tǒng)值時，電流滯后電壓，表明設(shè)備處于感性運行模式，這時系統(tǒng)吸收功率。顯而易見，通過調(diào)整元件觸發(fā)角能切實控制電壓幅值以及相位角，使SVG吸收以及發(fā)出功能達到并網(wǎng)需求，為系統(tǒng)始終保持高功率因數(shù)運轉(zhuǎn)提供支持。

3 電流環(huán)及鎖相環(huán)的應(yīng)對分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)大部分處在偏遠區(qū)域，系統(tǒng)容量較高，應(yīng)加以關(guān)注電壓問題。逆變器有著較高輸出電流，電壓會逐漸降低，輸出功率變化范圍較小。如果輸出功率有限，功率將出現(xiàn)改變，造成直流側(cè)電壓失穩(wěn)。在電網(wǎng)感抗作用下會形成一定輸出功率，并且等效電感增多，功率值會持續(xù)降低，輸出電流將顯著變小。當(dāng)光照足夠時，光伏發(fā)電會產(chǎn)生較大功率，但由于限制輸出功率，造成功率失衡，使得直流側(cè)充電。此種情形下，無法掌握直流電容電壓，影響系統(tǒng)正常運行。

無功補償也能影響電流環(huán)以及鎖相環(huán)。從電流環(huán)來分析，能使反諧振峰變多，使系統(tǒng)相位發(fā)生跳變。不僅如此，等效電感變多，頻率逐漸轉(zhuǎn)向低頻，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生不可靠的電流。從鎖相環(huán)來分析，電感越高，PLL頻率將失穩(wěn)，在頻率較低時，將移動至高頻運行點，造成輸出時出現(xiàn)振蕩。為了應(yīng)對以上問題，要采取穩(wěn)定性舉措。在電流環(huán)上應(yīng)開展超前相位補償，確保相位裕度科學(xué)性。在鎖相環(huán)上，應(yīng)降低控制器參數(shù)，去除非基波頻率，減小輸出頻率，確?？刂葡到y(tǒng)可靠。

4 基于新能源光伏發(fā)電SVG設(shè)備的優(yōu)化配置

鑒于有著越上下限的問題，應(yīng)在配網(wǎng)中增設(shè)SVG裝置，據(jù)此優(yōu)化電壓。電壓降計量取決于諸多因素，其中包括線路負(fù)荷、長度等，以下是電壓降的求解公式：ΔU＇=PR+（Q+Qsvg）X/U=ΔU+QsvgX/U，其中：P表示有功負(fù)荷，R表示電阻，Q表示無功負(fù)荷，Qsvg表示無功補償設(shè)備的無功功率，X表示電抗，U表示電壓，ΔU表示電壓該變量。由于日照有著隨機性，輸出功率也有著變化，如果僅通過串聯(lián)電抗器進行補償，當(dāng)沒有光照時，輸出功率是0，結(jié)合電壓降求解公式，末端電壓過小而無法滿足用電需要，因此需要運用SVG裝置。

如果要優(yōu)化無功補償裝置，應(yīng)先進一步分析電壓越上下限，將其當(dāng)作目標(biāo)工況，進而選取適當(dāng)?shù)淖钚〗M數(shù)。如果布設(shè)兩組設(shè)備時，工況屬于最嚴(yán)重電壓越上下限，感性功率值為正，容性功率值為負(fù)，以下是SVG配置：節(jié)點編號N1，工況1為負(fù)的Q11，工況2為正的Q21；節(jié)點編號N2，工況1為負(fù)的Q12，工況2為正的Q22。有著6組變量，處于工況1，節(jié)點補償了容性無功；處于工況2，節(jié)點補償了感性無功。容性無功最高值為容量Q1，感性無功最高值為容量Q2。Qsvg表示裝置安裝容量，用Qsvgmin來表示最低容量，用Qsvgmax來表示最高容量。

分別引入PSO以及TS-PSO來對兩種工況下的SVG進行計算。在第二種算法中，進行映射處理，根據(jù)二進制轉(zhuǎn)換進行分檔處理，獲得以下公式：Qsvg=kΔQ（k=0,1…，kmax），其中：k表示分檔系數(shù)，ΔQ表示基準(zhǔn)值。轉(zhuǎn)變獲取分檔系數(shù)k11、k12、k21、k22，轉(zhuǎn)變獲取二進制數(shù)B2、B3、B5和B6。綜上獲取二進制B1-B6，也就是粒子和空間位置。

對于PSO算法來講，其是一種粒子群優(yōu)化算法，將涉及迭代過程，尤其適用極值求解。以下是兩種工況下的SVG優(yōu)化配置：TS-PSO算法，節(jié)點18，工況1負(fù)的1580kVA，工況2正的1590kVA，安裝容量1590kVA，節(jié)點32，工況1負(fù)的640kVA，工況2正的640kVA，安裝容量640kVA，總?cè)萘?230kVA；PSO算法，節(jié)點18，工況1負(fù)的1580kVA，工況2正的1600kVA，安裝容量1600kVA，節(jié)點33，工況1負(fù)的640kVA，工況2正的600kVA，安裝容量640kVA，總?cè)萘?240kVA。顯而易見，運用TS-PSO算法能獲取局部最優(yōu)解，防止了重復(fù)迭代，使搜索能力得到增強，計算效率提高。對工況1和2進行無功補償，電壓偏差處于合理范圍，達到電壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可見，無功補償裝置能夠切實解決越上下限問題。

5 SVG裝置在光伏發(fā)電中的運用分析

SVG的補償位置。在電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定中，針對SVG補償位置給出詳細(xì)規(guī)定：在有著升壓變壓器的光伏電站中，SVG安裝于變壓器低壓側(cè)；在不具備升壓變壓器的電站內(nèi)，SVG布設(shè)于匯集點。將某一光伏電站當(dāng)作例子，其中應(yīng)用的是無集中升壓變壓器，因此SVG安裝于匯集點。

無功補償容量。光伏電站內(nèi)布設(shè)SVG裝置旨在穩(wěn)定電壓并降低能耗。當(dāng)對補償容量進行配置時，要根據(jù)裝機容量的1/4進行配置。在此光伏電站中，設(shè)備容量是7.5MVar,SVG設(shè)備能夠通過持續(xù)調(diào)整來控制電壓，使電壓變化達到要求。但是，從光伏電站來分析，補償容量還需要分析線路和變壓器消耗。

其一，電站線路無功損耗。所產(chǎn)生的無功功率以及充電功率，主要是電纜線路。感性功率求解公式：QL=s2/U2nxl，其中：S表示具體容量，Un表示額定電壓，x表示感抗，l表示線路長度；充電功率求解公式：Qc=U2n2πfCl×10-6，其中：C表示電容，l表示線路長度。能根據(jù)以上公式獲取無功功率以及充電功率；其二，變壓器無功損耗。通常情況下，涉及空載以及短路損耗，求解公式：Qt=Q0+Qv=I0%/100×Sn+Us% S2/100Sn，其中，Q0表示空載損耗，Qv表示短路損耗，I0%表示電流百分比，Sn表示額定容量，Us%表示電壓百分比，S表示視在功率。

SVG運用效果。提高光伏裝置轉(zhuǎn)化率。在光伏發(fā)電中應(yīng)用SVG裝置，降低了逆變器無功輸出，避免了諧波入侵系統(tǒng)，提升光伏裝置轉(zhuǎn)化率，進而增加光伏發(fā)電量；減少線路損耗。無論是變壓器還是電纜，均能形成無功，干擾系統(tǒng)功率因數(shù)。光伏電站內(nèi)布設(shè)SVG能夠切實提升功率因數(shù)，減少線路損耗以及電壓波動；避免電網(wǎng)考核。光伏電站根據(jù)接入系統(tǒng)意見，相關(guān)要求配置SVG，設(shè)備容量配置和調(diào)整速度要符合電網(wǎng)要求，否則納入考核范圍。

6 結(jié)論

光伏發(fā)電線路比較長，由于阻抗導(dǎo)致電壓變小，產(chǎn)生嚴(yán)重的振蕩問題。運用SVG設(shè)備能提供充足功率，使并網(wǎng)電壓可靠。因日照強度差異，光伏發(fā)電有著隨機性，可能產(chǎn)生電壓問題。合理運用無功補償設(shè)備，使用相關(guān)算法計量SVG容量，得知SVG能夠解決越上下限問題。此次研究使用各種等級的系統(tǒng)，也能夠為光伏電站設(shè)計提供借鑒。