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1前言

隨著(zhù)全球經(jīng)濟的發(fā)展，光伏發(fā)電在內的新能源的開(kāi)發(fā)和利用是解決當前面臨的能源短缺危機和緩解環(huán)保壓力的有效措施。大型光伏電站以及屋頂并網(wǎng)光伏電站是太陽(yáng)能利用的重要發(fā)展趨勢。光伏發(fā)電的迅速發(fā)展也給電力系統帶來(lái)了許多新問(wèn)題，無(wú)功電壓?jiǎn)?wèn)題就是較為重要的問(wèn)題之一。光伏發(fā)電系統本身光照強度、溫度變化等都會(huì )引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)。其中大型光伏電站的接入，將對電網(wǎng)的安全穩定運行產(chǎn)生深刻影響，特別是在電網(wǎng)故障時(shí)光伏電站的突然脫網(wǎng)會(huì )進(jìn)一步惡化電網(wǎng)運行狀態(tài)，帶來(lái)更加嚴重的后果。隨著(zhù)更多、更大的光伏電站投入運行，光伏電站的突然脫網(wǎng)等技術(shù)問(wèn)題也會(huì )越來(lái)越突出。
2光伏電站需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

當光伏電站滲透率較高或出力加大時(shí)，電網(wǎng)易發(fā)生故障引起光伏電站跳閘，由于故障恢復后光伏電站重新并網(wǎng)需要時(shí)間，在此期間引起的功率缺額將導致相鄰的光伏電站跳閘，從而引起大面積停電，影響電網(wǎng)安全穩定運行。

因此，要解決目前光伏電站實(shí)現低電壓穿越的重要性?？刂拼笮凸夥娬镜碗妷捍┰絾?wèn)題，保障光伏電站接入后電網(wǎng)的安全穩定運行。然而，目前國內外的光伏電站無(wú)功輸出，幾乎不具有低電壓穿越的能力。制約光伏電站低電壓穿越的瓶頸是逆變器交流側輸出電流的大小，若超過(guò)額定電流過(guò)大，則會(huì )損害電力電子器件。因此采用在光伏電站母線(xiàn)上安裝SVG等裝置以補償光伏系統的無(wú)功需求，在電網(wǎng)故障時(shí)能保持并網(wǎng)運行，并向電網(wǎng)輸出一定的無(wú)功功率以支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，減少了因光伏電站的突然脫網(wǎng)給電網(wǎng)帶來(lái)的不利影響。
3加裝SVG的必要性

靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）則可以快速平滑調節無(wú)功補償功率的大小，提供動(dòng)態(tài)的電壓支撐，改善系統的運行性能。將SVG安裝在光伏電站的出口，根據光伏電站接入點(diǎn)電壓的偏差量來(lái)控制SVG補償的無(wú)功功率，能夠穩定光伏電站節點(diǎn)電壓，降低功率波動(dòng)對電網(wǎng)電壓的影響。在系統發(fā)生短路故障情況下，SVG的動(dòng)態(tài)無(wú)功調節能力可以加快故障切除后光伏電站內部和接入點(diǎn)電壓的恢復過(guò)程；在變化情況下，SVG可以使光伏電站電壓的波動(dòng)明顯降低，對光伏電站設備安全運行和穩定電能質(zhì)量均有很好的作用。
靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）可以快速平滑調節無(wú)功補償功率的大小，提供動(dòng)態(tài)的電壓支撐，改善系統的運行性能。

在系統發(fā)生短路故障情況下，SVG的動(dòng)態(tài)無(wú)功調節能力可以加快故障切除后內部工況的恢復過(guò)程；在負載變化情況下，SVG可以使變電站的電壓波動(dòng)明顯降低，對工藝設備及變電站安全運行和穩定電能質(zhì)量均有很好的作用。
4項目概況

國電長(cháng)豐朱巷鎮三里河水庫40MWp漁光互補光伏發(fā)電場(chǎng)，擬采購多晶硅255Wp光伏組件79200*2塊，總容量為40.392MW，太陽(yáng)能板陣列共有1980*2塊，按20塊一個(gè)組串，共計3960*2個(gè)組串；64臺并網(wǎng)逆變器、32臺1250kva變壓器。項目投產(chǎn)后，年平均發(fā)電量4400萬(wàn)千瓦時(shí)。本項目的建成投產(chǎn)可在一定程度上調整當地電力產(chǎn)業(yè)結構，解決當地政府的節能減排任務(wù)；提高人們的生活質(zhì)量，同時(shí)該項目促進(jìn)該區域經(jīng)濟的可持續發(fā)展。

為了提高電網(wǎng)電壓的穩定性，降低大型光伏電站對電力系統的沖擊，要求大型光伏電站必須具備一定的低電壓穿越能力。如果單純依靠光伏變流器本身的功能，大型光伏電站的低電壓穿越能力較弱，根據《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規定》Q(chēng)/GDW 617-2011要求“大中型光伏電站應配置無(wú)功電壓控制系統，具備無(wú)功功率及電壓控制能力。根據電力調度部門(mén)指令，光伏電站自動(dòng)調節器發(fā)出（或吸收）無(wú)功功率，控制光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓在正常運行范圍內，其調節速度和控制精度應能滿(mǎn)足電力系統電壓調節的要求。低電壓穿越過(guò)程中光伏電站宜提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支持?！薄禛B/T29321-2012光伏發(fā)電站無(wú)功補償技術(shù)規范》中5.2條款要求，“光伏電站無(wú)功補償裝置應能夠跟蹤光伏電站處理的波動(dòng)及系統電壓控制要求，并快速響應。動(dòng)態(tài)無(wú)功響應時(shí)間應不大于30ms?！痹摴夥娬緲I(yè)主通過(guò)招標方式，選擇了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的FGSVG-C9.0/35T型高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償和諧波治理裝置，配置在光伏發(fā)電現場(chǎng)，用于電網(wǎng)無(wú)功補償和諧波治理，設備一次成功投運，達到了預期目的。
5 新風(fēng)光FGSVG-C9.0/35T高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償
5.1  FGSVG裝置技術(shù)優(yōu)勢

FGSVG系列產(chǎn)品采用現代電力電子、自動(dòng)化、微電子及網(wǎng)絡(luò )通訊等技術(shù)，采用先進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率理論和基于同步坐標變換的功率解耦算法，以設定的無(wú)功性質(zhì)及大小、功率因數、電網(wǎng)電壓為控制目標運行，動(dòng)態(tài)的跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化調節無(wú)功輸出，并能實(shí)現曲線(xiàn)設定運行，提升電網(wǎng)質(zhì)量。FGSVG系列產(chǎn)品是基于電壓型PWM變流器的補償裝置實(shí)現了無(wú)功補償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過(guò)電力電子器件的高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現無(wú)功能量的變換。易操作、高性能、高可靠性的FGSVG系列產(chǎn)品為滿(mǎn)足用戶(hù)對提高輸配電電網(wǎng)的功率因數、治理諧波、補償負序電流的迫切需求做出相應設計，具有以下特點(diǎn)：
●   模塊化設計，安裝、調試、設定簡(jiǎn)便。
●   動(dòng)態(tài)響應速度快，響應時(shí)間≤5ms。
●   在補償容量足夠的前提下，輸出電流諧波（THD）≤3%。
●   多種運行模式極大的滿(mǎn)足用戶(hù)需求，運行模式有：恒裝置無(wú)功功率模式、恒考核點(diǎn)無(wú)功功率模式、恒考核點(diǎn)功率因數模式、恒考核點(diǎn)電壓模式、負載補償模式，目標值可實(shí)時(shí)更改。
●   實(shí)時(shí)跟蹤負荷變化，動(dòng)態(tài)連續平滑補償無(wú)功功率，提高系統功率因數，實(shí)時(shí)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，穩定系統電壓。
●   FGSVG電路參數精心設計，發(fā)熱量小，效率高，運行成本低。
●   設備結構緊湊，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)結構,每相由多個(gè)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。
●   自動(dòng)調整載波頻率，自適應環(huán)境和功率變化。
●小于0.2A的補償精度。
●   FGSVG采用冗余性設計和模塊化設計，滿(mǎn)足系統高可靠性的需求。
●   功率電路模塊化設計，維護簡(jiǎn)單，互換性好。
●   保護功能齊全，具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、單元過(guò)熱、不均壓等保護，并能實(shí)現故障瞬間的波形錄制，便于確定故障點(diǎn)，易維護，運行可靠性高。
●   人機界面設計采用windows系統的操作模式，功能菜單以及各種功能按鍵均按照電腦的操作習慣設計。界面友好顯示，對外通訊提供了RS485等接口，采用標準Modbus通訊協(xié)議。除具有實(shí)時(shí)數字量及模擬量的顯示、運行歷史事件記錄、歷史曲線(xiàn)記錄查詢(xún)、單元狀態(tài)監控、系統信息查詢(xún)、歷史故障查詢(xún)等功能外，還具有送電后系統自檢、一鍵開(kāi)停機、分時(shí)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。
●   FGSVG設計包含與FC配合使用的接口，實(shí)現定補和動(dòng)補的有效結合，為用戶(hù)提供更經(jīng)濟，更靈活的補償方案。具有4組FC接口控制功能，在控制上可以根據實(shí)際情況設置4組FC支路的投切順序，并實(shí)時(shí)監測FC的故障狀態(tài)，實(shí)現了SVG+FC系統的智能控制。
●   投切時(shí)無(wú)暫態(tài)沖擊，無(wú)合閘涌流，無(wú)電弧重燃，無(wú)需放電即可再投。
●   采用美國TI和ALTERA公司的優(yōu)質(zhì)DSP芯片和FPGA芯片，實(shí)現了3核控制技術(shù)，其中3片DSP芯片分別處理對外通訊，主控計算，功率單元控制，三片FPGA配合DSP實(shí)現大量的數據處理和數據交換，基于這種構架的產(chǎn)品，整機響應速度達到了容性功率到感性功率突變時(shí)間只需要3.7ms。
●   與系統連接時(shí)，不需要考慮交流系統相序，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(mǎn)足實(shí)時(shí)補償的要求。整機擴容簡(jiǎn)單易行，特別是改造現場(chǎng)和未生產(chǎn)現場(chǎng)，若SVG投運后發(fā)現功率不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，可以隨意擴容，不需要將設備完全拆除，只需要更換功率單元即可實(shí)現增容，另外在一個(gè)現場(chǎng)若有多臺設備，可以十分方便的實(shí)現以太網(wǎng)組網(wǎng)，或通過(guò)高速光纖實(shí)現主從控制。

5.2系統結構

FGSVG系列產(chǎn)品的主電路采用鏈式拓撲結構，模塊化的結構設計，采用星型連接，星型接法的結構示意圖如圖1所示。

圖1 FGSVG電氣結構示意圖

控制柜與功率柜信號通過(guò)光纖進(jìn)行隔離控制，實(shí)現了高低壓的可靠隔離。FGSVG系列產(chǎn)品系統對結構上做出了極大的改進(jìn)處理，使維護更方便?？刂乒襁M(jìn)行了嚴格的抗干擾處理，保障控制系統不受高壓主回路的影響。功率單元的改善使得功率柜占地面積更小，極大節省了用戶(hù)設備空間，減少了投資。

FGSVG系列產(chǎn)品主要分為三部分：控制柜、功率柜、電抗器柜。其中功率柜實(shí)現了統一設計，方便產(chǎn)品的擴展及穩定性。各電壓等級的裝置由控制柜、功率柜及電抗器柜（或空心電抗）組成。
5.2.1  控制柜

主回路部分由隔離開(kāi)關(guān)QS1，斷路器QF，緩沖電阻R及狀態(tài)檢測器件等多個(gè)部分組成，如圖2所示。

圖2 控制柜中主回路圖

自主研發(fā)的主控箱系標準機箱，通過(guò)了GB/T17626系列國標要求的嚴格EMC（電磁兼容性）認證，又通過(guò)溫度沖擊及振動(dòng)試驗的處理，具有較高的可靠性。
主控箱中控制核心由高速32位數字信號處理器DSP、大規?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD/FPGA協(xié)同運算來(lái)實(shí)現。精心設計的算法可以保證FGSVG達到較優(yōu)的運行性能?？刂破鞑捎么笠幠＜呻娐泛捅砻婧附蛹夹g(shù)，使系統具有極高的可靠性。采用國際知名品牌西門(mén)子PLC，增強了系統的靈活性。

人性化操作界面如圖3所示，柜門(mén)上安放緊急停止按鈕，方便用戶(hù)在緊急情況下操作。選用知名品牌威綸通HMI，采用世界先進(jìn)的儀器設備，運用標準化作業(yè)程序執行管制，與國際標準同步，保證了其金牌品質(zhì)。
5.2.2  功率柜

功率柜主要由功率單元組成，構成了FGSVG無(wú)功補償的主體。功率單元分三相安裝，單元輸出波形疊加成整機輸出波形。每個(gè)功率單元都承受全部的輸出電流、1/20的相電壓、1/60的輸出功率。單元模塊工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生部分熱量，由柜頂或后柜門(mén)設計的風(fēng)機強制散熱。

直流電容精心選用知名品牌的薄膜電容，采用金屬化聚丙烯薄膜（德國創(chuàng )始普PHD型耐高溫聚丙烯基膜），為產(chǎn)品可靠性提供了有力保障。

每個(gè)功率單元均具有完善的保護功能（過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫、驅動(dòng)觸發(fā)異常、通訊異常等），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，系統具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。

功率單元結構上完全一致，模塊化的結構設計，使得功率單元可以任意互換，單元的外部接口只有兩個(gè)或四個(gè)輸出端子及兩個(gè)光纖插口，這使得維護和檢修更簡(jiǎn)單。每個(gè)單元通過(guò)IGBT逆變橋實(shí)現正弦PWM控制，可得到如圖3所示的單元輸出波形。

 
圖3單元輸出波形

單元鏈接后三相之間進(jìn)行星型連接并通過(guò)電抗接入電網(wǎng)，通過(guò)對每個(gè)單元的PWM波形的疊加，可得到逼近正弦的階梯PWM波形，如圖4所示為星型連接的單相波形。

 
圖4單元輸出疊加后的波形圖

FGSVG系列產(chǎn)品采用了先進(jìn)的數字化標準載波移相技術(shù)，它的特點(diǎn)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(guò)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，在輸出側無(wú)需再增加輸出濾波器。
5.2.3  電抗器柜

FGSVG系列產(chǎn)品通過(guò)電抗器L接入電網(wǎng)，電流波形正弦度更好。電抗器平波的同時(shí)，也抑制了SVG的諧波使其輸出的電流諧波符合國家標準。電抗器柜的單獨設計利于用戶(hù)對空間的更高使用率，極大程度的緩解了空間對該設備的使用限制，一定程度上減少了用戶(hù)對設備間的投資，節省了開(kāi)支。
6長(cháng)豐朱巷鎮三里河水庫40MWp光伏發(fā)電場(chǎng)SVG運行情況

本項目總裝機容量為40MWp，共裝設置630kW并網(wǎng)逆變器64臺，并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓為0.3kV和0.27kV，經(jīng)升壓變壓器升壓至35kV，后經(jīng)匯集后送至中海洋110kV變電站35kV出線(xiàn)間隔。

電站為了能滿(mǎn)足正常運行的需要采購新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的9MVar 動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置一臺，型號FGSVG-C9.0T，經(jīng)過(guò)升壓10kV/35kV 升壓變壓器后掛接現場(chǎng)的35kV 電網(wǎng)。FGSVG現場(chǎng)圖片（如圖6所示）：

圖6  FGSVG現場(chǎng)圖片

FGSVG 投運后運行正常，滿(mǎn)足了光伏電站對于無(wú)功補償裝置的要求，也順利經(jīng)過(guò)了驗收，該裝置具有以下的運行特點(diǎn)：
（1）設計合理，安裝簡(jiǎn)便。FGSVG 采用模塊化結構，安裝維護簡(jiǎn)單，現場(chǎng)配線(xiàn)少，調試簡(jiǎn)單，投產(chǎn)迅速。
（2） 操作簡(jiǎn)單易于觀(guān)察
FGSVG 控制面板結構簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，標準通信功能可以實(shí)現與上位機系統的互聯(lián)，狀態(tài)顯示全面，功能設置方便。
（3）功率因數穩定且可設置
光伏電站并網(wǎng)要求功率因數0.95~0.99 之間，實(shí)際不投入SVG 時(shí)并網(wǎng)功率因數大約為1，為了維持電力系統的穩定，SVG 發(fā)送部分感性無(wú)功使功率因數達到要求。長(cháng)豐朱巷鎮三里河水庫40MWp光伏電站投入SVG 之后功率因數一直穩定在0.98~0.99 之間，既滿(mǎn)足了盡量多發(fā)電的要求，又滿(mǎn)足了電力系統對功率因數的要求。
（4）提高電網(wǎng)電能質(zhì)量
SVG 對諧波具有濾除功能，現場(chǎng)投入SVG 之后電網(wǎng)接入點(diǎn)電流諧波含量維持2%以下，SVG 與普通的無(wú)功補償裝置相比具有極快的響應速度，FGSVG 響應速度小于5ms，對于電網(wǎng)電壓的跌落和閃變具有一定抑制作用并網(wǎng)波形。
（5） 能耗情況
FGSVG 運行效率高達99.97%，耗電極少，減少了電站自身用電損耗。
7結束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一年半來(lái)的運行表明，FGSVG無(wú)功補償裝置在長(cháng)豐朱巷鎮三里河水庫40MWp光伏電站工作穩定可靠，自動(dòng)化程度高，改善了電網(wǎng)質(zhì)量，達到了預期效果。SVG是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種有效、優(yōu)質(zhì)的無(wú)功補償措施，是電力電子技術(shù)及逆變技術(shù)在新能源領(lǐng)域中的新應用，在治理光伏發(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)諧波、無(wú)功補償及穩定電網(wǎng)安全運行方面，發(fā)揮著(zhù)重要的作用。