1前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，光伏發(fā)電在內(nèi)的新能源的開發(fā)和利用是解決當(dāng)前面臨的能源短缺危機(jī)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(tǒng)帶來了許多新問題，無功電壓問題就是較為重要的問題之一。光伏發(fā)電系統(tǒng)本身光照強(qiáng)度、溫度變化等都會引起并網(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(wěn)定運(yùn)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)會進(jìn)一步惡化電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，帶來更加嚴(yán)重的后果。隨著更多、更大的光伏電站投入運(yùn)行，光伏電站的突然脫網(wǎng)等技術(shù)問題也會越來越突出。
2光伏電站需要解決的關(guān)鍵問題

當(dāng)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(fù)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(dǎo)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(wěn)定運(yùn)行。

因此，要解決目前光伏電站實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的重要性。控制大型光伏電站低電壓穿越問題，保障光伏電站接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。然而，目前國內(nèi)外的光伏電站無功輸出，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(cè)輸出電流的大小，若超過額定電流過大，則會損害電力電子器件。因此采用在光伏電站母線上安裝SVG等裝置以補(bǔ)償光伏系統(tǒng)的無功需求，在電網(wǎng)故障時(shí)能保持并網(wǎng)運(yùn)行，并向電網(wǎng)輸出一定的無功功率以支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，減少了因光伏電站的突然脫網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的不利影響。
3加裝SVG的必要性

靜止無功發(fā)生器（SVG）則可以快速平滑調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償功率的大小，提供動(dòng)態(tài)的電壓支撐，改善系統(tǒng)的運(yùn)行性能。將SVG安裝在光伏電站的出口，根據(jù)光伏電站接入點(diǎn)電壓的偏差量來控制SVG補(bǔ)償?shù)臒o功功率，能夠穩(wěn)定光伏電站節(jié)點(diǎn)電壓，降低功率波動(dòng)對電網(wǎng)電壓的影響。在系統(tǒng)發(fā)生短路故障情況下，SVG的動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)能力可以加快故障切除后光伏電站內(nèi)部和接入點(diǎn)電壓的恢復(fù)過程；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(shè)備安全運(yùn)行和穩(wěn)定電能質(zhì)量均有很好的作用。
靜止無功發(fā)生器（SVG）可以快速平滑調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償功率的大小，提供動(dòng)態(tài)的電壓支撐，改善系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

在系統(tǒng)發(fā)生短路故障情況下，SVG的動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)能力可以加快故障切除后內(nèi)部工況的恢復(fù)過程；在負(fù)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(shè)備及變電站安全運(yùn)行和穩(wěn)定電能質(zhì)量均有很好的作用。
4項(xiàng)目概況

國電長豐朱巷鎮(zhèn)三里河水庫40MWp漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電場，擬采購多晶硅255Wp光伏組件79200*2塊，總?cè)萘繛?0.392MW，太陽能板陣列共有1980*2塊，按20塊一個(gè)組串，共計(jì)3960*2個(gè)組串；64臺并網(wǎng)逆變器、32臺1250kva變壓器。項(xiàng)目投產(chǎn)后，年平均發(fā)電量4400萬千瓦時(shí)。本項(xiàng)目的建成投產(chǎn)可在一定程度上調(diào)整當(dāng)?shù)仉娏Ξa(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，解決當(dāng)?shù)卣墓?jié)能減排任務(wù)；提高人們的生活質(zhì)量，同時(shí)該項(xiàng)目促進(jìn)該區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

為了提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，降低大型光伏電站對電力系統(tǒng)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(jù)《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》Q/GDW 617-2011要求“大中型光伏電站應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng)，具備無功功率及電壓控制能力。根據(jù)電力調(diào)度部門指令，光伏電站自動(dòng)調(diào)節(jié)器發(fā)出（或吸收）無功功率，控制光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，其調(diào)節(jié)速度和控制精度應(yīng)能滿足電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的要求。低電壓穿越過程中光伏電站宜提供動(dòng)態(tài)無功支持?！薄禛B/T29321-2012光伏發(fā)電站無功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范》中5.2條款要求，“光伏電站無功補(bǔ)償裝置應(yīng)能夠跟蹤光伏電站處理的波動(dòng)及系統(tǒng)電壓控制要求，并快速響應(yīng)。動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于30ms?！痹摴夥娬緲I(yè)主通過招標(biāo)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)無功補(bǔ)償和諧波治理裝置，配置在光伏發(fā)電現(xiàn)場，用于電網(wǎng)無功補(bǔ)償和諧波治理，設(shè)備一次成功投運(yùn)，達(dá)到了預(yù)期目的。
5 新風(fēng)光FGSVG-C9.0/35T高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償
5.1  FGSVG裝置技術(shù)優(yōu)勢

FGSVG系列產(chǎn)品采用現(xiàn)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)無功功率理論和基于同步坐標(biāo)變換的功率解耦算法，以設(shè)定的無功性質(zhì)及大小、功率因數(shù)、電網(wǎng)電壓為控制目標(biāo)運(yùn)行，動(dòng)態(tài)的跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化調(diào)節(jié)無功輸出，并能實(shí)現(xiàn)曲線設(shè)定運(yùn)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(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過電力電子器件的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)無功能量的變換。易操作、高性能、高可靠性的FGSVG系列產(chǎn)品為滿足用戶對提高輸配電電網(wǎng)的功率因數(shù)、治理諧波、補(bǔ)償負(fù)序電流的迫切需求做出相應(yīng)設(shè)計(jì)，具有以下特點(diǎn)：
●   模塊化設(shè)計(jì)，安裝、調(diào)試、設(shè)定簡便。
●   動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間≤5ms。
●   在補(bǔ)償容量足夠的前提下，輸出電流諧波（THD）≤3%。
●   多種運(yùn)行模式極大的滿足用戶需求，運(yùn)行模式有：恒裝置無功功率模式、恒考核點(diǎn)無功功率模式、恒考核點(diǎn)功率因數(shù)模式、恒考核點(diǎn)電壓模式、負(fù)載補(bǔ)償模式，目標(biāo)值可實(shí)時(shí)更改。
●   實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化，動(dòng)態(tài)連續(xù)平滑補(bǔ)償無功功率，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，實(shí)時(shí)治理諧波，補(bǔ)償負(fù)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(wěn)定系統(tǒng)電壓。
●   FGSVG電路參數(shù)精心設(shè)計(jì)，發(fā)熱量小，效率高，運(yùn)行成本低。
●   設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。
●   主電路采用IGBT組成的H橋功率單元鏈?zhǔn)酱?lián)結(jié)構(gòu),每相由多個(gè)相同功率單元組成，整機(jī)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(diào)整載波頻率，自適應(yīng)環(huán)境和功率變化。
●小于0.2A的補(bǔ)償精度。
●   FGSVG采用冗余性設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)高可靠性的需求。
●   功率電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡單，互換性好。
●   保護(hù)功能齊全，具有過壓、欠壓、過流、單元過熱、不均壓等保護(hù)，并能實(shí)現(xiàn)故障瞬間的波形錄制，便于確定故障點(diǎn)，易維護(hù)，運(yùn)行可靠性高。
●   人機(jī)界面設(shè)計(jì)采用windows系統(tǒng)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(xí)慣設(shè)計(jì)。界面友好顯示，對外通訊提供了RS485等接口，采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus通訊協(xié)議。除具有實(shí)時(shí)數(shù)字量及模擬量的顯示、運(yùn)行歷史事件記錄、歷史曲線記錄查詢、單元狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)信息查詢、歷史故障查詢等功能外，還具有送電后系統(tǒng)自檢、一鍵開停機(jī)、分時(shí)控制、示波器（AD通道強(qiáng)制錄波）、故障瞬間電壓/電流波形記錄等特色功能。
●   FGSVG設(shè)計(jì)包含與FC配合使用的接口，實(shí)現(xiàn)定補(bǔ)和動(dòng)補(bǔ)的有效結(jié)合，為用戶提供更經(jīng)濟(jì)，更靈活的補(bǔ)償方案。具有4組FC接口控制功能，在控制上可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置4組FC支路的投切順序，并實(shí)時(shí)監(jiān)測FC的故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了SVG+FC系統(tǒng)的智能控制。
●   投切時(shí)無暫態(tài)沖擊，無合閘涌流，無電弧重燃，無需放電即可再投。
●   采用美國TI和ALTERA公司的優(yōu)質(zhì)DSP芯片和FPGA芯片，實(shí)現(xiàn)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(jì)算，功率單元控制，三片F(xiàn)PGA配合DSP實(shí)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交換，基于這種構(gòu)架的產(chǎn)品，整機(jī)響應(yīng)速度達(dá)到了容性功率到感性功率突變時(shí)間只需要3.7ms。
●   與系統(tǒng)連接時(shí)，不需要考慮交流系統(tǒng)相序，連接方便。
●   可并聯(lián)安裝，極易擴(kuò)展容量。并機(jī)運(yùn)行使用光纖通訊，通訊速度快，能夠完好的滿足實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)囊?。整機(jī)擴(kuò)容簡單易行，特別是改造現(xiàn)場和未生產(chǎn)現(xiàn)場，若SVG投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)功率不能滿足生產(chǎn)要求，可以隨意擴(kuò)容，不需要將設(shè)備完全拆除，只需要更換功率單元即可實(shí)現(xiàn)增容，另外在一個(gè)現(xiàn)場若有多臺設(shè)備，可以十分方便的實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)組網(wǎng)，或通過高速光纖實(shí)現(xiàn)主從控制。

5.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FGSVG系列產(chǎn)品的主電路采用鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用星型連接，星型接法的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 FGSVG電氣結(jié)構(gòu)示意圖

控制柜與功率柜信號通過光纖進(jìn)行隔離控制，實(shí)現(xiàn)了高低壓的可靠隔離。FGSVG系列產(chǎn)品系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)上做出了極大的改進(jìn)處理，使維護(hù)更方便?？刂乒襁M(jìn)行了嚴(yán)格的抗干擾處理，保障控制系統(tǒng)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(jié)省了用戶設(shè)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(xiàn)了統(tǒng)一設(shè)計(jì)，方便產(chǎn)品的擴(kuò)展及穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，通過了GB/T17626系列國標(biāo)要求的嚴(yán)格EMC（電磁兼容性）認(rèn)證，又通過溫度沖擊及振動(dòng)試驗(yàn)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(shù)字信號處理器DSP、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD/FPGA協(xié)同運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。精心設(shè)計(jì)的算法可以保證FGSVG達(dá)到較優(yōu)的運(yùn)行性能。控制器采用大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，使系統(tǒng)具有極高的可靠性。采用國際知名品牌西門子PLC，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

人性化操作界面如圖3所示，柜門上安放緊急停止按鈕，方便用戶在緊急情況下操作。選用知名品牌威綸通HMI，采用世界先進(jìn)的儀器設(shè)備，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序執(zhí)行管制，與國際標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)成了FGSVG無功補(bǔ)償?shù)闹黧w。功率單元分三相安裝，單元輸出波形疊加成整機(jī)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)會產(chǎn)生部分熱量，由柜頂或后柜門設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)強(qiáng)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(hù)功能（過流、過壓、過溫、驅(qū)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(tǒng)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(jié)構(gòu)上完全一致，模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(hù)和檢修更簡單。每個(gè)單元通過IGBT逆變橋?qū)崿F(xiàn)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)行星型連接并通過電抗接入電網(wǎng)，通過對每個(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(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)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(cè)無需再增加輸出濾波器。
5.2.3  電抗器柜

FGSVG系列產(chǎn)品通過電抗器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(biāo)準(zhǔn)。電抗器柜的單獨(dú)設(shè)計(jì)利于用戶對空間的更高使用率，極大程度的緩解了空間對該設(shè)備的使用限制，一定程度上減少了用戶對設(shè)備間的投資，節(jié)省了開支。
6長豐朱巷鎮(zhèn)三里河水庫40MWp光伏發(fā)電場SVG運(yùn)行情況

本項(xiàng)目總裝機(jī)容量為40MWp，共裝設(shè)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出線間隔。

電站為了能滿足正常運(yùn)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)無功補(bǔ)償裝置一臺，型號FGSVG-C9.0T，經(jīng)過升壓10kV/35kV 升壓變壓器后掛接現(xiàn)場的35kV 電網(wǎng)。FGSVG現(xiàn)場圖片（如圖6所示）：

圖6  FGSVG現(xiàn)場圖片

FGSVG 投運(yùn)后運(yùn)行正常，滿足了光伏電站對于無功補(bǔ)償裝置的要求，也順利經(jīng)過了驗(yàn)收，該裝置具有以下的運(yùn)行特點(diǎn)：
（1）設(shè)計(jì)合理，安裝簡便。FGSVG 采用模塊化結(jié)構(gòu)，安裝維護(hù)簡單，現(xiàn)場配線少，調(diào)試簡單，投產(chǎn)迅速。
（2） 操作簡單易于觀察
FGSVG 控制面板結(jié)構(gòu)簡潔，操作簡單，標(biāo)準(zhǔn)通信功能可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)，狀態(tài)顯示全面，功能設(shè)置方便。
（3）功率因數(shù)穩(wěn)定且可設(shè)置
光伏電站并網(wǎng)要求功率因數(shù)0.95~0.99 之間，實(shí)際不投入SVG 時(shí)并網(wǎng)功率因數(shù)大約為1，為了維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，SVG 發(fā)送部分感性無功使功率因數(shù)達(dá)到要求。長豐朱巷鎮(zhèn)三里河水庫40MWp光伏電站投入SVG 之后功率因數(shù)一直穩(wěn)定在0.98~0.99 之間，既滿足了盡量多發(fā)電的要求，又滿足了電力系統(tǒng)對功率因數(shù)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(xiàn)場投入SVG 之后電網(wǎng)接入點(diǎn)電流諧波含量維持2%以下，SVG 與普通的無功補(bǔ)償裝置相比具有極快的響應(yīng)速度，F(xiàn)GSVG 響應(yīng)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(yùn)行效率高達(dá)99.97%，耗電極少，減少了電站自身用電損耗。
7結(jié)束語

經(jīng)過一年半來的運(yùn)行表明，F(xiàn)GSVG無功補(bǔ)償裝置在長豐朱巷鎮(zhèn)三里河水庫40MWp光伏電站工作穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，改善了電網(wǎng)質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期效果。SVG是近年來發(fā)展起來的一種有效、優(yōu)質(zhì)的無功補(bǔ)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(yīng)用，在治理光伏發(fā)電場電網(wǎng)諧波、無功補(bǔ)償及穩(wěn)定電網(wǎng)安全運(yùn)行方面，發(fā)揮著重要的作用。