基于光伏变电站动态无功补偿装置控制策略的研究

河源供电局 何绍洋 危 乐

引言：本文介绍了光伏变电站正常运行环境下电压电流和无功的变化情况，分析了动态无功补偿装置的控制策略，采用数字仿真实验和实际运行波形验证了文中涉及的系统控制策略的合理性，该策略已成功应用于目前110kV光伏上网变电站工程中。

1.前言

近年来，电网建设中大力发着新能源入网，提高电网能源的清洁、绿色成分，为了解决新能源入网的稳定性和功能利用率，国内一些电网开展了利用SVG来提高电网电压稳定的工程实践，无功补偿对于提高电力系统的电能质量有重要意义。随着国家经济发展，社会用电量日益增加，2018年全社会年用电量相比2015年增加22%，达87233亿千瓦时。然而当越来越多的用电设备接入电网，电网中的无功负载越来越多。输电线路输送无功功率，会影响电力系统中的功率分布：输送的无功功率越多，则输电线上的电压降和能量损耗就会越多。同时，由于新型输电技术和新能源技术的发展，无功补偿设备应对的电压等级和容量也越来越高。传统的变流器是基于晶闸管的普通换流器，晶闸管需要电网电压强制换相，且单个开关器件承受的电压等级有限。因此，将输出谐波小、器件可控、对器件承受的电压等级没有过高要求的新型变流器应用于电能质量治理就很有意义了。本文提到的静止无功发生器是采用模块化多电平变流器，通过对载波移相方法和最近电平逼近方法的输出谐波大小进行了比较，并选取谐波特性较好的载波移相方法对变流器中的开关器件进行调制，维持直流侧电压稳定。通过仿真与实际运行效果验证了控制策略的可行性。

2.SVG的接线方式和工作原理

SVG装置在110kV光伏变电站中的主电路采用链式逆变器拓扑结构，Y形连接，35kV装置每相由40个功率单元串联组成。采用双台GSC-35、双母运行，总容量为20MVar，下图2-1为一次接线图，图2-2为SVG装置的连接原理图。

图2-1 变电站SVG一次接线图

图2-2 SVG装置的连接原理图

从图2-2看出，功率单元采用H 桥拓扑结构，技术可靠。GSC-35系列链式高压静止无功发生器的这种模块式级连拓扑结构，极大的提高了高压静止无功发生器的可靠性、灵活性和可维护性。GSC-35的工作原理可以用下图2-3所示，单相等效电路图与电流超前和滞后工作的相量图来说明。Us表示电网电压，Ui等效SVG。SVG调节功率模组的输出电压，进而调节电抗器上的电流，使SVG吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。如需对系统中的谐波进行处理，可同时使SVG产生指定的谐波来补偿负荷中的电流谐波，实现谐波补偿的目的。

图2-3 单相等效电路图

其详细的工作模式及其补偿特性如表2-1所示：

表2-1 工作模式及其补偿特性

3.SVG在光伏电站的控制方法

3.1 定功率控制模型

以定值方式下发无功功率目标值，CPU计算出目标电流有效值值，FPGA根据有效值和相电压相位角计算出目标电流瞬时值。ua，ub，uc为系统电压，Irms为期望无功电流有效值，如上图所示，ua，ub，uc单相锁相环后得到角度值(锁相角度超前实际90度)，Irms与sin(theta)相乘，得到该相无功电流期望瞬时值。

图3-1 定功率控制模型策略

3.2 定电圧控制模型

对系统电压进行3s/2r变换得到系统电压ud，期望线电压和ud作为PI输入，以PI输出为iq，令id=0，进行2r/3s变换得到期望电流瞬时值。根据系统电压变化改变输出无功功率大小，从而达到调节系统电压的目的。

ua，ub，uc为系统电压，Urms为期望线电压有效值，如上图所示，ua，ub，uc单相锁相环后得到角度值，对系统电压进行3s/2r变换得到ud，ud和Urms作为PI输入，PI输出作为期望电流iq，对iq进行滤波后再进行2r/3s变换得到目标电流瞬时值。

图3-2 定电压控制模型策略

3.3 定功率因数控制模型

根据系统母线电流的有功分量和功率因数计算值计算出无功电流期望值，无功电流期望值和实际值无功电流进行PI调节，结果作为无功电流指令调节输出无功功率，达到调节母线无功功率的目的，实现了母线功率因数的控制。

ua，ub，uc为系统电压，ia，ib，ic为系统电流。如上图所示，母线电流进行3s/2r变换得到id、iq，以id×tan(theta_PF)为PI模块输入期望，theta_PF为期望功率因数角，以iq是PI模块输入实际值，PI输出结果作为期望电流iq_ref，令id_ref=0，做2r/3s变换得到期望目标电流。

图3-3 定功率因数控制模型策略

在光伏变电站中，以上几种控制策略能实现STATCOM既可以发出容性无功也可以发出感性无功，“吸收”自如，并且能实现响应时间在5～20ms，不发出谐波。

4.仿真与试验结果

4.1 仿真测试

为了验证SVG系统控制策略的正确性，在PSCAD平台上搭建了±10Mvar的链式STATCOM的电磁暂态仿真模型，利用大型设计软件pre-E进行虚拟设计，建立几何模型，完成模型设计。采用电弧炉作为负载，具体的仿真模型如图4-1所示，提供较大的谐波含量和感性无功，正常运行状况下，SVG未投入，通过仿真输出的电压、电流和功率因素状况，通过调节输出角，实施测试电气量的变化，把现场实际电气特性复制到数字模型中，与实际一致的先进仿真手段，电网工况模拟如下所示：

图4-1 仿真一次模型

仿真测试0～3S，系统正常运行，接入点35kV母线电压偏低，功率因数约为0.94；3～6S，投入负载运行，电压下降明显，功率因数降低0.82，仿真平台测试的波形如图4-2所示；6～9S，投入动态无功补偿装置，逐步调节电弧炉的负荷大小，检测功率因数与电流电压变化，电压恢复正常值，功率因数保持在0.98以上，效果良好。仿真平台测试的波形如图4-3所示。

图4-2 投入负载运行的电压波形曲线

图4-3 采用SVG动态补偿后的电压波形曲线

4.2 光伏电场运行效果

110kV光伏变电站投运以来，发生一次电压波动情况，经改善后35kV母线电压波动得到抑制，电压偏差由7%降为2.3%，10kV母线波动情况得到抑制，电压偏差小于5%。

检测电压波形如图4-4、4-5所示。

图4-4 35kV母线电压补偿前

图4-5 35kV母线电压补偿后

通过近几个月的数据检测，统计了110kV光伏用电量情况，总功率因数一致保持在0.99以上，响应时间控制在15mS以内。

5.结论

本文从SVG控制原理出发，提出对应的控制策略可根据电压检测值、电网故障状态、站内并联补偿状态等信息优化选取SVG运行模式，将多种功能有机地协调起来，结合现场运行搭建实际仿真平台，对比现场运行数据，验证了该控制策略在电网运行中的可靠性及合理性，动态无功补偿装置目前在光伏上网电站中发挥重要作用，对平衡电压和电网稳定运行起到关键作用。