高压动态无功补偿装置（SVG）的光伏项目的应用案例

本文介绍了新风光电子科技股份有限公司生产的高压动态无功补偿装置（SVG）在华电汶上光伏项目的应用情况。从SVG的工作原理、特性及在无功补偿方面的作用等方面进行了分析，阐明了SVG在发电站、尤其是光伏及风电工程的重要作用。

1、引言

华电山东新能源有限公司汶上分公司，位于山东省济宁市汶上县郭楼镇，占地面积4200亩，总装机容量为100MW，是国家光伏领跑技术基地示范项目，于2018年5月31日顺利并网发电。该工程于2018年4月列入山东省新旧动能转换重大工程优选典型项目。该项目地处采煤沉陷区，采用"农光互补"新型发展模式，有效利用采煤沉陷区土地和太阳能资源，将农业生产与光伏发电有机结合，上层用于光伏发电，下层用于大棚种植，充分实现土地的深度利用。借助光伏产业发展现代农业和观光旅游，实施集约化生产和企业化经营，对促进当地工业结构调整，推进技术进步，培育新的经济增长具有重要的经济价值和社会意义，是贯彻落实乡村振兴战略的重要实践。

该工程具有良好的生态和社会效益，项目投运后不仅可以增加绿化面积，加快山东省新旧动能的转换脚步，还可以吸引农村劳动力，增加农民收入。同时每年可减少标煤消耗约4.69万吨，相应每年减少烟尘102吨/年，SO2816.82吨/年，NOX1225.3吨/年，CO211.23万吨/年，灰渣1.70万吨/年。对当地的生态文明建设具有重要意义。

2、发电厂无功的实现

从电力电子学的角度来说，对于发电厂，既要向用户提供一定的有功能量，供用户的用电设备使用，如各种电动机将电能转换为机械能，各种电热设备将电能转变为热能供我们使用，各种照明设备将电能转变为光能，供人们生活和工作用。但同时也必须发送一定的无功功率。它是用于电路内电厂与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外做功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，都需要消耗无功功率。无功功率绝不是无用功率，它的用处很大，电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是从电源取得无功功率而建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器也不能吸合。这就好比人吃饭，每次盛一碗饭吃，吃完又去盛一碗饭吃，对人而言，饭相当于对人做有功，而碗就是做无功。

在电网中，有功与无功都要保持相对平衡，否则系统的频率电压就无法维持在额定范围内。

而对于火力发电厂来说，一般不需要专用的无功补偿设备，这是因为发电机本身就是一个无功补偿设备，在其发出电力的同时，如果提高励磁电压，就会发出感性无功，如果减少励磁电压，就会发出容性无功。

但是对于光伏发电站来说，由于没有发电机，无法靠改变励磁电压来改变线路内的无功，因此必须采用专用的无功补偿装置，保证电网可靠的稳定经济运行。而这种专用的无功补偿装置，现在通常采用的就是静止无功补偿装置，简称SVG。

3、SVG动态无功补偿装置的介绍

随着现代电网的大规模发展，新能源的大量并网、大容量的电力电子设备等非线性负荷和冲击性负荷的广泛应用，带来了严重的电能质量问题：

◆功率因数低，电网损耗增加，生产成本加大，生产效率降低。

◆产生的无功冲击引起电网电压波动及闪变，严重时导致传动装置及保护装置无法正常工作甚至停产。

◆电网三相不平衡，产生负序电流使电机转子发生振动。

◆产生高次谐波电流，导致电网电压畸变。

◆电容器组谐振及谐波电流放大，使电容器过负荷或过电压，甚至烧毁。

◆增加变压器损耗，引起变压器发热。

◆导致电力设备发热，电机力矩不稳甚至损坏。

◆加速电力设备绝缘老化，易击穿。

◆降低电弧炉生产效率，增加损耗。

◆干扰通讯信号。

随着电网的不断发展，对无功功率进行控制与补偿的必要性与日俱增。

■输电网络对运行效率的要求日益提高，为了有效利用输变电容量，应对无功进行就地补偿。

■电源（尤其水电、光伏等新能源）远离负荷中心，远距离的输电需要灵活控制无功以支撑解决稳定性及电压控制问题。

■配电网中存在大量电感性负载，在运行中需要大量无功，使得配电系统损耗大大增加。

■直流输电系统要求在换流器的交流侧进行无功控制。

■用户对于供电电能质量的要求日益提高，获得经济效益的目的日益明确，对电网的无功进行补偿，尤其是就地无功补偿，在输配电系统中便显得十分必要。

目前最理想的解决方案就是采用SVG(StaticVarGenerator-静止无功发生器)也称STATCOM（StaticSynchronousCompensator的简称)，其主要作用是：

提高电网稳定性、增加输电能力、消除无功冲击、抑制谐波、平衡三相电网，降低损耗、节能减排。

其基本原理是将桥式变流电路通过电抗器并联在电网，适当调节桥式变流电路输出电压的相位和幅值或者直接调节其输出电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功功率，从而实现动态无功补偿的目的。

SVG型动态无功补偿与谐波治理装置的运用是目前最先进的动态无功补偿技术，最成熟的电压源型变流器技术，使得无功补偿装置实现了质的飞跃。无功补偿不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。

SVG动态无功补偿装置是以IGBT为核心的无功补偿系统，能够快速连续地提供容性或感性无功功率，实现考核点恒定无功、恒定电压和恒定功率因数的控制等，保障电力系统稳定、高效、优质地运行。在配电网中，将中小容量的SVG产品安装在某些特殊负荷（如电弧炉）附近，可以显著地改善负荷与公共电网连接点处的电能质量，例如提高功率因数、克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动、抑止谐波污染等。

4新风光高压SVG产品的主要特点：

新风光SVG系列产品采用现代电力电子、自动化、微电子及网络通讯等技术，采用先进的瞬时无功功率理论和基于同步坐标变换的功率解耦算法，以设定的无功性质及大小、功率因数、电网电压为控制目标运行，动态的跟踪电网电能质量变化调节无功输出，并能实现曲线设定运行，提升电网质量。

易操作、高性能、高可靠性的SVG系列产品为满足用户对提高输配电电网的功率因数、治理谐波、补偿负序电流的迫切需求做出相应设计，具有以下特点：

●模块化设计，安装、调试、设定简便。

●动态响应速度快，响应时间≤5ms。

●在补偿容量足够的前提下，输出电流谐波（THD）≤3%。

●多种运行模式极大地满足用户需求，运行模式有：恒装置无功功率模式、恒考核点无功功率模式1、恒考核点功率因数模式、恒考核点电压模式、恒考核点无功功率模式2，目标值可实时更改。

●实时跟踪负荷变化，动态连续平滑补偿无功功率，提高系统功率因数，实时治理谐波，补偿负序电流，提高电网供电质量。

●抑制电压闪变，改善电压质量，稳定系统电压。

●SVG电路参数精心设计，发热量小，效率高，运行成本低

●设备结构紧凑，占地面积小。

●主电路采用IGBT组成的H桥功率单元链式串联结构，每相由多个相同功率单元组成，整机输出由PWM波形叠加而成的阶梯波，逼近正弦，经输出电抗滤波后正弦度良好。

●SVG采用冗余性设计和模块化设计，满足系统高可靠性的需求。

●功率电路模块化设计，维护简单，互换性好。

●保护功能齐全，具有过压、欠压、过流、单元过热、不均压等保护，并能实现故障瞬间的波形录制，便于确定故障点，易维护，运行可靠性高。

●人机界面友好显示，对外通讯提供了RS-485、以太网等接口，采用标准Modbus通讯协议。除具有实时数字量及模拟量的显示、运行历史事件记录、历史曲线记录查询、单元状态监控、系统信息查询、历史故障查询等功能外，还具有送电后系统自检、一键开停机、分时控制、示波器（AD通道强制录波）、故障瞬间电压/电流波形记录等特色功能。

●SVG设计包含与FC配合使用的接口，实现定补和动补的有效结合，为用户提供更经济，更灵活的补偿方案。

●投切时无暂态冲击，无合闸涌流，无电弧重燃，无需放电即可再投。

●与系统连接时，不需要考虑交流系统相序，连接方便。

●可并联安装，极易扩展容量。并机运行使用光纤通讯，通讯速度快，能够完好的满足实时补偿的要求。

5、SVG的基本原理

SVG系列产品的原理示意图如图2所示。在交流电路中，电压和电流的相位有三种情况，当负载呈现纯电阻特性时，电压和电流相位相同；当负载呈现电感特性时，电压相位超前电流相位；当负载呈现电容特性时，电压相位滞后电流相位。

图2SVG原理图

SVG系列产品基本原理就是将自换相桥式电路通过变压器或者电抗器并联到电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的，如表1所示

6、高压SVG的主电路结构

高压SVG系列产品的主电路采用链式拓扑结构，模块化的结构设计，星型及三角形的连接方式实现不同容量下的最大性价比，既保证用户投资的有效性，又保障了电力系统稳定、高效、优质的运行。星型接法的结构示意图如图3所示。

图3SVG的系统结构图

控制柜与功率柜信号通过光纤进行隔离控制，实现了高低压的可靠隔离。SVG系列产品系统对结构上做出了极大的改进处理，使维护更方便。控制柜进行了严格的抗干扰处理，保障控制系统不受高压主回路的影响。功率模块（单元）的改善使得功率柜占地面积更小，极大节省了用户设备空间，减少了投资。

功率柜主要由功率单元组成，构成了SVG无功补偿的主体。功率单元分三相安装，每相单元个数相等，单元输出波形叠加成整机输出波形。每个功率单元都承受全部的输出电流、1/N的相电压、1/(3N)的输出功率。单元模块工作时会产生部分热量，由柜顶或后柜门设计的风机强制散热。功率柜单元排布如图4所示。每个功率单元均具有完善的保护功能（过流、过压、过温、驱动触发异常、通讯异常等），各单元状态均反馈到主控系统，控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。

功率单元结构上完全一致，模块化的结构设计，使得功率单元可以任意互换，单元的外部接口只有两个或四个输出端子及两个光纤插口，这使得维护和检修更简单。在单元已有冗余的情况下其它功率单元发生故障，用户可以简单更换备用功率单元，为恢复生产赢得宝贵时间。

每个单元通过IGBT逆变桥实现正弦PWM控制，可得到如图5所示的单元输出波形。

图5单元输出波形

单元链接后三相之间进行星型或角型连接并通过电抗接入电网，通过对每个单元的PWM波形的叠加，可得到逼近正弦的阶梯PWM波形，如图6所示为星型连接的单相波形。

图6星型连接的单相波形

SVG系列产品采用了先进的数字化标准载波移相技术，它的特点是单元输出的基波相叠加、谐波彼此相抵消，串联后又经过输出电抗器滤波，总输出波形正弦度好，dv/dt小，谐波成分含量小，可减少对电缆的绝缘损坏，在输出侧无需再增加输出滤波器。

7、SVG的应用领域

SVG系列产品可以增强电力传输能力、减小电能损耗、补偿无功功率、治理谐波、抑制闪变、稳定电网电压、平衡三相系统、改变系统的阻尼特性、提高系统的稳定性，具有较广的应用范围。

SVG系列产品可广泛应用于石油化工、电力系统、冶金、电气化铁路、城市建设等行业中，为各种异步电动机、变压器、晶闸管变流器、变频器、感应炉、电弧炉、照明设备、电力机车、提升机、起重机、冲压机、风力发电机、电焊机、轧钢机、电阻炉、石英熔炼炉等设备提供高质量、高可靠性的无功补偿的解决方案。

（1）石油、化工、矿山、码头、重型工业：

a稳定供电电压；

b给较多中低压电机供电的变电站集中补偿；

c大型电机的无功就地动态补偿；

d对各类粉碎机、破碎机、球磨机进行无功集中补偿；

e减少牵引传动装置的无功波动与谐波；

f大型起重机设备、船闸控制系统、锻造设备等的集中补偿；

（2）钢铁、冶金：

a提高功率因数降低无功损耗；

b降低电压波动，抑制闪变，提高生产效率；

c滤除谐波，保障设备安全；

d平衡负序；

（3）城市配网及农网供电：

a提高功率因数降低无功损耗；

b解决波动性负荷产生的电压波动与闪变;；

c稳定受电末端电压；

d适合对多个用户的无功与谐波集中补偿，尤其冲击型负荷较多的场合；

（4）新能源接入：

a控制风电、光伏发电设备电源接入点无功，防止无功倒送；

b稳定电网电压，减少发电功率波动造成的电压波动；

c维持接入点电压，提高低电压穿越能力；

（5）电气化铁道及城市轨道交通行业：

a牵引供电系统的无功与谐波综合治理，改善电能质量，提高牵引能力，节能降耗；

b平衡机车负荷产生的负序电流。

8、现场应用情况

SVG应用现场如图7所示，现场运行人机界面截图如图8所示。

图8现场运行人机界面

华电山东新能源有限公司汶上分公司，建站后采用了新风光电子科技股份有限公司生产的SVG产品，型号是FGSVG-C6.5/35-O，共4台用于电站的动态无功补偿。自2018年投入运行，接近两年的时间，通过运行实践，带来明显的经济效益，在稳定电网质量，提高输配电能力等方面都有很好的效果，具体体现在：

（1）电网电压稳定。发电厂自投运以来，由于大部分面向农村供电，电网波动比较频繁。特别在夏季，电网用电高峰，呈现波峰与波谷的交替变换。使用SVG恒电压补偿后，电网电压基本保持在37.5V，有效保持了输电电压的稳定，补偿了因负载波动因起的电压波动，保正了输电的稳定性。

（2）提高了功率因数并保持恒定。光伏电站在白天发电时由于逆变器的工作，功率因数较高，而在夜间或阴雨天没有阳光不发电时，功率因数就下降不稳定，采用SVG的功率因数补偿后，可将功率因数补偿到0.98以上，保持了功率因数的稳定，提高了输电效率。

（3）通过SVG的低电压穿越功能，有效抑制了电网的闪变频率，提高了电网质量。

（4）平衡电网的无功。SVG将考核点接在并网处，能实时的检测电网的无功，平滑的调整无功，感性无功高时就补容性无功，容性无功高时就补感性无功，并能平滑的调节，保持了电网的无功平衡，利于电网的有功与无功的交换。

（5）调试方便，通过SVG的恒装置无功模式，可以自行发出感性无功或容性无功，检验装置的工作状态，确认设备的正常。

（6）检修与维护方便。装置采用功率单元模块化设计，当每相不超过2个模块，总的不超过6个模块故障时，可采取单元冗余的方式，降额运行。如果有备用单元，可在适当的时机停运，停电后进行更换，只是拆掉输出与光纤及单元固定螺栓即可更换，极大地方便了现场维护，有利于减少停运时间，保持设备的稳定。总之，通过现场使用，新风光SVG产品在调节电网无功、恒定功率因数及稳定电网电压方面都具有极大的优越性，值得在发电站及用户无功补偿领域大力推广。

参考文献：

[1]石东源,卢炎生.SVG及其在电力系统软件图形化中的应用初探[J].电力系统保护与控制,2004，32（16）

[2]高原,韩志盈.SVG结构及工作原理与优势浅析[J].民营科技,2017第11期

编辑：黄飞