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本文介紹了新風光電子科技股份有限公司生產的高壓動態無功補償裝置（SVG）在華電汶上光伏項目的應用情況。從SVG的工作原理、特性及在無功補償方面的作用等方面進行了分析，闡明了SVG在發電站、尤其是光伏及風電工程的重要作用。
1、引言
華電山東新能源有限公司汶上分公司，位于山東省濟寧市汶上縣郭樓鎮，占地面積4200畝，總裝機容量為100MW，是國家光伏領跑技術基地示范項目，于2018年5月31日順利并網發電。該工程于2018年4月列入山東省新舊動能轉換重大工程優選典型項目。該項目地處采煤沉陷區，采用"農光互補"新型發展模式，有效利用采煤沉陷區土地和太陽能資源，將農業生產與光伏發電有機結合，上層用于光伏發電，下層用于大棚種植，充分實現土地的深度利用。借助光伏產業發展現代農業和觀光旅游，實施集約化生產和企業化經營，對促進當地工業結構調整，推進技術進步，培育新的經濟增長具有重要的經濟價值和社會意義，是貫徹落實鄉村振興戰略的重要實踐。
該工程具有良好的生態和社會效益，項目投運后不僅可以增加綠化面積，加快山東省新舊動能的轉換腳步，還可以吸引農村勞動力，增加農民收入。同時每年可減少標煤消耗約4.69萬噸，相應每年減少煙塵102噸/年，SO2816.82噸/年，NOX1225.3噸/年，CO211.23萬噸/年，灰渣1.70萬噸/年。對當地的生態文明建設具有重要意義。
2、發電廠無功的實現
從電力電子學的角度來說，對于發電廠，既要向用戶提供一定的有功能量，供用戶的用電設備使用，如各種電動機將電能轉換為機械能，各種電熱設備將電能轉變為熱能供我們使用，各種照明設備將電能轉變為光能，供人們生活和工作用。但同時也必須發送一定的無功功率。它是用于電路內電廠與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外做功，而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，都需要消耗無功功率。無功功率絕不是無用功率，它的用處很大，電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是從電源取得無功功率而建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器也不能吸合。這就好比人吃飯，每次盛一碗飯吃，吃完又去盛一碗飯吃，對人而言，飯相當于對人做有功，而碗就是做無功。
在電網中，有功與無功都要保持相對平衡，否則系統的頻率電壓就無法維持在額定范圍內。
而對于火力發電廠來說，一般不需要專用的無功補償設備，這是因為發電機本身就是一個無功補償設備，在其發出電力的同時，如果提高勵磁電壓，就會發出感性無功，如果減少勵磁電壓，就會發出容性無功。
但是對于光伏發電站來說，由于沒有發電機，無法靠改變勵磁電壓來改變線路內的無功，因此必須采用專用的無功補償裝置，保證電網可靠的穩定經濟運行。而這種專用的無功補償裝置，現在通常采用的就是靜止無功補償裝置，簡稱SVG。
3、SVG動態無功補償裝置的介紹
隨著現代電網的大規模發展，新能源的大量并網、大容量的電力電子設備等非線性負荷和沖擊性負荷的廣泛應用，帶來了嚴重的電能質量問題：
◆功率因數低，電網損耗增加，生產成本加大，生產效率降低。
◆產生的無功沖擊引起電網電壓波動及閃變，嚴重時導致傳動裝置及保護裝置無法正常工作甚至停產。
◆產生高次諧波電流，導致電網電壓畸變。
◆電容器組諧振及諧波電流放大，使電容器過負荷或過電壓，甚至燒毀。
◆增加變壓器損耗，引起變壓器發熱。
◆導致電力設備發熱，電機力矩不穩甚至損壞。
◆加速電力設備絕緣老化，易擊穿。
◆降低電弧爐生產效率，增加損耗。
◆干擾通訊信號。
隨著電網的不斷發展，對無功功率進行控制與補償的必要性與日俱增。
■輸電網絡對運行效率的要求日益提高，為了有效利用輸變電容量，應對無功進行就地補償。
■電源（尤其水電、光伏等新能源）遠離負荷中心，遠距離的輸電需要靈活控制無功以支撐解決穩定性及電壓控制問題。
■配電網中存在大量電感性負載，在運行中需要大量無功，使得配電系統損耗大大增加。
■直流輸電系統要求在換流器的交流側進行無功控制。
■用戶對于供電電能質量的要求日益提高，獲得經濟效益的目的日益明確，對電網的無功進行補償，尤其是就地無功補償，在輸配電系統中便顯得十分必要。
目前最理想的解決方案就是采用SVG(StaticVarGenerator-靜止無功發生器)也稱STATCOM（StaticSynchronousCompensator的簡稱)，其主要作用是：
提高電網穩定性、增加輸電能力、消除無功沖擊、抑制諧波、平衡三相電網，降低損耗、節能減排。
其基本原理是將橋式變流電路通過電抗器并聯在電網，適當調節橋式變流電路輸出電壓的相位和幅值或者直接調節其輸出電流，使該電路吸收或者發出滿足要求的無功功率，從而實現動態無功補償的目的。
SVG型動態無功補償與諧波治理裝置的運用是目前最先進的動態無功補償技術，最成熟的電壓源型變流器技術，使得無功補償裝置實現了質的飛躍。無功補償不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換。
SVG動態無功補償裝置是以IGBT為核心的無功補償系統，能夠快速連續地提供容性或感性無功功率，實現考核點恒定無功、恒定電壓和恒定功率因數的控制等，保障電力系統穩定、高效、優質地運行。在配電網中，將中小容量的SVG產品安裝在某些特殊負荷（如電弧爐）附近，可以顯著地改善負荷與公共電網連接點處的電能質量，例如提高功率因數、克服三相不平衡、消除電壓閃變和電壓波動、抑止諧波污染等。
4新風光高壓SVG產品的主要特點：
新風光SVG系列產品采用現代電力電子、自動化、微電子及網絡通訊等技術，采用先進的瞬時無功功率理論和基于同步坐標變換的功率解耦算法，以設定的無功性質及大小、功率因數、電網電壓為控制目標運行，動態的跟蹤電網電能質量變化調節無功輸出，并能實現曲線設定運行，提升電網質量。
易操作、高性能、高可靠性的SVG系列產品為滿足用戶對提高輸配電電網的功率因數、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：
●模塊化設計，安裝、調試、設定簡便。
●動態響應速度快，響應時間≤5ms。
●在補償容量足夠的前提下，輸出電流諧波（THD）≤3%。
●多種運行模式極大地滿足用戶需求，運行模式有：恒裝置無功功率模式、恒考核點無功功率模式1、恒考核點功率因數模式、恒考核點電壓模式、恒考核點無功功率模式2，目標值可實時更改。
●實時跟蹤負荷變化，動態連續平滑補償無功功率，提高系統功率因數，實時治理諧波，補償負序電流，提高電網供電質量。
●抑制電壓閃變，改善電壓質量，穩定系統電壓。
●SVG電路參數精心設計，發熱量小，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結構，每相由多個相同功率單元組成，整機輸出由PWM波形疊加而成的階梯波，逼近正弦，經輸出電抗濾波后正弦度良好。
●SVG采用冗余性設計和模塊化設計，滿足系統高可靠性的需求。
●功率電路模塊化設計，維護簡單，互換性好。
●保護功能齊全，具有過壓、欠壓、過流、單元過熱、不均壓等保護，并能實現故障瞬間的波形錄制，便于確定故障點，易維護，運行可靠性高。
●人機界面友好顯示，對外通訊提供了RS-485、以太網等接口，采用標準Modbus通訊協議。除具有實時數字量及模擬量的顯示、運行歷史事件記錄、歷史曲線記錄查詢、單元狀態監控、系統信息查詢、歷史故障查詢等功能外，還具有送電后系統自檢、一鍵開停機、分時控制、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。
●SVG設計包含與FC配合使用的接口，實現定補和動補的有效結合，為用戶提供更經濟，更靈活的補償方案。
●投切時無暫態沖擊，無合閘涌流，無電弧重燃，無需放電即可再投。
●與系統連接時，不需要考慮交流系統相序，連接方便。
●可并聯安裝，極易擴展容量。并機運行使用光纖通訊，通訊速度快，能夠完好的滿足實時補償的要求。
5、SVG的基本原理
SVG系列產品的原理示意圖如圖2所示。在交流電路中，電壓和電流的相位有三種情況，當負載呈現純電阻特性時，電壓和電流相位相同；當負載呈現電感特性時，電壓相位超前電流相位；當負載呈現電容特性時，電壓相位滯后電流相位。
圖2SVG原理圖
SVG系列產品基本原理就是將自換相橋式電路通過變壓器或者電抗器并聯到電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的，如表1所示
6、高壓SVG的主電路結構
高壓SVG系列產品的主電路采用鏈式拓撲結構，模塊化的結構設計，星型及三角形的連接方式實現不同容量下的最大性價比，既保證用戶投資的有效性，又保障了電力系統穩定、高效、優質的運行。星型接法的結構示意圖如圖3所示。
圖3SVG的系統結構圖
控制柜與功率柜信號通過光纖進行隔離控制，實現了高低壓的可靠隔離。SVG系列產品系統對結構上做出了極大的改進處理，使維護更方便。控制柜進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。功率模塊（單元）的改善使得功率柜占地面積更小，極大節省了用戶設備空間，減少了投資。
功率柜主要由功率單元組成，構成了SVG無功補償的主體。功率單元分三相安裝，每相單元個數相等，單元輸出波形疊加成整機輸出波形。每個功率單元都承受全部的輸出電流、1/N的相電壓、1/(3N)的輸出功率。單元模塊工作時會產生部分熱量，由柜頂或后柜門設計的風機強制散熱。功率柜單元排布如圖4所示。每個功率單元均具有完善的保護功能（過流、過壓、過溫、驅動觸發異常、通訊異常等），各單元狀態均反饋到主控系統，控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術，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或四個輸出端子及兩個光纖插口，這使得維護和檢修更簡單。在單元已有冗余的情況下其它功率單元發生故障，用戶可以簡單更換備用功率單元，為恢復生產贏得寶貴時間。
每個單元通過IGBT逆變橋實現正弦PWM控制，可得到如圖5所示的單元輸出波形。
圖5單元輸出波形
單元鏈接后三相之間進行星型或角型連接并通過電抗接入電網，通過對每個單元的PWM波形的疊加，可得到逼近正弦的階梯PWM波形，如圖6所示為星型連接的單相波形。
圖6星型連接的單相波形
SVG系列產品采用了先進的數字化標準載波移相技術，它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消，串聯后又經過輸出電抗器濾波，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，在輸出側無需再增加輸出濾波器。
7、SVG的應用領域
SVG系列產品可以增強電力傳輸能力、減小電能損耗、補償無功功率、治理諧波、抑制閃變、穩定電網電壓、平衡三相系統、改變系統的阻尼特性、提高系統的穩定性，具有較廣的應用范圍。
SVG系列產品可廣泛應用于石油化工、電力系統、冶金、電氣化鐵路、城市建設等行業中，為各種異步電動機、變壓器、晶閘管變流器、變頻器、感應爐、電弧爐、照明設備、電力機車、提升機、起重機、沖壓機、風力發電機、電焊機、軋鋼機、電阻爐、石英熔煉爐等設備提供高質量、高可靠性的無功補償的解決方案。
（1）石油、化工、礦山、碼頭、重型工業：
a穩定供電電壓；
b給較多中低壓電機供電的變電站集中補償；
c大型電機的無功就地動態補償；
d對各類粉碎機、破碎機、球磨機進行無功集中補償；
e減少牽引傳動裝置的無功波動與諧波；
f大型起重機設備、船閘控制系統、鍛造設備等的集中補償；
（2）鋼鐵、冶金：
a提高功率因數降低無功損耗；
b降低電壓波動，抑制閃變，提高生產效率；
c濾除諧波，保障設備安全；
d平衡負序；
（3）城市配網及農網供電：
a提高功率因數降低無功損耗；
b解決波動性負荷產生的電壓波動與閃變;；
c穩定受電末端電壓；
d適合對多個用戶的無功與諧波集中補償，尤其沖擊型負荷較多的場合；
（4）新能源接入：
a控制風電、光伏發電設備電源接入點無功，防止無功倒送；
b穩定電網電壓，減少發電功率波動造成的電壓波動；
c維持接入點電壓，提高低電壓穿越能力；
（5）電氣化鐵道及城市軌道交通行業：
a牽引供電系統的無功與諧波綜合治理，改善電能質量，提高牽引能力，節能降耗；
b平衡機車負荷產生的負序電流。
8、現場應用情況
SVG應用現場如圖7所示，現場運行人機界面截圖如圖8所示。
圖8現場運行人機界面
華電山東新能源有限公司汶上分公司，建站后采用了新風光電子科技股份有限公司生產的SVG產品，型號是FGSVG-C6.5/35-O，共4臺用于電站的動態無功補償。自2018年投入運行，接近兩年的時間，通過運行實踐，帶來明顯的經濟效益，在穩定電網質量，提高輸配電能力等方面都有很好的效果，具體體現在：
（1）電網電壓穩定。發電廠自投運以來，由于大部分面向農村供電，電網波動比較頻繁。特別在夏季，電網用電高峰，呈現波峰與波谷的交替變換。使用SVG恒電壓補償后，電網電壓基本保持在37.5V，有效保持了輸電電壓的穩定，補償了因負載波動因起的電壓波動，保正了輸電的穩定性。
（2）提高了功率因數并保持恒定。光伏電站在白天發電時由于逆變器的工作，功率因數較高，而在夜間或陰雨天沒有陽光不發電時，功率因數就下降不穩定，采用SVG的功率因數補償后，可將功率因數補償到0.98以上，保持了功率因數的穩定，提高了輸電效率。
（3）通過SVG的低電壓穿越功能，有效抑制了電網的閃變頻率，提高了電網質量。
（4）平衡電網的無功。SVG將考核點接在并網處，能實時的檢測電網的無功，平滑的調整無功，感性無功高時就補容性無功，容性無功高時就補感性無功，并能平滑的調節，保持了電網的無功平衡，利于電網的有功與無功的交換。
（5）調試方便，通過SVG的恒裝置無功模式，可以自行發出感性無功或容性無功，檢驗裝置的工作狀態，確認設備的正常。
（6）檢修與維護方便。裝置采用功率單元模塊化設計，當每相不超過2個模塊，總的不超過6個模塊故障時，可采取單元冗余的方式，降額運行。如果有備用單元，可在適當的時機停運，停電后進行更換，只是拆掉輸出與光纖及單元固定螺栓即可更換，極大地方便了現場維護，有利于減少停運時間，保持設備的穩定。總之，通過現場使用，新風光SVG產品在調節電網無功、恒定功率因數及穩定電網電壓方面都具有極大的優越性，值得在發電站及用戶無功補償領域大力推廣。
參考文獻：
[1]石東源,盧炎生.SVG及其在電力系統軟件圖形化中的應用初探[J].電力系統保護與控制,2004，32（16）
[2]高原,韓志盈.SVG結構及工作原理與優勢淺析[J].民營科技,2017第11期
編輯：黃飛
工商網監
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