光伏无功补偿装置SVG的研究及应用

魏秀江

摘 要： 本文主要研究光伏电站并网无功补偿装置SVG（静止无功补偿器），通过介绍SVG的工作原理、基本电路结构，并且建立SVG的数学模型，利用具体的模型及理论公式重点分析SVG（静止无功补偿器）及其应用。

关键词： 光伏电站；SVG；数学模型；无功补偿

1.SVG（静止无功补偿器）

在光伏电站应用中，由于线路阻抗因素的存在，有功输出增加将导致并网电压的幅值降低甚至越限，降低了并网电压稳定性。因此，光伏电站在输送有功功率的同时，需要输送一定的无功功率来抑制由于有功输出变化导致的并网电压幅值波动及越限。

光伏电站的无功控制效果取决与其无功输出能力。设每台并网逆变器的额定功率为Pmax，每台并网逆变器输出的有功功率为Pj，其发出（感性）或吸收（容性）的无功功率能力可表示为由于光伏并网逆变器自身额定功率即视在功率的限制，并网逆变器有功输出的增加必然导致无功容量的降低。在一定程度上，光伏电站所需的无功功率是随着有功输出的增加而增加的，光伏电站在光照强度最大辐射条件下，并网逆变器的无功输出能力搜到限制，因此对于光伏电站除了并网的无功输出能力之外，还需要额外配置无功补偿装置。

SVG（静止无功补偿器），广泛应用于光伏电站作为无功补偿设备。SVG 核心技术是基于可快速导通和关断的半导体器件 IGBT和脉冲宽度调制技术，构造三相全控桥式整流逆变电路，交流侧经电抗与电网相连。

目前SVG（静止无功补偿器）一般采用电压源型，具有较快的响应速度，且易于实现。SVG的基本原理是将电压源型逆变器，经过电抗器并联在电网上。电压源逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分，其中逆变桥由可关断的半导体器件IGBT组成。

通过调节IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流电压的幅值和相位。通过改变SVG交流侧输出电压的幅值及相对于电网电压的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，实现无功的就地平衡，保持系统能够实时的高功率因数运行。

SVG并网接入电力系统，运行过程中涉及交流环节和直流环节。交流环节主要于电网系统向连接；直流环节是SVG将交流电能变换为直流，将其保存至储能元件内，以及直流侧电压经过变流器转换为交流电压电流送至电网系统。由于SVG采用的桥式变流器，它可以看作是一个可调的电压或电流源。

目前SVG的基本电路结构分为电压型桥式电路结构和电流型电路结构两种，如图所示：

电压型桥式变流电路结构和电流型桥式变流电路结构都是并联于系统中，主要区别就是直流侧的储能元件不同，电压型桥式变流电流采用的是电容器做为储能元件，可将其看作是电压源；电流型桥式变流电路采用的是电感做为储能元件，可将其做为电流源，两种都是通过桥式变流器调节无功功率输出

SVG属于电源型逆变装置，接入系统不会改变阻抗特性，并且可以调整逆变侧输出的电压相位及幅值可抑制相应的谐波；当三相电力系统中出线负载不平衡时，在系统中将出线负序电流，其与公共功率一样对电力系统稳定性产生很大影响，SVG具有补偿电力系统中不平衡负载情况下负序电流的功能。

2. SVG 的数学模型及分析

利用输入输出建模方法来建立SVG的数学模型，SVG的三相等效电路如图所示，首先假设R为SVG中桥式变流器导通电阻及各种线路损耗总和，X为连接电抗器。仅考虑基波时的变流器交流侧输出电压为

（1-1）

式中 K为比例系数；δ为SVG交流侧输出电与电网电压相位差；UC为SVG逆变侧输出相电压有效值。假设电网电压有效值为US，则三相电网电压为

（1-2）

根据基尔霍夫电压定律可以得出SVG装置的三相回路方程

（1-3）

直流侧电容电压的动态方程为

（1-4）

由以上公式相结合，整理后可得SVG时域输入输出数学模型

（1-5）

由以上方程可知，δ为定值时微分方程各个变量都与三相电流和SVG主流侧电压有关。根据瞬时功率理论，可得出稳态功率为

（1-6）

且由于δ只在正负几度变化，而且变化范围很小，所以

（1-7）

綜合以上可见，SVG的稳态输出无功功率与δ成正比，当δ<0时，SVG发出无功功率为负，为感性无功；当δ>0时，SVG发出无功功率为正，为容性无功；当δ=0时，SVG不发出无功功率，系统平衡。

参考文献

[1] 李钟时 太阳能光伏发电系统设计施工与维护 北京 人民邮电出版社 2010.

[2] 王璟 光伏并网技术及其应用 中国电力出版社 2017.7.

[3] 太阳能光伏发电技术 沈辉 曾祖勤 北京： 化学工业出版社.2005.

[4] 分布式光伏发电系统工程设计与实例 周志敏 纪爱华等 中国电力出版社 2014.