光伏建筑中无功补偿技术的应用

刘晓娟

（陕西建邦达建筑工程有限公司，西安 710000）

为了应对自然生态环境污染与化石能源危机，光伏发电技术是今后发展的主要方向之一。太阳能具有较高的转换效率，同时能量损失少、控制简单，可实现对建筑内部提供稳定、可靠的电能供应，因此光伏建筑成为世界各国的研究焦点。我国出台多项政策扶持光伏产业高质量发展，在光伏技术迅速发展下，光伏建筑应用规模逐步扩大，应用区域日益拓宽，鉴于此，提升光伏建筑微电网供电可靠性是当下面临的首要问题。

在国家大力推动能源互联网发展的背景下，光伏建筑产业将会得到巨大的发展空间，并且逐渐朝着规模化、智能化的方向发展。光伏建筑应具有一定的无功备用容量来保持电网的供电可靠性。对于光伏建筑而言，其光电出力与光照强度息息相关，但事实上，光强具有一定随机性和不可控性，这就导致了光伏建筑系统发出的有功功率具有一定的波动性，另外，光电站的无功损耗主要来自升压变压器，其大小与光伏功率相关，因此光伏电站需要进行动态无功补偿。现阶段，已有多项无功补偿装置被用于光伏建筑中。本文从光伏建筑系统自身出发，结合光伏建筑特点，对常用的几种无功补偿装置进行了讨论。

1 光伏建筑概述

在碳中和背景下，我国政府加快推进光伏建筑发展，在数量和质量上都得到了迅速的上升。光伏建筑是光伏组件与建筑物相互结合的系统，由光伏阵列、太阳能充放电控制器、蓄电池、逆变器和负载等组成[1]。光伏建筑组成如图1 所示。

图1 光伏建筑的组成

光伏建筑电池技术发展大致经历了3 个重要发展阶段，其中，第一阶段光伏建筑电池以单晶硅、多晶硅为主，主要还是以多晶硅应用最为广泛；第二代为碲化镉（CdTe）、硫化镉（CdS）和铜铟镓硒（CIGS），在吸收光谱上更宽了，有利于对可见光的吸收，提高了光能利用率，具有弹性优异、比功率高等诸多优势，同时还可制备成薄膜形态，适用于多种场景和多种形式的应用；第三代为硫化铜锌锡光伏电池（CZTS）、钙钛矿类型及聚合物类光伏电池等，但该系列技术大多还尚处于实验室阶段，未进入工程化应用阶段。

与单个光伏电站相比，光伏建筑系统具有一定的应用优势，原因一是将光伏模块与传统建筑有机结合为一体，对建筑起到一定的保护作用；原因二是可为建筑提供日常所需电能。通常来讲，光伏建筑的形式主要有3 类：①附加光伏系统。通过在原有建筑基础上进行改装，将光伏模块附加在建筑屋顶或南墙表面；②光伏建筑一体化。在建筑设计前期就考虑到太阳能的利用，与建筑充分融合为一体，不仅节约了建筑成本，还实现了原地并网发电，例如光伏幕墙实现了发电、保温、科技感一体化的优异效果；③光伏光热建筑一体化。该技术可满足日常用水需要，但技术还不够成熟。

2 光伏建筑中无功补偿技术分析与应用

2.1 光伏建筑无功补偿的重要意义

无功功率是电力系统中一个十分关键的物理量，无功功率平衡对于维持光伏建筑系统稳定运行具有重要作用。在光伏建筑系统中，由于光照的昼夜变化及白天光照的动态性和随机性，使得光伏建筑的无功功率也呈现一定的周期性和随机性，因此通过电力系统无功状态对系统无功功率进行无功补偿具有重大意义。一方面，光伏建筑中安装无功补偿装置后，提升了电网系统的功率因数，降低了电路损耗功率（式1），因此在光伏建筑中安装无功补偿装置可有效降低功率损耗；另一方面，采用无功补偿技术还提升了系统输出的有功功率，进而提升了输出设备的供电能力[2]。

式中：cosφ 为补偿后的功率因数；cosθ 为补偿前的功率因数。

2.2 光伏建筑无功补偿技术分析

随着光伏建筑建设数量和建设区域的逐渐加大，要高度重视维持无功功率平衡问题，提升供电稳定性，需要开发更多适用于光伏建筑的无功补偿技术和设备。常见的无功补偿装置有调相机、固定补偿电容器、动态无功补偿装置（SVG）、静止无功补偿装置（SVC）及静止同步补偿器（STATCOM）等。调相机和固定补偿电容器是传统的无功补偿装置，早期在电力系统中得到了广泛应用，这2 种装置在主要优势是使用便捷、投入成本降低、技术相对成熟，但存在的问题是调相机无法满足迅速、动态补偿的需求，因此近些年逐步被淘汰[3]。本文重点对SVC、SVG 以及STATCOM 3 种无功补偿技术进行了阐述与分析，具体如下。

2.2.1 基于SVC 的无功补偿技术

通过在无功负荷集中处安装一定容量的SVC，由SVC 向负荷点就近提供无功功率，减少系统流入的Q，使得网络产生的压降变小，同时也使得线损减小，当系统中并入容量为的SVC 后，网络压降和线损为

由以上公式可知，Qb值增大时，△U 减小，当Qb=Q时，无功传输引起的压降损失和线损为0，当Qb＞Q 时，发生无功倒流入系统，压降损失加大，因此SVC 主要可改善用户的电压质量和降损节电。

（1）TCR 型SVC。TCR 型无功补偿设备是光伏系统中常用的无功功率补偿装置，其补偿原理如图2 所示。TCR 型补偿器是由1 套TCR 装置和2 个滤波电容器组成，应用灵活、易控制，可实现分相调节，TCR 装置先检测系统变量，通过计算处理后，利用调节晶匣管的触发角来调整电抗器的等效电抗，实现连续调节电抗器输出的感性无功功率，TCR 输出的无功补偿是感性和容性无功功率之和。

图2 TCR 型补偿器原理图

（2）MERS 型SVC。SVC-MERS 是一种新型静止无功补偿装置，集合了TCR 与TSC 两者的优点，实现了容性无功功率的连续控制，并保持了SVC 的简便性特征。MERS 最早是由日本学者岛田隆一所提出，随后在电力系统中得到了迅速发展，在光伏系统无功补偿中具有较高应用价值。单相等效电路图如图3 所示，可对SVC-MERS 的工作原理进行说明。

图3 SVC-MERS 等效电路图与向量图

电源电压为向量E˙、MERS 两端电压为V˙，电抗X上的电压为V˙L。通过调节MERS 从电网中吸收电流I来改变V˙幅值与E 相位，进而调节电抗两端电压。由图3 可知，当V˙＞E˙时，MERS 吸收容性无功功率，当V˙

MERS 结构拓扑组包含全桥型、半桥型（逆导型/逆阻型）和单开关型，不同类型拓扑结构MERS 特征比较见表1。

表1 MERS 结构拓扑组特征比较[4]

2.2.2 基于SVG 的无功补偿技术

SVG 是一种应用于光伏电站的动态无功补偿装置，其核心技术是基于IGBT 和PWM 技术，构造三相全控式整流逆变电路，交流侧经电抗与电网相连。目前，工程上以电压型桥式电路应用较多，电气结构如图4 所示。SVG 补偿原理是通过改变交流侧电压（UInverter）和并网点电压（USystem）的幅值大小，得到无功电流（IInverter），达到动态补偿系统需要的无功功率目的。

图4 SVG 单相电气结构示意图

2.2.3 基于STATCOM 的无功补偿技术

STATCOM 是一种全控型电力电子器件的补偿装置，动态补偿效果佳，是目前研究的重点。STATCOM 由1 个直流电容、3 个小电感和2 个IGBT 构成，电路结构如图5 所示。STATCOM 工作原理为将三相桥式变流电路并联在系统中，通过控制全控制器的开通与闭合来调节输出电压、电流相位和幅值，进而控制STATCOM 发出或吸收无功功率，补偿范围可实现容性到感性，实现了连续的无功功率补偿[5]。

图5 STATCOM 的电路结构

2.2.4 几种不同补偿技术的经济性比较

分别对上述几种可应用于光伏建筑中无功补偿技术（分别为SVC-MERS、SVC-TCR、SVG 与STATCOM）进行比较分析，重点对不同无功补偿装置的无功补偿范围、响应时间、电流谐波含量进行了测试，数据见表2。

表2 不同补偿技术的参数比较

可以看出，SVC 响应时间长，谐波严重，TCR 只能实现感性无功补偿，不满足光伏建筑系统中补偿容性无功功率的实际需求，而MERS 在无功功率波动较大或者电压波动分散性电源系统具有一定优势；STATCOM 可实现感性无功补偿和容性无功补偿，同容量STATCOM 比SVC 提供更大的补偿容量，另外，同容量的STATCOM 占地小于SVC，这是由于STATCOM使用直流电容器，可以减小电容器体积，无需采用并联电抗器即可控制无功功率平滑变化，STATCOM 可提供有功功率，SVC 只能提供无功功率，STATCOM 是智能型的设备，是目前光伏建筑系统无功补偿设备中最先进的也是最有发展前景的技术之一。

3 结束语

综上所述，将无功补偿技术应用于光伏建筑系统中，显著提升了建筑用能的安全性、经济性和可靠性。本文通过对多种无功补偿技术进行了阐述，分析了每种技术的优势与不足之处。今后光伏建筑系统在无功补偿装置选择过程中，要结合实际情况，选择实用性强、安全性高、经济性优异的无功补偿装置，STATCOM在光伏建筑系统中具有显著的应用优势，但成本高、控制系统复杂是目前制约发展的重要问题，要加强STATCOM 置与其他装置的结合应用的研究工作，为光伏建筑可持续发展奠定坚实基础。