王勇勁，石 徑

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.青海電研科技有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008)

0 引言

光伏電站實(shí)際運(yùn)行中受光照影響較大，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓波動(dòng)極大制約了運(yùn)行特性，無功補(bǔ)償作為電壓調(diào)節(jié)主要手段，對(duì)確保光伏電站及整個(gè)電網(wǎng)的無功平衡和電壓穩(wěn)定具有重要意義〔1〕。光伏電站配備SVC/SVG(無功補(bǔ)償裝置)，為確保無功補(bǔ)償裝置快速靈敏動(dòng)作及安全可靠運(yùn)行，需開展SVC/SVG入網(wǎng)性能測(cè)試，實(shí)測(cè)與仿真優(yōu)化SVC/SVG調(diào)節(jié)參數(shù)，獲得SVG性能不佳的影響因素。采用Rtlab搭建光伏電站仿真系統(tǒng)，開展無功補(bǔ)償裝置的并網(wǎng)性能測(cè)試并分析制約因素，整體提升光伏電站電壓調(diào)節(jié)特性及動(dòng)態(tài)無功支撐能力〔2〕。

1 無功補(bǔ)償裝置及控制性能

1.1 典型無功補(bǔ)償裝置

SVC/SVG作為無功補(bǔ)償設(shè)備，存在空載、感性和容性三種運(yùn)行模式，主要控制IGBT換流器改變逆變橋串聯(lián)輸出特性，實(shí)現(xiàn)從感性無功到容性無功一定范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，確保電壓、電流連續(xù)穩(wěn)定輸出〔3,4〕。典型光伏電站SVC/SVG接入系統(tǒng)示意如圖1。

圖1 無功補(bǔ)償裝置接入光伏電站示意圖

1.2 典型無功補(bǔ)償測(cè)試方法

SVG無功補(bǔ)償測(cè)試過程中，測(cè)點(diǎn)具體布置A1、A2、A3、A4，其中A1為電力系統(tǒng)采集無功功率，A2為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置輸出至母線二次側(cè)三相電壓、三相電流，A3為電力系統(tǒng)頻率，A4有功功率。依次設(shè)置無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行工況為恒裝置無功控制方式、恒系統(tǒng)無功控制方式、恒電壓控制方式三種方式，測(cè)量動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置輸出的實(shí)際無功功率、裝置總電壓特性斜率、裝置響應(yīng)時(shí)間。無功補(bǔ)償裝置測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。首先，依次設(shè)定容性無功參考值為依次增大的典型值，并相應(yīng)調(diào)整無功輸出到典型值，每次持續(xù)時(shí)間15 min，最后逐漸調(diào)整容性無功輸出到額定值。其次，測(cè)試容性無功輸出能力，SVG設(shè)定為恒電壓控制方式、空載控制方式，調(diào)整母線電壓目標(biāo)值，使得SVG發(fā)容性無功，取SVG容性容量50%、100%的兩個(gè)工況值，監(jiān)視母線電壓不能超過限值，SVG不發(fā)生過負(fù)荷，得出不同工況下無功性能。最后，測(cè)試動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，設(shè)定無功補(bǔ)償裝置成恒系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)方式，調(diào)整電壓參考值，使SVG從0無功階躍到感性額定無功，記錄SVG補(bǔ)償容量和響應(yīng)時(shí)間，調(diào)整電壓參考值，使SVG從感性額定無功階躍到容性額定無功，記錄SVG補(bǔ)償容量和響應(yīng)時(shí)間。根據(jù)光伏電站動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置實(shí)測(cè)和仿真曲線、參數(shù)對(duì)比，尋找連續(xù)調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)時(shí)間等目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化空間〔5〕；無功補(bǔ)償裝置測(cè)試方法示意如圖3。

圖2 無功補(bǔ)償裝置測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖3 無功補(bǔ)償裝置測(cè)試方法示意圖

2 基于Rtlab光伏電站無功補(bǔ)償性能測(cè)試仿真

試驗(yàn)測(cè)量儀器為DEWE-3020便攜式電量分析儀，測(cè)量包括頻率、有功功率、無功功率3個(gè)通道的數(shù)據(jù)。Rtlab(半實(shí)物仿真平臺(tái))對(duì)光伏電站無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)開展閉環(huán)測(cè)試,光伏電站無功補(bǔ)償裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示,為三電平T型逆變電路,功率器件IGBT開關(guān)頻率為6 kHz。依據(jù)控制系統(tǒng)數(shù)字量與模擬量接口,將光伏電站關(guān)鍵涉網(wǎng)設(shè)備半實(shí)物仿真平臺(tái)與被測(cè)控制器相連,并在仿真器中搭建檢測(cè)平臺(tái)模型,開展半實(shí)物仿真閉環(huán)測(cè)試。平臺(tái)模型SM模塊如圖5所示,分為主功率回路模型和物理I/O接口模型兩部分；仿真測(cè)試中，依托Rtlab軟件結(jié)合實(shí)際電站全天的負(fù)荷變化趨勢(shì)和主變高壓側(cè)電壓變化趨勢(shì)對(duì)被測(cè)試SVG運(yùn)行狀態(tài)、容量建立測(cè)試模型，設(shè)定被測(cè)試SVG/SVC設(shè)備出力為額定容量，SVG/SVC支路耦合變壓器容量與被測(cè)試SVG/SVC容量相匹配〔6〕。

圖4 光伏電站無功補(bǔ)償裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5 無功補(bǔ)償裝置半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)模型SM模塊

3 基于Rtlab的光伏電站無功補(bǔ)償性能及制約因素實(shí)例驗(yàn)證

本次選取50 MW 光伏電站作為無功補(bǔ)償性能測(cè)試及評(píng)價(jià)樣本，該電站位于青海省共和縣，接入35 kV匯集站采用單母線，出線接入水電站內(nèi)已建成的某110 kV變電站35 kV母線側(cè)，經(jīng)主變升壓至110 kV后送出電站；光伏組件發(fā)出的直流電由電纜送至組串式逆變器進(jìn)行逆變，逆變后經(jīng)交流匯流箱送至35 kV箱式升壓變電站進(jìn)行升壓，升壓后送至35 kV匯集站母線。無功補(bǔ)償裝置脈寬時(shí)間設(shè)定為8 μs，裝置人工死區(qū)設(shè)置為9.8 μs，采樣周期為16 ms,限幅設(shè)置為無功補(bǔ)償額定容量，增益設(shè)置以及PI參數(shù)與實(shí)測(cè)系統(tǒng)保持一致，仿真試驗(yàn)分別完成了電壓從35.7 kV→36.2 kV→35.1 kV, 以及0 Mvar→2.5 Mvar→2.5 Mvar→-2.5 Mvar、0 Mvar→-2.5 Mvar階躍。

表1、圖6、圖7、圖8實(shí)測(cè)及仿真結(jié)果表明，恒電壓控制方式下SVG仿真與實(shí)測(cè)無功補(bǔ)償量偏差小于18.7%，響應(yīng)時(shí)間偏差在7 ms內(nèi)。恒裝置無功控制方式下仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于SVG無功補(bǔ)償量偏差超過50%，響應(yīng)時(shí)間超過13 ms。

表1 無功補(bǔ)償動(dòng)態(tài)特性真機(jī)測(cè)試和仿真數(shù)據(jù)

圖6 無功功率測(cè)試曲線

圖7 光伏電站真機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性

圖8 光伏電站高壓側(cè)系統(tǒng)仿真特性曲線

4 結(jié)束語

對(duì)大規(guī)模光伏電站的無功補(bǔ)償裝置死區(qū)設(shè)置不當(dāng)及通訊延時(shí)制約了響應(yīng)時(shí)間，PI控制器控制參數(shù)設(shè)置不合理降低了電壓控制的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度，減慢了釋放或吸收無功功率響應(yīng)速度。恒裝置無功控制方式時(shí)，電壓受諧波、阻抗系統(tǒng)參數(shù)影響下敏感性強(qiáng)，發(fā)生諧振導(dǎo)致諧波電壓放大，隨系統(tǒng)或裝置參數(shù)變化而引起無功補(bǔ)償量偏差較大。