滩涂光伏发电静止同步补偿器的应用

滩涂光伏发电静止同步补偿器的应用

叶晓峰

（中国水利水电第十二工程局有限公司   机电工程公司）

摘 要：本文通过对大唐浙江宁波象山长大涂300MWp滩涂光伏电站高压静止同步补偿器应用的介绍，为新能源发电领域对无功补偿器的应用提供参考，也为运行及使用过程中提供经验。

关键词：SVG  IGBT  电导率  应用

1 工程概况

大唐浙江象山长大涂滩涂光伏项目位于浙江省宁波市象山县高塘岛乡海域，拟建光伏场区位于浙江省宁波市象山县高塘岛乡长大涂海塘西侧，项目所在地地理坐标东经121.75°，北纬29.13°。整个滩涂场地平整，地势平缓，场地周边暂无高大建筑物，场地空旷。项目占地类型为鱼塘水面水域未利用地，不占农用地。象山县具有非常明显的亚热带季风性气候特征，即四季分明，冬无严寒，夏无酷暑，无霜期长(年平均约248天，生长期为345天)，光照充足(年日照数1670～2048h)，年温适中(年平均气温为16～17℃)，温和湿润，雨量丰沛(年平均降水量1400mm以上)。整个光伏电站占用水面面积约4516亩，装机容量为300MWp，并新建220kV升压站一座。本发电系统采用分块发电、集中并网方案，拟分成75个光伏并网发电单元。光伏方阵经逆变升压至35kV，通过1到6回35kV集电线路接入220kV升压站35kV配电室Ⅰ段母线上、7到12回35kV集电线路接入220kV升压站35kV配电室Ⅱ段母线上。升压站出线通过220kV线路一接入220kV湾山变和线路二通过象山海上风电开关站接入220kV湾山变[1]。

图1：长大涂光伏电站一次设备主接线图

2 高压静止同步补偿器描述

该工程设计采用4台北京四方继保自动化股份有限公司生产的GSC-35系列高压静止无功发生器SVG（Static Var Generator）又称同步补偿器，每台容量为-15～15Mvar。其中1#、2#发生器布置在35kVⅠ段母线上，3#、4#发生器布置在35kVⅡ段母线上。每台集装箱式SVG由IGBT功率阀组室、水冷室、控制室、空心串联电抗器、预充电阻、充电开关等组成。其中集装箱内安装IGBT功率阀组、控制柜、纯水水冷系统。

图2：静止同步补偿器系统电气接线图

3 原理概述

3.1 同步补偿器系统的组成

电网中的电力负荷如电动机、变压器等都是感性负载，在感性负载运行中需要向这些负载提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿[3]。

高压静止无功发生器是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，应用时相当于在电网上并联一个可变的无功电流源，其输出的无功电流可快速跟踪负荷无功电流的变化，自动补偿系统所需的无功功率。

功率阀组采用绝缘框架承载方式，绝缘机架底部为35kV绝缘子，每相一组，每组36只功率模块（IGBT）串联后与其它两相相连，形成星型连接。功率模块采用抽屉式设计，便于安装维护。功率单元的直流电容选用薄膜电力电容。考虑到串联功率单元电容器的均压问题，厂家设计时采用功率电阻和开关串联的方式进线放电，不但可以实现均压，而且在输入开关断开后可以给直流电容放电，避免人身伤害事故的发生。该套功率模块电子旁路回路采用进口IGBT器件，可以在功率模块发生故障情况下，控制器可以在1ms时间内将故障模块可靠旁路。所有功率模块通过光纤与系统通讯，实现完全的高压、低压电气隔离。

3.2 同步补偿器系统的运行方式

同步补偿器的启动方式设计为自励启动。在主开关合闸后，系统电压通过预充电阻对功率单元的直流电容进线充电。启动电阻是限制IGBT的初始电流，充电完成后，合上充电开关，将预充电阻旁路。每只IGBT功率模块通过纯水冷却系统进行冷却，SVG在投入运行前需运行水冷系统，当纯水电导率下降到0.2us/cm以内时，即具备投切高压条件。纯水系统循环泵出口和进口并联去离子回路，通过一定比例的去离子水不断提纯循环水，直至稳定并低于设定的电导率限值。去离子罐下游设有精密过滤器，用于滤除破损的树脂颗粒。去离子回路一侧同时并联有补水支路，补水箱中储存的水经过精密过滤器进入去离子回路，然后进入主回路。水质提纯的过程即下调电导率的过程，去离子罐中加入约2/3容量的MB20树脂，水质提纯过程中，应充分排除去离子罐内部的积存空气。

图3：补偿装置纯水冷却图

3#SVG集装箱内配备协调控制柜，4台SVG控制柜通过光纤与协调柜通讯后与升压站主控室配置的SVG监控主机通讯，便于运行人员集中控制。220kV母线二次电压并联给协调控制柜及1-4#控制柜的采样通道，220kV考核点二次电流串连给协调控制柜及1-4#控制柜的采样通道。35kVⅠ段母线二次电压并联给协调控制柜及1-2#控制柜的采样通道，35kVⅡ段母线二次电压并联给协调控制柜及3-4#控制柜的采样通道，35kVⅠ段母线（主变分支一）二次电流串联给协调控制柜及1-2#控制柜的采样通道，35kVⅡ段母线（主变分支二）二次电流串联给协调控制柜及3-4#控制柜的采样通道，每套SVG开关柜二次电流各自引到各自的功率控制柜采样通道中。

补偿运行模式：空载运行模式Ui功率模组输出电压=Us电网电压时SVG不补偿；感性运行模式Ui功率模组输出电压＜Us电网电压时，SVG等效为连续可调的电感，从电网吸收无功；容性运行模式Ui功率模组输出电压＞Us电网电压时，SVG等效为连续可调的电容，往电网发无功；

可在主控室后台主机切换运行模式：当以系统侧无功补偿方式运行时，投“自动运行”压板，SVG以系统侧无功功率为控制目标，当负荷的无功功率发生突变时，SVG可以准确地跟踪系统侧无功功率，使系统侧无功功率为0；当以定功率控制方式运行时，投“自动运行”和“定功率控制”压板，SVG可以根据目标功率值，准确的发出相应的无功功率；当以定功率因数控制方式运行时，投“自动运行”和“定功率因数”压板，负荷无功功率发生阶跃变化时，装置能够稳定在设定的功率因数值运行，功率因数应在0.95～1或者-0.95～-1范围内（感性无功为正，容性无功为负）；当以电压稳定控制方式运行时，投“自动运行”和“电压稳定控制”压板，当系统电压降低时，装置可以自动发出感性无功，提升系统电压。当系统电压升高时，装置可以自动发出容性无功，降低系统电压。主控室主机画面还能持续监视各功率阀组的运行运行温度、运行电压、纯水冷却系统、故障分析等的运行状态，提高运行的可靠性便捷性。

图4：动态无功补偿装置运行图

图5：动态无功补偿装置协调控制图

在补偿装置进行检修时，隔离刀闸和接地刀闸提供了安全保证。隔离刀闸可将补偿装置与系统断开，接地刀闸保证装置出入侧处于接地状态。值得注意的是当功率元件故障需要更换时，需注意柜内有高压电容等储能元件，当断开外部一切电源后，必须等候30分钟以上，按照规程验电接地之后才能进行更换操作[2]。

4. 传统高压并联电容器组的原理

传统高压并联电容器组通常在变电站中运用，电容器组的接线一般有星型和三角型两种方式，在电网变电领域中常用三角形接线方式。在高压并联电容器进线无功补偿时通常配合有载主变压器档位控制来进行，但是不能线性补偿而且当用户负荷频繁变化时，投切电容器组次数的增加，对投切的断路器性能有很大考验，更会冲击电网的稳定性。

5. 相比传统无功补偿的优势

高压静止同步补偿器具备补偿性能强：动态快速连续调节无功输出，最大限度满足功率因数补偿要求，在补偿容量足够时，任意时刻的功率因数接近1.0；谐波特性好且能有源滤除负载设备生产的谐波电流，很好地满足了无功补偿与谐波治理的综合需求；占地面积小；安全性能高；可靠性能高：满足IGBT功率模块N-1运行方式，装置采用模块化设计，安装、调试工作量小，基本免维护；损耗小噪音低；相对于传统的调相机、电容器以及电抗器、以晶闸管控制电抗器TCR为主要代表的传统SVC等方式，SVG有着无可比拟的优势，装置主体为电力电子变流器领域最成熟的链式结构，结合功能强大性能优越的软硬件控制器平台，同时采用了先进和完善的控制策略，是当前无功补偿领域最新技术的代表。

6 结束语

随着国家出台碳中和碳达峰的重大举措，新能源发电光伏、风力发电项目投入的加大，我国光伏产业和技术的发展都面临着严峻的挑战,同时也带来了发展的机遇。面对严峻的挑战,只有通过更快的发展缩小差距,在迎接挑战中获得发展的机遇。高压静止同步补偿器的应用是SVG在新能源发电领域充当起无功补偿的坚强后盾，中国太阳能光伏产业和风冷发电产业取得爆发式增长和重大技术突破的代表。

参考文献：

[1].大唐象山长大涂300MWp滩涂光伏发电项目设计资料

[2].北京四方GSC-35系列静止同步补偿器使用说明书

[3].动态无功补偿技术的应用现状