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分析分布式电源接入时的高压动态无功补偿装置原理

时间:2025-07-11 11:06:00 来源:中能苏创 点击次数:
分布式电源(如风电、光伏、燃气轮机等)接入高压电网时,会因出力波动性(如风速变化导致风电功率波动)、反送电特性(改变传统潮流方向)和非线性特性(如逆变器产生谐波),引发电网无功失衡、电压波动、功率因数下降等问题。高压动态无功补偿装置(以 SVG、SVC 为核心)通过实时监测与快速响应,动态平衡无功功率,稳定电网参数,其核心原理如下:
一、分布式电源接入对电网的无功与电压影响
分布式电源(DG)的接入打破了传统 “单向供电” 模式,对无功平衡的影响主要体现在:
  1. 无功波动剧烈

  • 风电、光伏的出力(有功功率 P)随自然条件快速变化(如光伏功率在云层遮挡时可在 100ms 内下降 50%),而其内部逆变器或发电机的无功输出能力有限(通常仅能提供 ±20% 额定容量的无功),导致并网点无功功率(Q)大幅波动。

  • 当 DG 输出有功功率 P 增大时,线路感抗上的有功损耗(ΔP = I²R)增加,可能引发并网点电压下降(需补充容性无功);当 P 骤减时,电压可能骤升(需吸收容性无功)。

  1. 电压分布反转

传统电网中,电压随输电距离增加而降低(因线路压降);DG 接入后,若其输出功率大于本地负荷,电流反向流动,线路感抗压降变为 “升压”(U₂ = U₁ + I×X_L),导致远端电压高于近端,形成电压越限。
  1. 谐波与三相不平衡

光伏、风电通过逆变器并网,会产生 3 次、5 次等谐波电流;小型 DG(如单相光伏)可能导致三相负荷失衡,进一步加剧无功补偿难度。
二、高压动态无功补偿装置的核心原理
针对分布式电源的特性,动态无功补偿装置需具备快速响应(≤50ms)、宽范围调节(无功输出 ±100% 额定容量)和多目标协同控制能力,核心原理如下:
1. 基于 “电压 - 无功” 耦合关系的实时补偿
分布式电源并网点的电压(U)与无功功率(Q)存在强耦合关系(公式:ΔU ≈ (Q×X + P×R)/U_N,X 为线路电抗,R 为电阻),补偿装置通过以下机制稳定电压:
  • 电压闭环控制

装置实时采集并网点电压(U)与额定电压(U_N)的偏差(ΔU = U - U_N),当 ΔU > 5% U_N(过电压)时,输出感性无功(吸收电网容性无功),降低线路压降;当 ΔU < -5% U_N(欠电压)时,输出容性无功(补充电网无功),提升电压。
以 SVG 为例,其通过控制逆变器桥臂的开关状态,调节输出电流的无功分量(I_q),实现无功功率的连续平滑调节(调节精度可达 ±1% 额定无功)。
  • 无功功率跟踪

当 DG 出力波动导致并网点无功功率(Q_DG)变化时,补偿装置输出无功 Q_comp = -Q_DG(反向补偿),使并网点总无功 Q_total = Q_DG + Q_comp ≈ 0,实现 “动态无功平衡”。
2. 应对间歇性的快速响应机制
分布式电源的功率波动具有高频、短时特性(如风电阵风导致的 10Hz 以下波动),补偿装置需通过拓扑设计和控制策略实现快速响应:
  • SVG 的快速调节原理

SVG 采用全控型电力电子器件(如 IGBT),通过 “直流电容储能 + 桥式逆变” 结构,直接输出可控的容性或感性无功:
  • 当需要输出容性无功时,IGBT 通过 PWM 调制使 SVG 等效为 “可变电容”,向电网注入容性电流;

  • 当需要吸收无功时,等效为 “可变电感”,从电网吸收感性电流。

其响应时间(从检测到无功变化到输出目标无功)≤20ms,远快于传统 SVC(响应时间 50~100ms),可跟踪 10Hz 以内的无功波动。
  • 储能协同补偿

对于超高频波动(如光伏 100ms 内的功率骤降),SVG 可与超级电容或锂电池储能系统联动:储能系统快速释放 / 吸收有功功率,降低有功波动对无功的牵连影响,使 SVG 专注于无功补偿。
3. 反孤岛与谐波治理协同
分布式电源可能因故障进入 “孤岛运行”(脱离主网单独供电),此时补偿装置需兼顾孤岛检测谐波抑制
  • 反孤岛下的无功调节

装置通过 “频率偏移法” 检测孤岛(如主动注入 0.5Hz 的频率扰动,若频率持续偏移阈值则判定为孤岛),进入孤岛模式后,将控制目标从 “跟踪电网电压” 转为 “稳定孤岛内电压”(维持电压在 ±2% 额定值内),通过调节无功输出平衡孤岛内负荷与 DG 的无功需求。
  • 谐波滤波增强

分布式电源的逆变器会产生谐波(尤其是 3 次、5 次、7 次),补偿装置在 SVG 拓扑中增LC 滤波器有源滤波模块
  • 对于 3 次谐波(零序分量),通过星形 / 三角形接线的变压器抑制;

  • 对于 5 次、7 次等特征谐波,SVG 通过检测谐波电流(I_h),输出反向谐波电流(-I_h)抵消,使并网点谐波畸变率(THD)≤5%(符合 GB/T 14549 标准)。

4. 三相不平衡补偿(针对单相 DG)
当接入单相分布式电源(如户用光伏)时,三相负荷电流不平衡(I_a ≠ I_b ≠ I_c),会产生负序和零序分量,导致电压不平衡。补偿装置通过以下原理治理:
  • 负序电流分离

利用 “对称分量法” 将三相电流分解为正序(I₊)、负序(I₋)、零序(I₀)分量,补偿装置输出与负序电流大小相等、方向相反的电流(-I₋),抵消负序分量。
  • 无功与不平衡协同补偿

SVG 的三相桥臂可独立控制(通过各自的 PWM 调制),在补偿无功的同时,调节各相输出电流,使三相电压不平衡度从 10% 降至 2% 以下(符合 GB/T 15543 标准)。
三、关键控制策略与技术指标
为适配分布式电源的特性,补偿装置需采用以下控制策略:
  1. 多目标优先级控制

  • 优先保证电压稳定(电压偏差>±5% 时,以电压控制为主);

  • 电压合格时,以功率因数控制为主(维持并网点 cosφ≥0.95);

  • 存在谐波或不平衡时,自动投入滤波 / 平衡功能。

  1. 低电压穿越(LVRT)能力

当电网发生故障导致电压骤降(如跌至 20% 额定电压)时,装置需持续输出无功(≥1.5 倍额定电流),支撑电网电压恢复(符合 GB/T 36995-2018 风电并网标准),避免分布式电源因电压过低脱网。
  1. 通信与协同控制

通过 IEC 61850 协议与 DG 控制器、电网调度系统通信,获取 DG 出力预测数据(如 15 分钟短期预测),实现 “前馈 + 反馈” 复合控制(提前预补偿预期无功波动),减少动态调节误差。
总结
分布式电源接入时,高压动态无功补偿装置的核心原理是:以 SVG/SVC 为执行单元,通过实时监测并网点的电压、电流、功率因数及谐波,快速输出或吸收无功功率,抵消 DG 带来的无功波动、电压偏差、谐波与不平衡。其关键在于 “快速响应(≤50ms)”“独立相控” 和 “多目标协同”,最终实现分布式电源的友好并网与电网的安全稳定运行。在高渗透率 DG 接入场景(如新能源微电网),此类装置是保障电网电能质量的核心设备。


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