分布式光伏发电的无功补偿技术研究

分布式光伏发电的无功补偿技术研究

潘程强、谭贤友

浙江芯能光伏科技股份有限公司

摘要：在分布式光伏发电系统中，无功功率的产生和管理是影响电网稳定性的关键因素。无功功率源自电抗元素，受到光照强度等多种因素的影响，导致电压波动和电能传输效率降低。静态无功补偿器（SVC）和静态同步补偿器（STATCOM）是常用的无功补偿技术，通过动态调节无功功率输出，维持电网电压稳定。分布式无功补偿技术则将无功补偿功能直接集成至光伏发电系统，提供精确和快速的响应，进一步提升电网稳定性和能效。

关键词：分布式光伏发电；无功功率；静态无功补偿器

一、光伏发电的无功功率问题

（一）无功功率产生的原因

在分析分布式光伏发电系统的运行过程中，了解无功功率产生的原因显得尤为重要。光伏组件将太阳能转换为电能的同时，伴随产生无功功率。这一现象与光伏组件的工作原理密切相关。太阳能通过光伏组件的半导体材料产生直流电，此过程中，由于电路的电抗元素，如电容和电感，无功功率便被产生。特别是在光照条件发生变化时，如云层遮挡导致瞬间光照减弱，光伏组件输出的电压和电流会发生快速变化，进而引起无功功率的显著波动。电网中的无功功率主要来源于电感和电容器件，这些设备在光伏发电系统中同样存在，它们对电流和电压的相位差进行调节，从而产生无功功率。光伏系统的无功功率输出受到多种因素的影响，包括光照强度、温度以及光伏组件的角度和效率。光照强度的变化尤为关键，因为它直接影响到光伏电池的输出功率，从而影响无功功率的产生。在光照强度高时，无功功率的生成也相对较高，而在光照强度低或变化大时，系统的无功功率输出会更加不稳定。理解这些变化对于优化光伏系统的设计和运行至关重要。通过监测和调整光伏组件的配置和运行参数，可以有效管理和利用无功功率，提高系统的整体效率和电网的稳定性[1]。

（二）无功功率的影响

无功功率对电网产生的影响是多方面的，其中最直接的影响是对电网的功率因数产生负面效应。功率因数是衡量电能使用效率的一个重要指标，它表示有功功率与视在功率之间的比例。理想状态下，功率因数应接近于1，表明电能的利用效率高。然而，当系统中存在较高的无功功率时，功率因数会降低，导致电能传输效率下降，增加电网运行的能耗和成本。无功功率的存在还会引起电网电压的波动和不稳定。由于无功功率与电流和电压的相位差有关，电网中的无功负载变化会直接影响电压水平。在无功功率需求增加时，若电网无法提供足够的无功支撑，将导致电网电压下降，反之则可能导致电压升高。这种电压的不稳定不仅影响电网的运行安全，还会对连接到电网的设备造成损害，增加设备故障和运维成本。电网供电质量的降低是无功功率影响的另一个重要方面。供电质量的下降表现在电压稳定性减弱和电能损耗增多。这会对终端用户的电器设备造成不利影响，如设备运行不稳定，寿命缩短等问题。特别是对于需要高精度电压控制的工业用户来说，电网电压的稳定性至关重要[2]。

二、现有无功补偿技术

（一）静态无功补偿器（SVC）

静态无功补偿器（SVC）是电力系统中用于控制和稳定电网电压的关键设备。该技术通过调节内部的电抗器和电容器配置，动态调整无功功率输出，以此来响应电网中电压的波动和需求变化。SVC的核心功能是提供或吸收无功功率，从而实现电压的稳定，保证电网的供电质量和系统的可靠性。在电力系统中，电网电压的稳定性对于整个系统的效率和安全运行至关重要。电压过高或过低都会对电网设备造成损害，影响电能的有效传输。SVC设备通过安装在电网的关键节点，利用其快速响应的特性，来调节和控制经过该节点的无功功率。当电网电压趋于下降时，SVC通过减少电抗器的阻抗或增加电容器的容抗，向电网提供所需的无功功率，以抬升电压至正常水平。相反，当电压过高时，SVC则增加电抗器的阻抗或减少电容器的容抗，吸收多余的无功功率，以降低电网电压。SVC的动态无功补偿功能极大地增强了电网的适应性和灵活性。该设备可以快速地对电网状况做出反应，调整其内部的电抗器和电容器组合，以实现最优的无功功率平衡。这种快速的调整能力特别适用于那些电压和负载频繁变化的场景，如工业区和大型城市电网。SVC设备的配置通常包括阻抗器、电抗器和电容器，这些组件共同工作，形成了一种可以根据实际电网需求灵活调整的系统。电抗器主要用于限制过高的电流流过，保护系统免受突然负载变化的冲击。电容器则用于存储和释放电能，帮助调节电网的功率因数和电压水平。

（二）静态同步补偿器（STATCOM）

静态同步补偿器（STATCOM）作为电力系统中的一种高级无功功率控制设备，通过利用电力电子技术提供快速、灵活的无功功率调节能力，有效提升电网的稳定性和适应性。STATCOM的工作原理基于电力电子转换器，这允许它产生与电网电压相同频率但相位可调的电压，从而实现无功功率的精确控制和快速响应。该设备通过产生或吸收无功功率，对电网电压进行动态调整，优化电网的功率因数，并应对电压波动及不平衡负载带来的挑战。在电网中，电压稳定性是保证电力传输效率和电力质量的关键因素。STATCOM的引入，使电网能够在面对大规模可再生能源并网、负载迅速变化等情况下，维持电压的稳定。与传统的无功补偿设备如SVC相比，STATCOM提供的无功功率支持不依赖于电网电压水平，能在更宽的电压范围内工作。这种独立性使得STATCOM在电压低于正常水平时，依然能够有效地提供无功功率，支持电网电压。此外，STATCOM在控制电压的同时，对于提高系统的动态响应和抗干扰能力也表现出色。技术上，STATCOM使用电力电子开关，如晶闸管或IGBT（绝缘栅双极晶体管），构建逆变器电路，这使其能够快速地切换状态，调整输出电压的相位和幅度。通过这种方式，STATCOM可以非常迅速地对电网条件变化做出反应，无论是增加还是减少无功功率输出，都能迅速实现，极大地增强了电网的适应能力

[3]。

（三）分布式无功补偿

分布式无功补偿技术在光伏系统中的应用，通过将无功补偿功能直接集成至光伏发电系统内，极大地提高了对电网需求的响应精确度，并减少了对中心补偿设施的依赖。这种技术的实施使得每个光伏发电单元不仅能产生有功功率，还能根据电网的实时需求，提供或吸收无功功率，从而直接参与到电网的电压调控中。在电网运行中，电压控制和无功功率的平衡是维持电网稳定性和提高能效的关键因素。传统的无功功率补偿通常依赖于集中式的补偿装置，如静态无功补偿器（SVC）或静态同步补偿器（STATCOM）。这些设备虽然有效，但集中式管理方式存在响应速度慢和调节精度不高的局限性，尤其在电网规模庞大或分布式能源广泛接入的情况下。分布式无功补偿的引入，通过在光伏系统各节点安装小型化、智能化的无功补偿单元，可以在电网发生电压波动或需求变化时，迅速地调整无功输出，实现更细致和精确的电压调控。这种点对点的补偿方式，比传统的集中式补偿更加灵活，能更好地适应电网的动态变化，特别是在分布式能源资源越来越多的现代电网环境下。通过分布式无功补偿，光伏系统能够在不增加额外设备和成本的情况下，增强其对电网友好性。例如，当电网电压趋于下降时，光伏系统可以即刻提供所需无功功率，支持电网电压；相反，当电网电压过高时，则能吸收多余的无功功率，有助于电压的降低。这种即时的调节能力显著提升了电网的稳定性和电力供应的质量。

图1为该章节小节简要导图。

图1：现有无功补偿技术简要导图

三、结论

无功功率对电网的负面影响显著，包括降低功率因数、引起电压波动、增加电能损耗等。为解决这些问题，静态无功补偿器和静态同步补偿器通过快速调节无功功率，维持电网的电压稳定性和供电质量。分布式无功补偿技术通过在光伏系统各节点集成无功补偿单元，实现了更精细和迅速的电压调控。通过优化光伏系统的设计和运行参数，能有效管理和利用无功功率，提升系统整体效率和电网稳定性，保障电力传输的可靠性和质量。

参考文献：

[1]周猛.光伏电站无功补偿运行方式优化研究[J].电力电容器与无功补偿,2023,44(5):22-26.

[2]黎春荣,张建,施智雄.光伏电站中无功补偿的应用研究[J].科技资讯,2021,19(24):4.

[3]汪春宜.光伏电站的无功补偿应用探讨[J],2021(2):26.