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新風光高壓動態無功補償裝置在光伏發電場中的應用

發布時間:2020-04-14 作者:新風光

1前言

隨著全球經濟的發展,光伏發電在內的新能源的開發和利用是解決當前面臨的能源短缺危機和緩解環保壓力的有效措施。大型光伏電站以及屋頂并網光伏電站是太陽能利用的重要發展趨勢。光伏發電的迅速發展也給電力系統帶來了許多新問題,無功電壓問題就是最重要的問題之一。光伏發電系統本身光照強度、溫度變化等都會引起并網點電壓波動。其中大型光伏電站的接入,將對電網的安全穩定運行產生深刻影響,特別是在電網故障時光伏電站的突然脫網會進一步惡化電網運行狀態,帶來更加嚴重的后果。隨著更多、更大的光伏電站投入運行,光伏電站的突然脫網等技術問題也會越來越突出。
2光伏電站需要解決的關鍵問題

當光伏電站滲透率較高或出力加大時,電網易發生故障引起光伏電站跳閘,由于故障恢復后光伏電站重新并網需要時間,在此期間引起的功率缺額將導致相鄰的光伏電站跳閘,從而引起大面積停電,影響電網安全穩定運行。

因此,要解決目前光伏電站實現低電壓穿越的重要性。控制大型光伏電站低電壓穿越問題,保障光伏電站接入后電網的安全穩定運行。然而,目前國內外的光伏電站無功輸出,幾乎不具有低電壓穿越的能力。制約光伏電站低電壓穿越的瓶頸是逆變器交流側輸出電流的大小,若超過額定電流過大,則會損害電力電子器件。因此采用在光伏電站母線上安裝SVG等裝置以補償光伏系統的無功需求,在電網故障時能保持并網運行,并向電網輸出一定的無功功率以支撐并網點電壓,減少了因光伏電站的突然脫網給電網帶來的不利影響。
3加裝SVG的必要性

靜止無功發生器(SVG)則可以快速平滑調節無功補償功率的大小,提供動態的電壓支撐,改善系統的運行性能。將SVG安裝在光伏電站的出口,根據光伏電站接入點電壓的偏差量來控制SVG補償的無功功率,能夠穩定光伏電站節點電壓,降低功率波動對電網電壓的影響。在系統發生短路故障情況下,SVG的動態無功調節能力可以加快故障切除后光伏電站內部和接入點電壓的恢復過程;在變化情況下,SVG可以使光伏電站電壓的波動明顯降低,對光伏電站設備安全運行和穩定電能質量均有很好的作用。
靜止無功發生器(SVG)可以快速平滑調節無功補償功率的大小,提供動態的電壓支撐,改善系統的運行性能。

在系統發生短路故障情況下,SVG的動態無功調節能力可以加快故障切除后內部工況的恢復過程;在負載變化情況下,SVG可以使變電站的電壓波動明顯降低,對工藝設備及變電站安全運行和穩定電能質量均有很好的作用。
4項目概況

國電長豐朱巷鎮三里河水庫40MWp漁光互補光伏發電場,擬采購多晶硅255Wp光伏組件79200*2塊,總容量為40.392MW,太陽能板陣列共有1980*2塊,按20塊一個組串,共計3960*2個組串;64臺并網逆變器、32臺1250kva變壓器。項目投產后,年平均發電量4400萬千瓦時。本項目的建成投產可在一定程度上調整當地電力產業結構,解決當地政府的節能減排任務;提高人們的生活質量,同時該項目促進該區域經濟的可持續發展。

為了提高電網電壓的穩定性,降低大型光伏電站對電力系統的沖擊,要求大型光伏電站必須具備一定的低電壓穿越能力。如果單純依靠光伏變流器本身的功能,大型光伏電站的低電壓穿越能力較弱,根據《光伏電站接入電網技術規定》Q/GDW 617-2011要求“大中型光伏電站應配置無功電壓控制系統,具備無功功率及電壓控制能力。根據電力調度部門指令,光伏電站自動調節器發出(或吸收)無功功率,控制光伏電站并網點電壓在正常運行范圍內,其調節速度和控制精度應能滿足電力系統電壓調節的要求。低電壓穿越過程中光伏電站宜提供動態無功支持。”《GB/T29321-2012光伏發電站無功補償技術規范》中5.2條款要求,“光伏電站無功補償裝置應能夠跟蹤光伏電站處理的波動及系統電壓控制要求,并快速響應。動態無功響應時間應不大于30ms。”該光伏電站業主通過招標方式,選擇了新風光電子科技股份有限公司生產的FGSVG-C9.0/35T型高壓動態無功補償和諧波治理裝置,配置在光伏發電現場,用于電網無功補償和諧波治理,設備一次成功投運,達到了預期目的。
5 新風光FGSVG-C9.0/35T高壓動態無功補償
5.1  FGSVG裝置技術優勢

FGSVG系列產品采用現代電力電子、自動化、微電子及網絡通訊等技術,采用先進的瞬時無功功率理論和基于同步坐標變換的功率解耦算法,以設定的無功性質及大小、功率因數、電網電壓為控制目標運行,動態的跟蹤電網電能質量變化調節無功輸出,并能實現曲線設定運行,提升電網質量。FGSVG系列產品是目前國內外最為先進的無功補償裝置,這種基于電壓型PWM變流器的補償裝置實現了無功補償方式質的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件,而是通過電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換。易操作、高性能、高可靠性的FGSVG系列產品為滿足用戶對提高輸配電電網的功率因數、治理諧波、補償負序電流的迫切需求做出相應設計,具有以下特點:
●   模塊化設計,安裝、調試、設定簡便。
●   動態響應速度快,響應時間≤5ms。
●   在補償容量足夠的前提下,輸出電流諧波(THD)≤3%。
●   多種運行模式極大的滿足用戶需求,運行模式有:恒裝置無功功率模式、恒考核點無功功率模式、恒考核點功率因數模式、恒考核點電壓模式、負載補償模式,目標值可實時更改。
●   實時跟蹤負荷變化,動態連續平滑補償無功功率,提高系統功率因數,實時治理諧波,補償負序電流,提高電網供電質量。
●   抑制電壓閃變,改善電壓質量,穩定系統電壓。
●   FGSVG電路參數精心設計,發熱量小,效率高,運行成本低。
●   設備結構緊湊,占地面積小。
●   主電路采用IGBT組成的H橋功率單元鏈式串聯結構,每相由多個相同功率單元組成,整機輸出由PWM波形疊加而成的階梯波,逼近正弦,經輸出電抗濾波后正弦度良好。
●   自動調整載波頻率,自適應環境和功率變化。
●小于0.2A的補償精度。
●   FGSVG采用冗余性設計和模塊化設計,滿足系統高可靠性的需求。
●   功率電路模塊化設計,維護簡單,互換性好。
●   保護功能齊全,具有過壓、欠壓、過流、單元過熱、不均壓等保護,并能實現故障瞬間的波形錄制,便于確定故障點,易維護,運行可靠性高。
●   人機界面設計采用windows系統的操作模式,功能菜單以及各種功能按鍵均按照電腦的操作習慣設計。界面友好顯示,對外通訊提供了RS485等接口,采用標準Modbus通訊協議。除具有實時數字量及模擬量的顯示、運行歷史事件記錄、歷史曲線記錄查詢、單元狀態監控、系統信息查詢、歷史故障查詢等功能外,還具有送電后系統自檢、一鍵開停機、分時控制、示波器(AD通道強制錄波)、故障瞬間電壓/電流波形記錄等特色功能。
●   FGSVG設計包含與FC配合使用的接口,實現定補和動補的有效結合,為用戶提供更經濟,更靈活的補償方案。具有4組FC接口控制功能,在控制上可以根據實際情況設置4組FC支路的投切順序,并實時監測FC的故障狀態,實現了SVG+FC系統的智能控制。
●   投切時無暫態沖擊,無合閘涌流,無電弧重燃,無需放電即可再投。
●   采用美國TI和ALTERA公司的優質DSP芯片和FPGA芯片,實現了3核控制技術,其中3片DSP芯片分別處理對外通訊,主控計算,功率單元控制,三片FPGA配合DSP實現大量的數據處理和數據交換,基于這種構架的產品,整機響應速度達到了容性功率到感性功率突變時間只需要3.7ms。
●   與系統連接時,不需要考慮交流系統相序,連接方便。
●   可并聯安裝,極易擴展容量。并機運行使用光纖通訊,通訊速度快,能夠完好的滿足實時補償的要求。整機擴容簡單易行,特別是改造現場和未生產現場,若SVG投運后發現功率不能滿足生產要求,可以隨意擴容,不需要將設備完全拆除,只需要更換功率單元即可實現增容,另外在一個現場若有多臺設備,可以十分方便的實現以太網組網,或通過高速光纖實現主從控制。

5。2系統結構

FGSVG系列產品的主電路采用鏈式拓撲結構,模塊化的結構設計,采用星型連接,星型接法的結構示意圖如圖1所示。


 

圖1 FGSVG電氣結構示意圖

控制柜與功率柜信號通過光纖進行隔離控制,實現了高低壓的可靠隔離。FGSVG系列產品系統對結構上做出了極大的改進處理,使維護更方便。控制柜進行了嚴格的抗干擾處理,保障控制系統不受高壓主回路的影響。功率單元的改善使得功率柜占地面積更小,極大節省了用戶設備空間,減少了投資。

FGSVG系列產品主要分為三部分:控制柜、功率柜、電抗器柜。其中功率柜實現了統一設計,方便產品的擴展及穩定性。各電壓等級的裝置由控制柜、功率柜及電抗器柜(或空心電抗)組成。
5.2.1  控制柜

主回路部分由隔離開關QS1,斷路器QF,緩沖電阻R及狀態檢測器件等多個部分組成,如圖2所示。



圖2 控制柜中主回路圖

自主研發的主控箱系標準機箱,通過了GB/T17626系列國標要求的嚴格EMC(電磁兼容性)認證,又通過溫度沖擊及振動試驗的處理,具有極高的可靠性。
主控箱中控制核心由高速32位數字信號處理器DSP、大規模可編程邏輯器件CPLD/FPGA協同運算來實現。精心設計的算法可以保證FGSVG達到最優的運行性能。控制器采用大規模集成電路和表面焊接技術,使系統具有極高的可靠性。采用國際知名品牌西門子PLC,增強了系統的靈活性。

人性化操作界面如圖3所示,柜門上安放緊急停止按鈕,方便用戶在緊急情況下操作。選用知名品牌威綸通HMI,采用世界先進的儀器設備,運用標準化作業程序執行管制,與國際標準同步,保證了其金牌品質。
5.2.2  功率柜

功率柜主要由功率單元組成,構成了FGSVG無功補償的主體。功率單元分三相安裝,單元輸出波形疊加成整機輸出波形。每個功率單元都承受全部的輸出電流、1/20的相電壓、1/60的輸出功率。單元模塊工作時會產生部分熱量,由柜頂或后柜門設計的風機強制散熱。

兴发老虎机直流電容精心選用知名品牌的薄膜電容,采用金屬化聚丙烯薄膜(德國創始普PHD型耐高溫聚丙烯基膜),為產品可靠性提供了有力保障。

每個功率單元均具有完善的保護功能(過流、過壓、過溫、驅動觸發異常、通訊異常等),控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術,低壓部分和高壓部分完全可靠隔離,系統具有極高的安全性,同時具有很好的抗電磁干擾性能。

功率單元結構上完全一致,模塊化的結構設計,使得功率單元可以任意互換,單元的外部接口只有兩個或四個輸出端子及兩個光纖插口,這使得維護和檢修更簡單。每個單元通過IGBT逆變橋實現正弦PWM控制,可得到如圖3所示的單元輸出波形。


 
圖3單元輸出波形

單元鏈接后三相之間進行星型連接并通過電抗接入電網,通過對每個單元的PWM波形的疊加,可得到逼近正弦的階梯PWM波形,如圖4所示為星型連接的單相波形。


 
圖4單元輸出疊加后的波形圖

FGSVG系列產品采用了先進的數字化標準載波移相技術,它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消,串聯后又經過輸出電抗器濾波,總輸出波形正弦度好,dv/dt小,諧波成分含量小,可減少對電纜的絕緣損壞,在輸出側無需再增加輸出濾波器。
5.2.3  電抗器柜

FGSVG系列產品通過電抗器L接入電網,電流波形正弦度更好。電抗器平波的同時,也抑制了SVG的諧波使其輸出的電流諧波符合國家標準。電抗器柜的單獨設計利于用戶對空間的更高使用率,極大程度的緩解了空間對該設備的使用限制,一定程度上減少了用戶對設備間的投資,節省了開支。
6長豐朱巷鎮三里河水庫40MWp光伏發電場SVG運行情況

本項目總裝機容量為40MWp,共裝設置630kW并網逆變器64臺,并網逆變器交流輸出電壓為0。3kV和0。27kV,經升壓變壓器升壓至35kV,后經匯集后送至中海洋110kV變電站35kV出線間隔。

電站為了能滿足正常運行的需要采購新風光電子科技股份有限公司生產的9MVar 動態無功補償裝置一臺,型號FGSVG-C9.0T,經過升壓10kV/35kV 升壓變壓器后掛接現場的35kV 電網。FGSVG現場圖片(如圖6所示):


圖6  FGSVG現場圖片

FGSVG 投運后運行正常,滿足了光伏電站對于無功補償裝置的要求,也順利經過了驗收,該裝置具有以下的運行特點:
(1)設計合理,安裝簡便。FGSVG 采用模塊化結構,安裝維護簡單,現場配線少,調試簡單,投產迅速。
(2) 操作簡單易于觀察
FGSVG 控制面板結構簡潔,操作簡單,標準通信功能可以實現與上位機系統的互聯,狀態顯示全面,功能設置方便。
(3)功率因數穩定且可設置
光伏電站并網要求功率因數0.95~0.99 之間,實際不投入SVG 時并網功率因數大約為1,為了維持電力系統的穩定,SVG 發送部分感性無功使功率因數達到要求。長豐朱巷鎮三里河水庫40MWp光伏電站投入SVG 之后功率因數一直穩定在0.98~0.99 之間,既滿足了盡量多發電的要求,又滿足了電力系統對功率因數的要求。
(4)提高電網電能質量
SVG 對諧波具有濾除功能,現場投入SVG 之后電網接入點電流諧波含量維持2%以下,SVG 與普通的無功補償裝置相比具有極快的響應速度,FGSVG 響應速度小于5ms,對于電網電壓的跌落和閃變具有一定抑制作用并網波形。
(5) 能耗情況
FGSVG 運行效率高達99.97%,耗電極少,減少了電站自身用電損耗。
7結束語

經過一年半來的運行表明,FGSVG無功補償裝置在長豐朱巷鎮三里河水庫40MWp光伏電站工作穩定可靠,自動化程度高,改善了電網質量,達到了預期效果。SVG是近年來發展起來的一種高效、優質的無功補償措施,是電力電子技術及逆變技術在新能源領域中的新應用,在治理光伏發電場電網諧波、無功補償及穩定電網安全運行方面,發揮著重要的作用。

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