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基于 光伏电站的谐波补偿及谐振抑制技术

日期:2015年5月15日 17:33

一、大型 光伏荒漠电站的发展概述

图1.国内 光伏装机容量示意图

从2014年国 家公布的计划安装量数据来看,这种 爆炸式增长的趋势丝毫未减。目前,经过 调整最终确定的安装量为14吉瓦(地面光伏电站6吉瓦、分布式光伏电站8吉瓦)。这几 乎相当于过去所有年份国内光伏电站安装量的总和。

荒漠 电站的发展趋势朝着单个电站容量越来越大,接入 的电压等级越来越高的方向发展。

二、大型 光伏荒漠电站的电能质量问题

1、谐波是如何产生的?

光伏 电站谐波的产生主要由逆变器、直流母线波动、变压 器铁芯饱和非线性及电网的畸变导致。

逆变 器产生的谐波主要由两部分构成:一部 分由死区时间引起,包括3、5、7、9等低次谐波;另一 部分由调制过程产生,成组 的分布于开关频率整数倍附近。直流 母线扰动也是产生谐波的一个源头,直流 母线电压有一个暂态调整过程,对其电流波形的影响,只能通过改进MPPT方法尽可能减弱,但不可消除。隔离 变压器的铁心饱和非线性特性也会导致谐波的产生,同时,电网畸变严重时,若逆 变器发出理想的正弦电压,电抗 上会产生谐波电压差,导致 并网电流中含有对应的谐波分量。

图3.低光 照下逆变器输出电流实测

大容量光伏并网系统,低功率、弱电 网连接时将产生大量电流电压谐波。大型 荒漠电站由多台逆变器组成,通过 一个接入点并入电网,逆变 器间将会相互影响,相互作用,必将 存在各次谐波的互相叠加问题。

图4.实测 光伏电站的谐波曲线

弱光 情况下逆变器负载率通常在10%以下,并网电流THD通常大于5%,超大 型光伏电站容量可能达到百兆瓦级,即使10%的负载率,输出容量也达到10MW,这时,光伏 电站将成为一个巨大的谐波源,严重 威胁到电网的稳定运行。

2、谐振是如何产生的?

大型 并网光伏电站输出谐波电流具有宽频域及高频次等特性,通过 长距离输电电缆接入电网,因此,输电 线路分布电容的影响不可忽略。当谐 波电流与电网输电线路参数匹配时,会产生并联谐振,造成谐波电流放大,进一 步提升系统的谐波含量。背景 谐波电压与输电线路参数匹配时会产生串联谐振造成严重的谐波电压放大。

图5.架空 线的串联谐振分析

200-300km的输电线路易于对3次谐波电压产生谐振,谐振点处约有5倍的放大。100-200km输电线易于对5、7次产生谐振,在谐振点处有接近10倍的放大,对其 它次数的谐波电压无放大。100km内的输电线路对11、13以及 更高次的谐波电压可能产生谐振,放大系数可能超过20。由于 背景谐波电压多为3、5、7等低次,需要关注100km以上输电线路的影响,谐振 将导致输电线路谐波电压过高,严重 影响光伏电站的稳定运行。

所以,大型 光伏荒漠电站所配套的无功补偿装置,提出 了有谐波补偿和谐振抑制的需求。

三、特变 电工静止无功发生器的谐波补偿及谐振抑制技术

图6.光伏专用户外集装箱

特变 电工静止无功发生器,通过外部CT测量 负载电流或电网电流送到信号板进行处理,采用高性能FPGA的谐波检测算法,快速、准确 完成负荷谐波电流的计算。通过 对旋转坐标系下的基波电流和谐波电流独立控制,形成 谐波电流补偿的闭环控制回路,并产生PWM驱动 信号到功率器件实现调制,可对 指定次谐波进行有针对性的补偿,将所 需的补偿电流输出到电网,完成谐波滤除的功能,实现了25次及 以下谐波补偿能力。同时,通过 实时检测的负载谐波电流及并网点的谐波电压,调节 虚拟谐波阻抗进行控制,有效抑制谐振。

图7.特变 电工静止无功发生器投运前35KV实测二次侧电流(电流变比800:5)

图8.特变 电工静止无功发生器投运后35KV实测二次侧电流(电流变比800:5)

通过投运特变 电工静止无功发生器,利用 其谐波补偿及谐振抑制技术,有效 改善了大型荒漠光伏电站的电能质量,提高 了光伏电站和输电网络的系统稳定性。

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