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新風光35kV直掛式SVG裝置在光伏電站的應用

時間:2017-04-20 11:44:15來源:田利瑞,郭培彬,郭金星

導語:?振發(fā)新能源國能民勤紅沙崗50MW光伏電站位于甘肅省武威市民勤縣,電站東南距離民勤縣約67.5公里,北距紅沙崗鎮(zhèn)約2.5公里,西側(cè)緊靠212省道。進站道路由站址2012省道向東引接,長約200m。

1、項目概述

振發(fā)新能源國能民勤紅沙崗50MW光伏電站位于甘肅省武威市民勤縣,電站東南距離民勤縣約67.5公里,北距紅沙崗鎮(zhèn)約2.5公里,西側(cè)緊靠212省道。進站道路由站址2012省道向東引接,長約200m。

該光伏電站總發(fā)電容量50MWp,接入系統(tǒng)電壓等級35千伏,采用平板固定式組件陣列,共安裝235瓦多晶硅電池板212784塊,安裝逆變器、35千伏升壓變壓器,及相配套的繼電保護、自動裝置、光功率預測、通信、計量、計算機監(jiān)控等設備。電站設計年發(fā)電量7747.4萬千瓦時。該光伏電站選用新風光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的FGSVG-C12.0/35高壓動態(tài)無功補償裝置,對電站電網(wǎng)質(zhì)量進行改善。

2、新風光FGSVG-C12.0/35高壓動態(tài)無功補償

以下對新風光FGSVG-C12.0/35高壓動態(tài)無功補償裝置做一些介紹。

2.1新風光FGSVG-C12.0/35技術指標

民勤紅沙崗50MW光伏電站無功補償裝置FGSVG-C12.0/35總?cè)萘繛?2Mvar,可以動態(tài)輸出12Mvar的感性或容性無功,通過對35kV目標側(cè)的無功檢測,動態(tài)補償系統(tǒng)無功,諧波治理,達到對電壓和功率因數(shù)的控制。

新風光FGSVG-C12.0/35技術指標如表1所示。

表1  FGSVG-C12.0/35技術參數(shù)

序號

項目

技術指標

1

額定工作電壓

35kV

2

額定容量

-12.0~+12.0Mvar

3

輸出無功范圍

感性到容性額定無功范圍內(nèi)連續(xù)變化

4

響應時間

≤5ms

5

過載能力

1.2倍過載1min

6

輸出電壓總諧波畸變率(并網(wǎng)前)

≤5%

7

輸出電流總諧波畸變率THD

≤3%

8

系統(tǒng)電壓不平衡保護,整定范圍

4%~10%

9

效率

額定運行工況≥99.2%

10

運行溫度

-20℃~+40℃

11

貯存溫度

-40℃~+65℃

12

人機界面

采用中文彩色觸摸屏顯示

13

相對濕度

月平均值不大于90﹪(25℃),無凝露

14

海拔高度

﹤1000m(高于1000m需定制)

15

地震烈度

≤8度

 

2.2新風光FGSVG-C12.0/35高壓動態(tài)無功補償裝置的特點

FGSVG以高可靠性、易操作、高性能為設計目標,滿足用戶對提高輸配電電網(wǎng)的功率因數(shù)、治理諧波、補償負序電流的迫切需要,具有以下特點:

(1)模塊化設計,安裝、調(diào)試、設定方便。

(2)動態(tài)響應速度快,響應時間≤5ms。

(3)在補償容量足夠的前提下,輸出電流諧波(THD)≤3%.

(4)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(shù)模式、恒考核點電壓模式、恒考核點無功功率模式2,目標值可實時更改。

(5)實時跟蹤負荷變化,動態(tài)連續(xù)平滑補償無功功率,提高系統(tǒng)的功率因數(shù),實時治理諧波,補償負序電流,提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。

(6)抑制電壓閃變,改善電壓質(zhì)量,穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。

(7)FGSVG電路參數(shù)精心設計,發(fā)熱量小,效率高,運行成本低。

(8)設備結(jié)構緊湊,占地面積小。

(9)主電路采用IGBT組成的H橋功率單元串聯(lián)結(jié)構,每組由多個相同的功率單元組成,整機輸出由PWM波形疊加而成的階梯波,逼近正弦,經(jīng)輸出電抗器濾波后正弦度好。

(10)FGSVG采用冗余性設計和模塊化設計,滿足系統(tǒng)高可靠性的要求。

(11)功率電路模塊化設計,維護簡單,互換性好。

(12)保護功能齊全,具有過壓、欠壓、過流、光纖通訊故障、單元過熱、不均壓等保護,并能實現(xiàn)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。

(13)人機界面友好顯示,對外通訊提供了RS485、以太網(wǎng)等接口,采用標準MODBUS通訊協(xié)議。除具有實時數(shù)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(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)信息查詢、歷史故障查詢等功能外,還具有送電后系統(tǒng)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。

(14)FGSVG設計包含與FC配合使用的接口,實現(xiàn)定補和動補的有效結(jié)合,為用戶提供更經(jīng)濟、更靈活的方案。

(15)投切時無暫態(tài)沖擊,無合閘涌流,無電弧重燃,無需放電即可再投。

(16)與系統(tǒng)連接時,不需要考慮交流系統(tǒng)相序,連接方便。

(17)可并聯(lián)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?shù)囊蟆?/p>

2.3系統(tǒng)結(jié)構

FGSVG系列產(chǎn)品的主電路采用鏈式拓撲結(jié)構,模塊化的結(jié)構設計,采用星型連接,每相20功率單元串聯(lián),星型接法的結(jié)構示意圖如圖1所示。

圖1FGSVG電氣結(jié)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(xiàn)了高低壓的可靠隔離。FGSVG系列產(chǎn)品系統(tǒng)對結(jié)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(tǒng)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(jié)省了用戶設備空間,減少了投資。

FGSVG系列產(chǎn)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(xiàn)了統(tǒng)一設計,方便產(chǎn)品的擴展及穩(wěn)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。各柜體中主要器件及作用如表2所示。

表2 FGSVG主要器件及作用

系統(tǒng)結(jié)構

主要器件分類

作用

控制柜

開關器件

主回路的投切與斷開

緩沖器件

模塊充電時的母線緩沖

數(shù)據(jù)采集器件

開關量、模擬量采集

控制箱

數(shù)據(jù)處理

邏輯控制器

邏輯控制

人機界面

對參數(shù)進行設置與顯示以及波形記錄

二次電源系統(tǒng)

對電源進行處理,實現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定

功率柜

功率單元

根據(jù)信號級聯(lián)成特定幅值及相位的電壓

強制風冷系統(tǒng)

對模塊單元強制冷卻

電抗器柜

電抗器

實現(xiàn)無功電壓源的并網(wǎng)并對電流濾波

2.3.1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(tài)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(fā)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(shù)字信號處理器DSP、大規(guī)模可編程邏輯器件CPLD/FPGA協(xié)同運算來實現(xiàn)。精心設計的算法可以保證FGSVG達到最優(yōu)的運行性能。控制器采用大規(guī)模集成電路和表面焊接技術,使系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)程序執(zhí)行管制,與國際標準同步,保證了其金牌品質(zhì)。

圖3FGSVG人機界面

2.3.2功率柜

功率柜主要由功率單元組成,構成了FGSVG無功補償?shù)闹黧w。功率單元分三相安裝,每相單元20個,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(chǎn)生部分熱量,由柜頂或后柜門設計的風機強制散熱。

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(chuàng)始普PHD型耐高溫聚丙烯基膜),為產(chǎn)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(qū)動觸發(fā)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(tǒng)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(jié)構上完全一致,模塊化的結(jié)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?qū)崿F(xiàn)正弦PWM控制,可得到如圖4所示的單元輸出波形。

圖4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(wǎng),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5所示為星型連接的單相波形。

圖5單元輸出疊加后的波形圖

FGSVG系列產(chǎn)品采用了先進的數(shù)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(lián)后又經(jīng)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(cè)無需再增加輸出濾波器。

2.3.3電抗器柜

FGSVG系列產(chǎn)品通過電抗器L接入電網(wǎng),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(jié)省了開支。

2.4FGSVG運行方式

運行方式包含了五種: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(shù)模式、恒考核點電壓模式、恒考核點無功功率模式2。由下拉框選定,并于右側(cè)設定目標值,目標值可隨時更改,更改后可根據(jù)檢測值檢查補償效果。如表3所示,對“運行方式”進行了詳細說明。

表3 FGSVG系統(tǒng)運行方式

運行方式

說明

恒裝置無功功率模式

FGSVG固定發(fā)送或吸收所設定大小的無功功率。

恒考核點功率因數(shù)模式

在FGSVG補償容量范圍內(nèi)對考核點以設定的功率因數(shù)(-100%~+100%)為目標進行補償。

恒考核點電壓模式

以用戶設定電壓值為目標,通過調(diào)節(jié)無功輸出從而使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在設定值附近。

恒考核點無功功率模式

通過調(diào)節(jié)FGSVG的無功輸出從而使考核點無功功率穩(wěn)定在設定值附近。

恒考核點無功功率模式2

該模式檢測負載側(cè)無功功率,調(diào)節(jié)FGSVG的無功功率,以使系統(tǒng)側(cè)無功功率為零或穩(wěn)定在設定值。

為與上位機建立通訊,本裝置采用標準的MODBUS_RTU通信協(xié)議及CDT-91循環(huán)規(guī)約。FGSVG并聯(lián)運行,依托成熟的通訊模式使用光纖通訊,保證并聯(lián)運行裝置的安全、可靠運行,提升從機的跟蹤速度,實現(xiàn)大容量FGSVG的并網(wǎng)要求。

柜門人機界面還提供了裝置未上高壓時,通訊信息的遙信遙測驗證功能,方便現(xiàn)場調(diào)試人員對通信數(shù)據(jù)通道及數(shù)據(jù)進行測試(如圖6所示)。

圖6“四遙”測試界面

“調(diào)試項選擇”中依次選擇要調(diào)試的內(nèi)容,由數(shù)據(jù)輸入框設定數(shù)值,若地址對應則上位機顯示相應數(shù)據(jù)/狀態(tài)或FGSVG接受控制信號。如圖6中選擇遙信量,則設置遙信調(diào)試數(shù)據(jù)的值對遙信量進行變化,界面中間“遙信欄”顯示目前設定的狀態(tài),若通訊正常且上位機地址正確則正確顯示該狀態(tài),說明調(diào)試成功。其它項做類似調(diào)試。

3、現(xiàn)場應用情況

民勤紅沙崗50MW光伏電站匯集升壓站的一次接線如圖7所示。

圖7光伏電站匯集升壓站的一次接線圖

光伏電站政策電價每年都在遞減,現(xiàn)場50兆瓦光伏電站在2013年年底建成,并在2013年12月29日開始啟動投運并網(wǎng),先后進行了110千伏線路充電、110千伏刀閘斷路器等開關合斷測試、主變充電測試、35千伏側(cè)各光伏支路充電測試、FGSVG并網(wǎng)投入運行測試等等。

FGSVG通過安裝在110kV側(cè)的PT、CT裝置,檢測并網(wǎng)點的電壓、電流,可以實現(xiàn)恒裝置無功功率控制、恒考點電壓控制、恒考核點無功功率控制以及恒考核點功率因數(shù)控制。根據(jù)調(diào)度要求,現(xiàn)場采用恒考核點功率因數(shù)控制模式。FGSVG一次并網(wǎng)投運正常,光伏電站經(jīng)過24小時的試運行之后,電站歸調(diào),轉(zhuǎn)入正式運行,完成了元旦前并網(wǎng)投運的目標。滿足了光伏電站對于無功補償裝置的要求,也順利經(jīng)過了驗收。

民勤紅沙崗50MW光伏電站投入SVG之后功率因數(shù)一直穩(wěn)定在0.98~0.99之間,既滿足了盡量多發(fā)電的要求,又滿足了電力系統(tǒng)對功率因數(shù)的要求。

SVG對諧波具有濾除功能,現(xiàn)場投入SVG之后電網(wǎng)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,F(xiàn)GSVG響應速度小于5ms,對于電網(wǎng)電壓的跌落和閃變具有一定抑制作用并網(wǎng)波形(如圖8所示):

圖8改善電網(wǎng)電能質(zhì)量

響應速度波形(如圖9所示):

圖9響應速度波形

4、結(jié)論

經(jīng)過兩年多來的運行表明,F(xiàn)GSVG無功補償裝置在民勤紅沙崗光伏電站工作穩(wěn)定可靠,自動化程度高,改善了電網(wǎng)質(zhì)量,達到了預期效果,該項工程得到甘肅電網(wǎng)公司的高度認可。與現(xiàn)有的其他無功補償設備相比,優(yōu)越性非常明顯,在光伏電站上具有很好地推廣應用價值。

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