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新風(fēng)光高壓動態(tài)無功補償裝置在光伏發(fā)電場中的應(yīng)用

時間:2017-07-31 14:41:52來源:田利瑞 郭道省 郭培彬

導(dǎo)語:?本文介紹了新風(fēng)光電子科技股份有限公司SVG產(chǎn)品在長豐朱巷鎮(zhèn)三里河水庫40MWp光伏電站的應(yīng)用

1前言

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展,光伏發(fā)電在內(nèi)的新能源的開發(fā)和利用是解決當前面臨的能源短缺危機和緩解環(huán)保壓力的有效措施。大型光伏電站以及屋頂并網(wǎng)光伏電站是太陽能利用的重要發(fā)展趨勢。光伏發(fā)電的迅速發(fā)展也給電力系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)本身光照強度、溫度變化等都會引起并網(wǎng)點電壓波動。其中大型光伏電站的接入,將對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生深刻影響,特別是在電網(wǎng)故障時光伏電站的突然脫網(wǎng)會進一步惡化電網(wǎng)運行狀態(tài),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(wǎng)等技術(shù)問題也會越來越突出。

2光伏電站需要解決的關(guān)鍵問題

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

因此,要解決目前光伏電站實現(xiàn)低電壓穿越的重要性??刂拼笮凸夥娬镜碗妷捍┰絾栴},保障光伏電站接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。然而,目前國內(nèi)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(cè)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(tǒng)的無功需求,在電網(wǎng)故障時能保持并網(wǎng)運行,并向電網(wǎng)輸出一定的無功功率以支撐并網(wǎng)點電壓,減少了因光伏電站的突然脫網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的不利影響。

3加裝SVG的必要性

靜止無功發(fā)生器(SVG)則可以快速平滑調(diào)節(jié)無功補償功率的大小,提供動態(tài)的電壓支撐,改善系統(tǒng)的運行性能。將SVG安裝在光伏電站的出口,根據(jù)光伏電站接入點電壓的偏差量來控制SVG補償?shù)臒o功功率,能夠穩(wěn)定光伏電站節(jié)點電壓,降低功率波動對電網(wǎng)電壓的影響。在系統(tǒng)發(fā)生短路故障情況下,SVG的動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力可以加快故障切除后光伏電站內(nèi)部和接入點電壓的恢復(fù)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(shè)備安全運行和穩(wěn)定電能質(zhì)量均有很好的作用。

靜止無功發(fā)生器(SVG)可以快速平滑調(diào)節(jié)無功補償功率的大小,提供動態(tài)的電壓支撐,改善系統(tǒng)的運行性能。

在系統(tǒng)發(fā)生短路故障情況下,SVG的動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力可以加快故障切除后內(nèi)部工況的恢復(fù)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(shè)備及變電站安全運行和穩(wěn)定電能質(zhì)量均有很好的作用。

4項目概況

國電長豐朱巷鎮(zhèn)三里河水庫40MWp漁光互補光伏發(fā)電場,擬采購多晶硅255Wp光伏組件79200*2塊,總?cè)萘繛?0.392MW,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(wǎng)逆變器、32臺1250kva變壓器。項目投產(chǎn)后,年平均發(fā)電量4400萬千瓦時。本項目的建成投產(chǎn)可在一定程度上調(diào)整當?shù)仉娏Ξa(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),解決當?shù)卣墓?jié)能減排任務(wù);提高人們的生活質(zhì)量,同時該項目促進該區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

為了提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性,降低大型光伏電站對電力系統(tǒng)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(jù)《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》Q/GDW617-2011要求“大中型光伏電站應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng),具備無功功率及電壓控制能力。根據(jù)電力調(diào)度部門指令,光伏電站自動調(diào)節(jié)器發(fā)出(或吸收)無功功率,控制光伏電站并網(wǎng)點電壓在正常運行范圍內(nèi),其調(diào)節(jié)速度和控制精度應(yīng)能滿足電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的要求。低電壓穿越過程中光伏電站宜提供動態(tài)無功支持。”《GB/T29321-2012光伏發(fā)電站無功補償技術(shù)規(guī)范》中5.2條款要求,“光伏電站無功補償裝置應(yīng)能夠跟蹤光伏電站處理的波動及系統(tǒng)電壓控制要求,并快速響應(yīng)。動態(tài)無功響應(yīng)時間應(yīng)不大于30ms。”該光伏電站業(yè)主通過招標方式,選擇了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的FGSVG-C9.0/35T型高壓動態(tài)無功補償和諧波治理裝置,配置在光伏發(fā)電現(xiàn)場,用于電網(wǎng)無功補償和諧波治理,設(shè)備一次成功投運,達到了預(yù)期目的。

5新風(fēng)光FGSVG-C9.0/35T高壓動態(tài)無功補償

5.1FGSVG裝置技術(shù)優(yōu)勢

FGSVG系列產(chǎn)品采用現(xiàn)代電力電子、自動化、微電子及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù),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(shè)定的無功性質(zhì)及大小、功率因數(shù)、電網(wǎng)電壓為控制目標運行,動態(tài)的跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化調(diào)節(jié)無功輸出,并能實現(xiàn)曲線設(shè)定運行,提升電網(wǎng)質(zhì)量。FGSVG系列產(chǎn)品是目前國內(nèi)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(xiàn)了無功補償方式質(zhì)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(guān)實現(xiàn)無功能量的變換。

易操作、高性能、高可靠性的FGSVG系列產(chǎn)品為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求做出相應(yīng)設(shè)計,具有以下特點:

●模塊化設(shè)計,安裝、調(diào)試、設(shè)定簡便。

●動態(tài)響應(yīng)速度快,響應(yīng)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(shù)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(tài)連續(xù)平滑補償無功功率,提高系統(tǒng)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。

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

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

●設(shè)備結(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)構(gòu),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(jīng)輸出電抗濾波后正弦度良好。

●自動調(diào)整載波頻率,自適應(yīng)環(huán)境和功率變化。

●小于0.2A的補償精度。

●FGSVG采用冗余性設(shè)計和模塊化設(shè)計,滿足系統(tǒng)高可靠性的需求。

●功率電路模塊化設(shè)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(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。

●人機界面設(shè)計采用windows系統(tǒng)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(xí)慣設(shè)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(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。

●FGSVG設(shè)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,更靈活的補償方案。具有4組FC接口控制功能,在控制上可以根據(jù)實際情況設(shè)置4組FC支路的投切順序,并實時監(jiān)測FC的故障狀態(tài),實現(xiàn)了SVG+FC系統(tǒng)的智能控制。

●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。

●采用美國TI和ALTERA公司的優(yōu)質(zhì)DSP芯片和FPGA芯片,實現(xiàn)了3核控制技術(shù),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F(xiàn)PGA配合DSP實現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交換,基于這種構(gòu)架的產(chǎn)品,整機響應(yīng)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(tǒng)連接時,不需要考慮交流系統(tǒng)相序,連接方便。

●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?。整機擴容簡單易行,特別是改造現(xiàn)場和未生產(chǎn)現(xiàn)場,若SVG投運后發(fā)現(xiàn)功率不能滿足生產(chǎn)要求,可以隨意擴容,不需要將設(shè)備完全拆除,只需要更換功率單元即可實現(xiàn)增容,另外在一個現(xiàn)場若有多臺設(shè)備,可以十分方便的實現(xiàn)以太網(wǎng)組網(wǎng),或通過高速光纖實現(xiàn)主從控制。

5.2新風(fēng)光FGSVG-C9.0/35T技術(shù)指標

新風(fēng)光FGSVG-C9.0/35T技術(shù)指標如表1所示。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FGSVG系列產(chǎn)品的主電路采用鏈式拓撲結(jié)構(gòu),模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計,采用星型連接,星型接法的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1FGSVG電氣結(jié)構(gòu)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(gòu)上做出了極大的改進處理,使維護更方便??刂乒襁M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(shè)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(shè)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。

5.3.1控制柜

主回路部分由隔離開關(guān)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)??删幊踢壿嬈骷﨏PLD/FPGA協(xié)同運算來實現(xiàn)。精心設(shè)計的算法可以保證FGSVG達到最優(yōu)的運行性能??刂破鞑捎么笠?guī)模集成電路和表面焊接技術(shù),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(shè)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

5.3.2功率柜

功率柜主要由功率單元組成,構(gòu)成了FGSVG無功補償?shù)闹黧w。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(chǎn)生部分熱量,由柜頂或后柜門設(shè)計的風(fēng)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(shù),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(gòu)上完全一致,模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù),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。

5.3.3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(shè)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(shè)備的使用限制,一定程度上減少了用戶對設(shè)備間的投資,節(jié)省了開支。

6長豐朱巷鎮(zhèn)三里河水庫40MWp光伏發(fā)電場SVG運行情況

國電長豐朱巷鎮(zhèn)三里河水庫40MWp漁光互補光伏發(fā)電場一次連線如圖6所示:

圖6長豐朱巷鎮(zhèn)三里河水庫40MWp光伏發(fā)電場一次連線圖

本項目總裝機容量為40MWp,共裝設(shè)置630kW并網(wǎng)逆變器64臺,并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓為0.3kV和0.27kV,經(jīng)升壓變壓器升壓至35kV,后經(jīng)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(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的9MVar動態(tài)無功補償裝置一臺,型號FGSVG-C9.0T,經(jīng)過升壓10kV/35kV升壓變壓器后掛接現(xiàn)場的35kV電網(wǎng)。

FGSVG現(xiàn)場圖片(如圖7所示):

圖7FGSVG現(xiàn)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(jīng)過了驗收,該裝置具有以下的運行特點:

(1)設(shè)計合理,安裝簡便。FGSVG采用模塊化結(jié)構(gòu),安裝維護簡單,現(xiàn)場配線少,調(diào)試簡單,投產(chǎn)迅速。

(2)操作簡單易于觀察

FGSVG控制面板結(jié)構(gòu)簡潔,操作簡單,標準通信功能可以實現(xiàn)與上位機系統(tǒng)的互聯(lián),狀態(tài)顯示全面,功能設(shè)置方便。

(3)功率因數(shù)穩(wěn)定且可設(shè)置

光伏電站并網(wǎng)要求功率因數(shù)0.95~0.99之間,實際不投入SVG時并網(wǎng)功率因數(shù)大約為1,為了維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定,SVG發(fā)送部分感性無功使功率因數(shù)達到要求。長豐朱巷鎮(zhèn)三里河水庫40MWp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。(如圖8所示)

圖8使用FGSVG后的功率因數(shù)曲線

(4)提高電網(wǎng)電能質(zhì)量

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(yīng)速度,F(xiàn)GSVG響應(yīng)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。

(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(jié)束語

經(jīng)過半年來的運行表明,F(xiàn)GSVG無功補償裝置在長豐朱巷鎮(zhèn)三里河水庫40MWp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(yù)期效果。SVG是近年來發(fā)展起來的一種高效、優(yōu)質(zhì)的無功補償措施,是電力電子技術(shù)及逆變技術(shù)在新能源領(lǐng)域中的新應(yīng)用,在治理光伏發(fā)電場電網(wǎng)諧波、無功補償及穩(wěn)定電網(wǎng)安全運行方面,發(fā)揮著重要的作用。

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