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分布式光伏并网电能质量治理应用
2017-04-26 18:21:21  作者:范云鹏 王飞 王传勇  来源:中国设计师网  
  •   我国的能源结构以常规能源(煤、石油和天然气)为主,由于常规能源的不可再生性,使得能源的供需矛盾日益突出,同时承受着其巨大的环境压力。开发清洁的新能源是国家能源发展战略的重要组成部分,作为清洁和可再生能源的太阳能,取之不尽,用之不竭。大力发展太阳能发电是实现能源多元化……
    关键字: 光伏

  1 引言

  我国的能源结构以常规能源(煤、石油和天然气)为主,由于常规能源的不可再生性,使得能源的供需矛盾日益突出,同时承受着其巨大的环境压力。开发清洁的新能源是国家能源发展战略的重要组成部分,作为清洁和可再生能源的太阳能,取之不尽,用之不竭。大力发展太阳能发电是实现能源多元化,缓解对有限矿物质能源的依赖与约束,符合保持国家能源的可持续健康发展的需要,将会带来良好的经济效益和社会效益。分布式太阳能并网采用逆变器将直流转换成交流接入电网,在其工作过程中会产生高频的谐波电流,会对企业配电系统电能质量造成影响。同时其主要用于企业内部供电,由于并网发电使的用电量减少而造成功率因数降低,带来额外的电能损耗。

  2 分布式光伏并网特点

  光伏并网一般分为集中并网和分布式并网,集中并网以建设大面积光伏阵列,通过变换器和控制器经光伏变电站接入电网,一般电压等级为10KV~35KV,大型光伏电站采用66KV及以上电压等级接入电网。分布式并网一般是容量较小的光伏电站,通过380V低压并网,光伏站容量一般为上一级变压器供电区域最大负荷的25%以内。分布式光伏发电一部分由企业内部用电设备就地消纳,剩余电力通过厂区配电变送入公共电网。当光伏电站电力无法满足厂区负荷时,厂区所需电力将通过电站并网由公共电网提供。

  光伏并网系统由光伏阵列、变换器和控制器组成,变换器将光伏电池所发出的电能逆变成正弦电流并入电网中;控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率,使向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。太阳能光伏系统主要作为可再生的分布式电源,向独立发电系统或者电力网络供电,具有一般电力系统电源的特点。光伏并网系统的传输能量来源于光伏电池,由电池的特性决定其输出的电压和电流曲线为非线性,受光照和温度的影响,输出功率跟着变化。光伏系统通过电力电子变换器将直流电变换为交流电并入电网。

  3 分布式光伏接入系统无功补偿存在的问题

  3.1 功率因数过低导致的罚款问题

  根据国家力率调整电费的办法,功率因数低于允许值会导致罚款。如表1所示。比如用户的变压器容量为1000kVA,光伏未接入时的有功功率为600kW,无功功率为200kvar,则功率因数为0.95,不被罚款;若光伏接入后发电的有功功率为500kW,则系统向外电网需求的有功功率降为600-500=100kW,无功功率仍为200kvar,此时的功率因数为0.45,从而功率因数过低而导致供电局的罚款,而这个问题主要是由于光伏接入后,往外电网需求的有功功率降低导致的功率因数降低而影响的。

  表1 光伏接入前后系统功率因数情况

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  3.2 一般的无功补偿控制器无法适应发电时的运行方式

  根据DL/T645-2007的规定,我们将一个平面坐标系的横轴定义为无功功率,纵轴定义为有功功率,二个轴将一个平面划分为四个区域,左上角的为Ⅰ象限,顺时针依次为Ⅱ象限、Ⅲ象限和Ⅳ象限;Ⅰ象限和Ⅱ象限无功定义为正向无功,Ⅲ象限和Ⅳ象限无功定义为反向无功;如下图(1)所示:

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图1 功率象限图

  Ⅰ象限无功:输入有功功率,输入无功功率,用户为阻感性负载;

  Ⅱ象限无功:输出有功功率,输入无功功率,用户负荷相当于一台欠励磁发电机;

  Ⅲ象限无功:输出有功功率,输出无功功率,用户负荷相当于一台过励磁发电机;

  Ⅳ象限无功:输入有功功率,输出无功功率,用户为阻容性负载。

  一般的控制器仅能在有功功率为正的Ⅰ、Ⅳ象限运行,而发电状态时Ⅱ、Ⅲ象限就无法识别了一般的无功补偿控制器只适应于二象限运行,以系统供电电压为计算基准,用电时控制器可以检测出系统所需的无功量,发电时由于有功功率为负,其参考基准发生变化,无法正常检测到系统需要补偿的无功,导致其无功补偿不能正常运行。

  3.3 普通纯电容无功补偿会导致谐振的风险

  光伏并网的变换器是通过电子电子器件实现的,采用脉宽调制(PWM)方式进行逆变控制,分布式光伏接入侧有器件开关频率的高频谐波。同时用户负载的多样性可能存在非线性负载而产生谐波,若补偿装置不串电抗器而直接投入电容器,会导致谐振的风险。一般的控制器只管投切电容进行无功补偿的控制,不检测谐波,有的检测谐波了也不做控制上的处理,仅作谐波显示而已。

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图2 系统等效电路

  上图(2)中Vs为电源、Ls为变压器漏抗、C为补偿电容、RL为负载,电路模型为左图,若为谐波电流源负载可等效电路为右图。一旦谐振频率与负载特征次谐波频率一致就会发生谐振,会放大原来的谐波电流。

  3.4 电容组容量划分太粗,导致补偿精度不够

  电容组容量划分太粗会导致补偿精度不够,比如无功补偿装置的每组容量化分为40kvar,若系统需要的无功功率为115kvar,那么补偿装置只能投入2组40kvar电容器,而剩余115-40×2=35kvar仍需要补偿,达不到按需补偿的目的,即使每组容量划分为20kvar,那么仍存在最大20kvar的误差容量补偿不上。尤其是光伏接入后,外网需求的有功功率减少,而剩余的无功功率就很容易致功率因数过低的问题。

  4 分布式光伏并网电能质量解决措施

  根据分布式光伏并网的特点,光伏并网时其发电容量越大,接入点从电网取的有功功率越小,甚至出现有功功率出现返送的情况,而系统的无功功率不变,导致系统的功率因数降低,同时光伏系统的高频谐波会影响普通无功补偿的正常运行。

  为了解决光伏并网带来的电能质量问题,采用TSVG该装置如下图(3)所示。通过有源无功发生器SVG来代替普通补偿装置最小步长容量的支路,由于无功发生器SVG部分可连续输出,配合晶闸管投切电容器TSC后就能消除原有的输出台阶误差(断续补偿),达到整机容量快速连续输出的目的,因此在本机容量足够的情况下可实现全程功率因数为1的效果。可以实现装置具有连续无级可调、快速响应、无涌流等特点。由动态无功补偿控制器作为主控制器检测系统所需的无功功率,指令下发给TSC支路快速投切电容器,同时也下发给有源无功发生器SVG支路,SVG控制器按接收到的无功指令控制自身逆变器产生所需的无功功率,TSC支路实现大容量的粗调,SVG支路实现小容量的细调。

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图3 光伏接入TSVG系统原理示意图

  控制器支持四象限无功检测,能识别出上述四种运行方式,准确的进行补偿。解决夜间由于负载低,经常会出现电压升高的问题,这是因为白天负荷大为了解决压降把变压器调在了高档位置,而到了夜间随着负荷减少,压降变小电压就变高了。虽然控制器无法直接降低系统的电压,但会通过控制电容器投切及调节SVG输出使功率因数控制为1,让系统的输出电压近似等于变压器的开路电压(感性无功电流在变压器漏抗上导致的压降就没有了),这样变压器的档位不需要因白天负荷大而调在高档位置,从而可以减少变压器高档位导致的夜间负荷小造成的电压高的问题。无功补偿控制器可以通过谐波检测的方式,发现谐波放大后通过调整投入容量:减少或增加投入电容的容量C来改变谐振频率避开负载的特征次谐波频率点,虽不能全部解决谐振的问题,但通过这种方式大大减少了谐振的风险。

  5 分布式光伏并网应用实例

  以某分布式光伏并网用户的电能综合治理为例,通过对其采用TSVG方式进行系统无功补偿,对比电能质量综合治理前后情况,验证其在分布式光伏低压并网方面应用的优势和必要性。

  5.1 用户配电系统问题分析

  某电力用户的变压器容量为1000kVA,主要负载为电机、加热负载,安装分布式光伏发电系统前,功率因数为0.95,安装后,电容器无法正常投入,功率因数为0.5。原有无功补偿控制器只能两象限工作,当系统向电网回馈电能是,无法正常工作。原有无功补偿装置单步容量过大,无法实现精细补偿。当用电和发电容量接近时,变压器和线路无功不可忽略 。

  5.2 解决方案

  保留原配电系统电容器 ,采用TSVG无功补偿控制器,实现四象限运算和变压器、线路预补偿 增加SVG,实现精细补偿。可以实现系统处于向电网回馈能量状态,即光伏发电量大于负载用电量,补偿后,电流电压相位接近180度,无功消耗接近0,功率因数接近1。

  5.3 实际治理效果及现场情况

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图4 TSVG现场运行图片

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图5 补偿前后功率

  TSVG装置投入前电流滞后电压约120°有功功率为负值,无功功率为正值,基波功率因数为0.5,系统处于发电状态,TSVG投入运行后,剩余无功功率接近0,基波功率因数为1,达到良好的补偿效果。

  6 结论

  通过对分布式光伏发电并网的电能质量问题采用合适的解决方案,能够满足光伏发电系统功率随光照和温度变化特点的需求,解决了系统处于发电状态时功率因数低的电能质量问题,满足光伏发电站接入电力系统关于无功功率方面的技术要求。同时稳定电网的电压质量,降低企业的无功损耗,稳定系统的供用电环境。

  参考文献

  [1] 徐青山.分布式发电与微电网技术.人民邮电出版社,2011.

  [2] FLUKE434/435电能质量分析仪使用手册.美国FLUKE公司,2004.

  [3] Q-GDW 617-2011 光伏电站接入电网技术规定.

  [4] GBT 15576-2008 低压成套无功功率补偿装置.

  作者简介

  范云鹏,男,河北人,研究生,高级工程师,继电保护专业。

  王飞,男,山东人,研究生,高级工程师,电力系统及其自动化专业。

  王传勇,男,山东人,本科,副高级工程师,发电厂及电力系统专业。

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