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九州ju11net高压动态无功补偿装置在光伏发电场中的应用

发布时间:2020-04-14 作者:九州ju11net

1前言

随着全球经济的发展,光伏发电在内的新能源的开发和利用是解决当前面临的能源短缺危机和缓解环保压力的有效措施。大型光伏电站以及屋顶并网光伏电站是太阳能利用的重要发展趋势。光伏发电的迅速发展也给电力系统带来了许多新问题,无功电压问题就是最重要的问题之一。光伏发电系统本身光照强度、温度变化等都会引起并网点电压波动。其中大型光伏电站的接入,将对电网的安全稳定运行产生深刻影响,特别是在电网故障时光伏电站的突然脱网会进一步恶化电网运行状态,带来更加严重的后果。随着更多、更大的光伏电站投入运行,光伏电站的突然脱网等技术问题也会越来越突出。
2光伏电站需要解决的关键问题

当光伏电站渗透率较高或出力加大时,电网易发生故障引起光伏电站跳闸,由于故障恢复后光伏电站重新并网需要时间,在此期间引起的功率缺额将导致相邻的光伏电站跳闸,从而引起大面积停电,影响电网安全稳定运行。

因此,要解决目前光伏电站实现低电压穿越的重要性。控制大型光伏电站低电压穿越问题,保障光伏电站接入后电网的安全稳定运行。然而,目前国内外的光伏电站无功输出,几乎不具有低电压穿越的能力。制约光伏电站低电压穿越的瓶颈是逆变器交流侧输出电流的大小,若超过额定电流过大,则会损害电力电子器件。因此采用在光伏电站母线上安装SVG等装置以补偿光伏系统的无功需求,在电网故障时能保持并网运行,并向电网输出一定的无功功率以支撑并网点电压,减少了因光伏电站的突然脱网给电网带来的不利影响。
3加装SVG的必要性

静止无功发生器(SVG)则可以快速平滑调节无功补偿功率的大小,提供动态的电压支撑,改善系统的运行性能。将SVG安装在光伏电站的出口,根据光伏电站接入点电压的偏差量来控制SVG补偿的无功功率,能够稳定光伏电站节点电压,降低功率波动对电网电压的影响。在系统发生短路故障情况下,SVG的动态无功调节能力可以加快故障切除后光伏电站内部和接入点电压的恢复过程;在变化情况下,SVG可以使光伏电站电压的波动明显降低,对光伏电站设备安全运行和稳定电能质量均有很好的作用。
静止无功发生器(SVG)可以快速平滑调节无功补偿功率的大小,提供动态的电压支撑,改善系统的运行性能。

在系统发生短路故障情况下,SVG的动态无功调节能力可以加快故障切除后内部工况的恢复过程;在负载变化情况下,SVG可以使变电站的电压波动明显降低,对工艺设备及变电站安全运行和稳定电能质量均有很好的作用。
4项目概况

国电长丰朱巷镇三里河水库40MWp渔光互补光伏发电场,拟采购多晶硅255Wp光伏组件79200*2块,总容量为40.392MW,太阳能板阵列共有1980*2块,按20块一个组串,共计3960*2个组串;64台并网逆变器、32台1250kva变压器。项目投产后,年平均发电量4400万千瓦时。本项目的建成投产可在一定程度上调整当地电力产业结构,解决当地政府的节能减排任务;提高人们的生活质量,同时该项目促进该区域经济的可持续发展。

为了提高电网电压的稳定性,降低大型光伏电站对电力系统的冲击,要求大型光伏电站必须具备一定的低电压穿越能力。如果单纯依靠光伏变流器本身的功能,大型光伏电站的低电压穿越能力较弱,根据《光伏电站接入电网技术规定》Q/GDW 617-2011要求“大中型光伏电站应配置无功电压控制系统,具备无功功率及电压控制能力。根据电力调度部门指令,光伏电站自动调节器发出(或吸收)无功功率,控制光伏电站并网点电压在正常运行范围内,其调节速度和控制精度应能满足电力系统电压调节的要求。低电压穿越过程中光伏电站宜提供动态无功支持。”《GB/T29321-2012光伏发电站无功补偿技术规范》中5.2条款要求,“光伏电站无功补偿装置应能够跟踪光伏电站处理的波动及系统电压控制要求,并快速响应。动态无功响应时间应不大于30ms。”该光伏电站业主通过招标方式,选择了九州ju11net电子科技股份有限公司生产的FGSVG-C9.0/35T型高压动态无功补偿和谐波治理装置,配置在光伏发电现场,用于电网无功补偿和谐波治理,设备一次成功投运,达到了预期目的。
5 九州ju11netFGSVG-C9.0/35T高压动态无功补偿
5.1  FGSVG装置技术优势

FGSVG系列产品采用现代电力电子、自动化、微电子及网络通讯等技术,采用先进的瞬时无功功率理论和基于同步坐标变换的功率解耦算法,以设定的无功性质及大小、功率因数、电网电压为控制目标运行,动态的跟踪电网电能质量变化调节无功输出,并能实现曲线设定运行,提升电网质量。FGSVG系列产品是目前国内外最为先进的无功补偿装置,这种基于电压型PWM变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件,而是通过电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。易操作、高性能、高可靠性的FGSVG系列产品为满足用户对提高输配电电网的功率因数、治理谐波、补偿负序电流的迫切需求做出相应设计,具有以下特点:
●   模块化设计,安装、调试、设定简便。
●   动态响应速度快,响应时间≤5ms。
●   在补偿容量足够的前提下,输出电流谐波(THD)≤3%。
●   多种运行模式极大的满足用户需求,运行模式有:恒装置无功功率模式、恒考核点无功功率模式、恒考核点功率因数模式、恒考核点电压模式、负载补偿模式,目标值可实时更改。
●   实时跟踪负荷变化,动态连续平滑补偿无功功率,提高系统功率因数,实时治理谐波,补偿负序电流,提高电网供电质量。
●   抑制电压闪变,改善电压质量,稳定系统电压。
●   FGSVG电路参数精心设计,发热量小,效率高,运行成本低。
●   设备结构紧凑,占地面积小。
●   主电路采用IGBT组成的H桥功率单元链式串联结构,每相由多个相同功率单元组成,整机输出由PWM波形叠加而成的阶梯波,逼近正弦,经输出电抗滤波后正弦度良好。
●   自动调整载波频率,自适应环境和功率变化。
●小于0.2A的补偿精度。
●   FGSVG采用冗余性设计和模块化设计,满足系统高可靠性的需求。
●   功率电路模块化设计,维护简单,互换性好。
●   保护功能齐全,具有过压、欠压、过流、单元过热、不均压等保护,并能实现故障瞬间的波形录制,便于确定故障点,易维护,运行可靠性高。
●   人机界面设计采用windows系统的操作模式,功能菜单以及各种功能按键均按照电脑的操作习惯设计。界面友好显示,对外通讯提供了RS485等接口,采用标准Modbus通讯协议。除具有实时数字量及模拟量的显示、运行历史事件记录、历史曲线记录查询、单元状态监控、系统信息查询、历史故障查询等功能外,还具有送电后系统自检、一键开停机、分时控制、示波器(AD通道强制录波)、故障瞬间电压/电流波形记录等特色功能。
●   FGSVG设计包含与FC配合使用的接口,实现定补和动补的有效结合,为用户提供更经济,更灵活的补偿方案。具有4组FC接口控制功能,在控制上可以根据实际情况设置4组FC支路的投切顺序,并实时监测FC的故障状态,实现了SVG+FC系统的智能控制。
●   投切时无暂态冲击,无合闸涌流,无电弧重燃,无需放电即可再投。
●   采用美国TI和ALTERA公司的优质DSP芯片和FPGA芯片,实现了3核控制技术,其中3片DSP芯片分别处理对外通讯,主控计算,功率单元控制,三片FPGA配合DSP实现大量的数据处理和数据交换,基于这种构架的产品,整机响应速度达到了容性功率到感性功率突变时间只需要3.7ms。
●   与系统连接时,不需要考虑交流系统相序,连接方便。
●   可并联安装,极易扩展容量。并机运行使用光纤通讯,通讯速度快,能够完好的满足实时补偿的要求。整机扩容简单易行,特别是改造现场和未生产现场,若SVG投运后发现功率不能满足生产要求,可以随意扩容,不需要将设备完全拆除,只需要更换功率单元即可实现增容,另外在一个现场若有多台设备,可以十分方便的实现以太网组网,或通过高速光纤实现主从控制。

5.2系统结构

FGSVG系列产品的主电路采用链式拓扑结构,模块化的结构设计,采用星型连接,星型接法的结构示意图如图1所示。


 

图1 FGSVG电气结构示意图

控制柜与功率柜信号通过光纤进行隔离控制,实现了高低压的可靠隔离。FGSVG系列产品系统对结构上做出了极大的改进处理,使维护更方便。控制柜进行了严格的抗干扰处理,保障控制系统不受高压主回路的影响。功率单元的改善使得功率柜占地面积更小,极大节省了用户设备空间,减少了投资。

FGSVG系列产品主要分为三部分:控制柜、功率柜、电抗器柜。其中功率柜实现了统一设计,方便产品的扩展及稳定性。各电压等级的装置由控制柜、功率柜及电抗器柜(或空心电抗)组成。
5.2.1  控制柜

主回路部分由隔离开关QS1,断路器QF,缓冲电阻R及状态检测器件等多个部分组成,如图2所示。



图2 控制柜中主回路图

自主研发的主控箱系标准机箱,通过了GB/T17626系列国标要求的严格EMC(电磁兼容性)认证,又通过温度冲击及振动试验的处理,具有极高的可靠性。
主控箱中控制核心由高速32位数字信号处理器DSP、大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA协同运算来实现。精心设计的算法可以保证FGSVG达到最优的运行性能。控制器采用大规模集成电路和表面焊接技术,使系统具有极高的可靠性。采用国际知名品牌西门子PLC,增强了系统的灵活性。

人性化操作界面如图3所示,柜门上安放紧急停止按钮,方便用户在紧急情况下操作。选用知名品牌威纶通HMI,采用世界先进的仪器设备,运用标准化作业程序执行管制,与国际标准同步,保证了其金牌品质。
5.2.2  功率柜

功率柜主要由功率单元组成,构成了FGSVG无功补偿的主体。功率单元分三相安装,单元输出波形叠加成整机输出波形。每个功率单元都承受全部的输出电流、1/20的相电压、1/60的输出功率。单元模块工作时会产生部分热量,由柜顶或后柜门设计的风机强制散热。

直流电容精心选用知名品牌的薄膜电容,采用金属化聚丙烯薄膜(德国创始普PHD型耐高温聚丙烯基膜),为产品可靠性提供了有力保障。

每个功率单元均具有完善的保护功能(过流、过压、过温、驱动触发异常、通讯异常等),控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术,低压部分和高压部分完全可靠隔离,系统具有极高的安全性,同时具有很好的抗电磁干扰性能。

功率单元结构上完全一致,模块化的结构设计,使得功率单元可以任意互换,单元的外部接口只有两个或四个输出端子及两个光纤插口,这使得维护和检修更简单。每个单元通过IGBT逆变桥实现正弦PWM控制,可得到如图3所示的单元输出波形。


 
图3单元输出波形

单元链接后三相之间进行星型连接并通过电抗接入电网,通过对每个单元的PWM波形的叠加,可得到逼近正弦的阶梯PWM波形,如图4所示为星型连接的单相波形。


 
图4单元输出叠加后的波形图

FGSVG系列产品采用了先进的数字化标准载波移相技术,它的特点是单元输出的基波相叠加、谐波彼此相抵消,串联后又经过输出电抗器滤波,总输出波形正弦度好,dv/dt小,谐波成分含量小,可减少对电缆的绝缘损坏,在输出侧无需再增加输出滤波器。
5.2.3  电抗器柜

FGSVG系列产品通过电抗器L接入电网,电流波形正弦度更好。电抗器平波的同时,也抑制了SVG的谐波使其输出的电流谐波符合国家标准。电抗器柜的单独设计利于用户对空间的更高使用率,极大程度的缓解了空间对该设备的使用限制,一定程度上减少了用户对设备间的投资,节省了开支。
6长丰朱巷镇三里河水库40MWp光伏发电场SVG运行情况

本项目总装机容量为40MWp,共装设置630kW并网逆变器64台,并网逆变器交流输出电压为0.3kV和0.27kV,经升压变压器升压至35kV,后经汇集后送至中海洋110kV变电站35kV出线间隔。

电站为了能满足正常运行的需要采购九州ju11net电子科技股份有限公司生产的9MVar 动态无功补偿装置一台,型号FGSVG-C9.0T,经过升压10kV/35kV 升压变压器后挂接现场的35kV 电网。FGSVG现场图片(如图6所示):


图6  FGSVG现场图片

FGSVG 投运后运行正常,满足了光伏电站对于无功补偿装置的要求,也顺利经过了验收,该装置具有以下的运行特点:
(1)设计合理,安装简便。FGSVG 采用模块化结构,安装维护简单,现场配线少,调试简单,投产迅速。
(2) 操作简单易于观察
FGSVG 控制面板结构简洁,操作简单,标准通信功能可以实现与上位机系统的互联,状态显示全面,功能设置方便。
(3)功率因数稳定且可设置
光伏电站并网要求功率因数0.95~0.99 之间,实际不投入SVG 时并网功率因数大约为1,为了维持电力系统的稳定,SVG 发送部分感性无功使功率因数达到要求。长丰朱巷镇三里河水库40MWp光伏电站投入SVG 之后功率因数一直稳定在0.98~0.99 之间,既满足了尽量多发电的要求,又满足了电力系统对功率因数的要求。
(4)提高电网电能质量
SVG 对谐波具有滤除功能,现场投入SVG 之后电网接入点电流谐波含量维持2%以下,SVG 与普通的无功补偿装置相比具有极快的响应速度,FGSVG 响应速度小于5ms,对于电网电压的跌落和闪变具有一定抑制作用并网波形。
(5) 能耗情况
FGSVG 运行效率高达99.97%,耗电极少,减少了电站自身用电损耗。
7结束语

经过一年半来的运行表明,FGSVG无功补偿装置在长丰朱巷镇三里河水库40MWp光伏电站工作稳定可靠,自动化程度高,改善了电网质量,达到了预期效果。SVG是近年来发展起来的一种高效、优质的无功补偿措施,是电力电子技术及逆变技术在新能源领域中的新应用,在治理光伏发电场电网谐波、无功补偿及稳定电网安全运行方面,发挥着重要的作用。