引言
《可再生能源法》正式頒布實(shí)施，標(biāo)志著我國針對新能源和可再生能源領(lǐng)域的可持續(xù)能源戰(zhàn)略的開發(fā)利用已全面展開，其中太陽能、風(fēng)能作為新能源的主要種類越發(fā)得到重視和開發(fā)利用。據(jù)HIS太陽能研究團(tuán)隊(duì)預(yù)測，2015年中國分布式光伏（DPV）安裝容量達(dá)4.7吉瓦，較2014年增長約20%。隨著大規(guī)模分布式光伏系統(tǒng)的接入，光伏系統(tǒng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響越來越大。例如天氣以及光照強(qiáng)度的不確定性而引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波動；電網(wǎng)發(fā)生故障時，光伏機(jī)組可能會因?yàn)殡妷旱溥^低而脫網(wǎng)，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。
為了提高光伏系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，分布式光伏在進(jìn)行項(xiàng)目組建時需要加裝無功補(bǔ)償裝置，對系統(tǒng)中并網(wǎng)點(diǎn)的電壓進(jìn)行控制。靜止無功發(fā)生裝置（SVG）本著響應(yīng)時間快、補(bǔ)償精度高、調(diào)節(jié)范圍寬、損耗小等優(yōu)點(diǎn)越來越多在光伏系統(tǒng)中得到應(yīng)用。本文對SVG在光伏系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并模擬了系統(tǒng)電壓跌落等故障，實(shí)測了故障后SVG對穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的效果，分別對響應(yīng)時間和電網(wǎng)電壓波動進(jìn)行了測試。通過測試結(jié)果驗(yàn)證了SVG能夠在系統(tǒng)故障時提供較快的電壓支撐，提高整個系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
光伏行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與存在問題
光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)所產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題主要包括諧波、電壓波動、閃變等，其容易影響有功及無功潮流、頻率控制等特性。由于受光照角度、環(huán)境溫度、光伏板安裝位置、云量等因素影響，光伏電站的輸出功率會有所變化，最大變化率甚至超過額定量的10%，因此產(chǎn)生了發(fā)電量的不穩(wěn)定問題，對饋入電網(wǎng)的諧波產(chǎn)生影響。光伏系統(tǒng)輸出有功功率變化曲線如圖1所示。
光伏電站的并網(wǎng)需要應(yīng)用到逆變器，該產(chǎn)品的控制技術(shù)與光伏發(fā)電并入電網(wǎng)的品質(zhì)也密切相關(guān)。逆變器輸出在輕載時，諧波會明顯變大，在10%額定出力以下時，電流的總諧波畸變率會達(dá)到20%以上。光伏發(fā)電系統(tǒng)諧波電流THD如圖2所示。
光伏發(fā)電功率隨日照強(qiáng)度變化對電網(wǎng)負(fù)荷特性產(chǎn)生影響，它的接入改變了電網(wǎng)潮流方向，將對現(xiàn)有電網(wǎng)的規(guī)劃、調(diào)度運(yùn)行方式產(chǎn)生應(yīng)用。大量光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入電網(wǎng)終端，將加劇電壓波動，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定性運(yùn)行。
光伏行業(yè)電能質(zhì)量問題的解決案例
面對光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波、電壓波動、閃變、低電壓穿越等電能質(zhì)量問題，SVG以動態(tài)響應(yīng)時間快、無功連續(xù)可調(diào)以及無功調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前光伏項(xiàng)目現(xiàn)場在選擇SVG時可以由35kV直掛式和由降壓變與10kV串聯(lián)連接與35kV母線側(cè)。
根據(jù)控制策略的不同，SVG的運(yùn)行方式可以分為恒電流，恒電壓，負(fù)荷跟蹤，恒功率因數(shù)等。在恒電流運(yùn)行方式下，SVG根據(jù)設(shè)定的電流大小來保持并網(wǎng)點(diǎn)無功功率的恒定；在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行方式下，SVG通過實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)側(cè)或者負(fù)載側(cè)的無功電流，通過閉環(huán)控制來實(shí)時補(bǔ)償，可以根據(jù)功率因數(shù)的設(shè)定值來將功率因數(shù)控制在設(shè)定范圍內(nèi)；恒電壓的運(yùn)行方式為SVG跟蹤目標(biāo)電壓，對采集的電壓與目標(biāo)電壓進(jìn)行PI控制，保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓的恒定。
光伏系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖SVG光伏現(xiàn)場連接示意圖如圖3所示。
電壓支撐理論分析
設(shè)SVG的無功補(bǔ)償容量為Q，帶負(fù)載未連接補(bǔ)償器時連接點(diǎn)的正常工作電壓為U0，系統(tǒng)短路容量為Ssc，系統(tǒng)阻抗為XS。得系統(tǒng)阻抗：
案例概述
依據(jù)傳統(tǒng)無功補(bǔ)償容量的算法，一般光伏電站需配置的無功補(bǔ)償容量約為光伏系統(tǒng)發(fā)電容量的10%左右。針對新疆庫爾勒尉犁縣某20Mvar光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出了35kV直掛式SVG和經(jīng)由降壓變與10kVSVG結(jié)合兩種方案給項(xiàng)目部選擇，最終選用后種方案。產(chǎn)品中部分元件參數(shù)：SVG降壓變壓器S11-2000/35/10，變壓器短路阻抗10%，裝置為±2Mvar，系統(tǒng)最小短路容量64MVA。
根據(jù)方案中的數(shù)據(jù)分析出，系統(tǒng)阻抗為19.2Ω；SVG能補(bǔ)償?shù)碾妷褐?31V。
數(shù)據(jù)分析
手動檢測電壓支撐情況，SVG未投入運(yùn)行時，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏高，達(dá)到37.01kV。將SVG設(shè)定在恒電流運(yùn)行模式，通過手動輸入感性電流由-10A～-115A額定，觀察SVG投入后的并網(wǎng)點(diǎn)電壓波形。SVG運(yùn)行-115A時，并網(wǎng)點(diǎn)電壓為36.37kV,與未投入時電壓相比降低0.64kV，和理論分析的數(shù)據(jù)（0.63kV）一致。如圖4所示。
根據(jù)手動運(yùn)行的情況，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的母線電壓的情況以及參考裂解保護(hù)值設(shè)定，將SVG設(shè)定在恒電壓運(yùn)行模式，并網(wǎng)點(diǎn)目標(biāo)控制電壓為36.4kV（客戶可以并網(wǎng)點(diǎn)電壓修改目標(biāo)控制電壓值），運(yùn)行SVG，觀察SVG運(yùn)行數(shù)據(jù)及并網(wǎng)點(diǎn)電壓，如圖5所示。
響應(yīng)時間測試波形
裝置動態(tài)無功響應(yīng)時間主要是并網(wǎng)點(diǎn)電壓異常升高或者降低，無功裝置通過目標(biāo)電壓值與采樣電壓值換算后輸出的無功電流值90%所需要的時間。裝置在做測試時可以通過手動設(shè)定目標(biāo)電壓值或者在電壓采樣回路中串入電阻來模擬電壓跌落進(jìn)行響應(yīng)時間的測試。圖6為產(chǎn)品現(xiàn)場電壓支撐時的響應(yīng)時間測試，約為22.19ms，滿足光伏發(fā)電站對無功補(bǔ)償裝置30ms的要求。
諧波電流測量
將電能質(zhì)量分析儀掛在系統(tǒng)測量回路側(cè)，采集SVG投入、切除時系統(tǒng)電流數(shù)據(jù)，將采樣的數(shù)據(jù)綜合分析比對，可以看出SVG在諧波上面有良好的補(bǔ)償效果。SVG諧波補(bǔ)償數(shù)據(jù)分析如表1所示。
結(jié)論
本文主要介紹了光伏發(fā)電行業(yè)電能質(zhì)量現(xiàn)狀及存在的問題，針對光伏電能問題提出可行性解決方案。從應(yīng)用案例中可以看出，通過恒電流模式手動給定無功電流，SVG在光伏電網(wǎng)中能起到一定的電壓支撐作用。在恒電壓模式下，通過PID控制算法使SVG輸出控制目標(biāo)電壓值,并在試驗(yàn)過程中采用電量記錄儀和電能質(zhì)量分析儀對響應(yīng)時間、系統(tǒng)電流進(jìn)行了測試。試驗(yàn)結(jié)果可見，SVG具有動態(tài)響應(yīng)快，無功輸出可調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，并能對系統(tǒng)中的諧波有很好的抑制，從而能提高整個光伏系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
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