基于光伏電站的諧波補(bǔ)償及諧振抑制技術(shù)

一、大型光伏荒漠電站的發(fā)展概述 　　從2014年國(guó)家公布的計(jì)劃安裝量數(shù)據(jù)來(lái)看，這種爆炸式增長(zhǎng)的趨勢(shì)絲毫未減。目前，經(jīng)過(guò)調(diào)整最終確定的安裝量為14吉瓦（地面光伏電站6吉瓦、分布式光伏電站8吉瓦）。這幾乎相當(dāng)于過(guò)去所有年份國(guó)內(nèi)光伏電站安裝量的總和。 圖1. 國(guó)內(nèi)光伏裝機(jī)容量示意圖 圖2. 荒漠電站的系統(tǒng)拓?fù)? 　　荒漠電站的發(fā)展趨勢(shì)朝著單個(gè)電站容量越來(lái)越大，接入的電壓等級(jí)越來(lái)越高的方向發(fā)展。 　　二、大型光伏荒漠電站的電能質(zhì)量問題 　　1、諧波是如何產(chǎn)生的？ 　　光伏電站諧波的產(chǎn)生主要由逆變器、直流母線波動(dòng)、變壓器鐵芯飽和非線性及電網(wǎng)的畸變導(dǎo)致。 　　逆變器產(chǎn)生的諧波主要由兩部分構(gòu)成：一部分由死區(qū)時(shí)間引起，包括3、5、7、9等低次諧波；另一部分由調(diào)制過(guò)程產(chǎn)生，成組的分布于開關(guān)頻率整數(shù)倍附近。直流母線擾動(dòng)也是產(chǎn)生諧波的一個(gè)源頭，直流母線電壓有一個(gè)暫態(tài)調(diào)整過(guò)程，對(duì)其電流波形的影響，只能通過(guò)改進(jìn)MPPT方法盡可能減弱，但不可消除。隔離變壓器的鐵心飽和非線性特性也會(huì)導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生，同時(shí)，電網(wǎng)畸變嚴(yán)重時(shí)，若逆變器發(fā)出理想的正弦電壓，電抗上會(huì)產(chǎn)生諧波電壓差，導(dǎo)致并網(wǎng)電流中含有對(duì)應(yīng)的諧波分量。 圖3.低光照下逆變器輸出電流實(shí)測(cè) 　　大容量光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，低功率、弱電網(wǎng)連接時(shí)將產(chǎn)生大量電流電壓諧波。大型荒漠電站由多臺(tái)逆變器組成，通過(guò)一個(gè)接入點(diǎn)并入電網(wǎng)，逆變器間將會(huì)相互影響，相互作用，必將存在各次諧波的互相疊加問題。 　　弱光情況下逆變器負(fù)載率通常在10％以下，并網(wǎng)電流THD通常大于5%，超大型光伏電站容量可能達(dá)到百兆瓦級(jí)，即使10%的負(fù)載率，輸出容量也達(dá)到10MW，這時(shí)，光伏電站將成為一個(gè)巨大的諧波源，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 圖4.實(shí)測(cè)光伏電站的諧波曲線 　　2、諧振是如何產(chǎn)生的？ 　　大型并網(wǎng)光伏電站輸出諧波電流具有寬頻域及高頻次等特性，通過(guò)長(zhǎng)距離輸電電纜接入電網(wǎng)，因此，輸電線路分布電容的影響不可忽略。 當(dāng)諧波電流與電網(wǎng)輸電線路參數(shù)匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，造成諧波電流放大，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的諧波含量。背景諧波電壓與輸電線路參數(shù)匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)諧振造成嚴(yán)重的諧波電壓放大。 圖5.架空線的串聯(lián)諧振分析 　　200-300km的輸電線路易于對(duì)3次諧波電壓產(chǎn)生諧振，諧振點(diǎn)處約有5倍的放大。100-200km輸電線易于對(duì)5、7次產(chǎn)生諧振，在諧振點(diǎn)處有接近10倍的放大，對(duì)其它次數(shù)的諧波電壓無(wú)放大。100km內(nèi)的輸電線路對(duì)11、13以及更高次的諧波電壓可能產(chǎn)生諧振，放大系數(shù)可能超過(guò)20。由于背景諧波電壓多為3、5、7等低次，需要關(guān)注100km以上輸電線路的影響，諧振將導(dǎo)致輸電線路諧波電壓過(guò)高，嚴(yán)重影響光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行。 　　所以，大型光伏荒漠電站所配套的無(wú)功補(bǔ)償裝置，提出了有諧波補(bǔ)償和諧振抑制的需求。 　　三、特變電工靜止無(wú)功發(fā)生器的諧波補(bǔ)償及諧振抑制技術(shù) 圖6.光伏專用戶外集裝箱 　　特變電工靜止無(wú)功發(fā)生器，通過(guò)外部CT測(cè)量負(fù)載電流或電網(wǎng)電流送到信號(hào)板進(jìn)行處理，采用高性能FPGA的諧波檢測(cè)算法，快速、準(zhǔn)確完成負(fù)荷諧波電流的計(jì)算。通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的基波電流和諧波電流獨(dú)立控制，形成諧波電流補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制回路，并產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)到功率器件實(shí)現(xiàn)調(diào)制，可對(duì)指定次諧波進(jìn)行有針對(duì)性的補(bǔ)償，將所需的補(bǔ)償電流輸出到電網(wǎng)，完成諧波濾除的功能，實(shí)現(xiàn)了25次及以下諧波補(bǔ)償能力。同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)的負(fù)載諧波電流及并網(wǎng)點(diǎn)的諧波電壓，調(diào)節(jié)虛擬諧波阻抗進(jìn)行控制，有效抑制諧振。 圖7.特變電工靜止無(wú)功發(fā)生器投運(yùn)前35KV實(shí)測(cè)二次側(cè)電流(電流變比800:5) 圖8.特變電工靜止無(wú)功發(fā)生器投運(yùn)后35KV實(shí)測(cè)二次側(cè)電流(電流變比800:5) 　　通過(guò)投運(yùn)特變電工靜止無(wú)功發(fā)生器，利用其諧波補(bǔ)償及諧振抑制技術(shù)，有效改善了大型荒漠光伏電站的電能質(zhì)量，提高了光伏電站和輸電網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。