基于光伏电站的谐波补偿及谐振抑制技术

一、大型光伏荒漠电站的发展概述 　　从2014年国家公布的计划安装量数据来看，这种爆炸式增长的趋势丝毫未减。目前，经过调整最终确定的安装量为14吉瓦（地面光伏电站6吉瓦、分布式光伏电站8吉瓦）。这几乎相当于过去所有年份国内光伏电站安装量的总和。 图1. 国内光伏装机容量示意图 图2. 荒漠电站的系统拓扑 　　荒漠电站的发展趋势朝着单个电站容量越来越大，接入的电压等级越来越高的方向发展。 　　二、大型光伏荒漠电站的电能质量问题 　　1、谐波是如何产生的？ 　　光伏电站谐波的产生主要由逆变器、直流母线波动、变压器铁芯饱和非线性及电网的畸变导致。 　　逆变器产生的谐波主要由两部分构成：一部分由死区时间引起，包括3、5、7、9等低次谐波；另一部分由调制过程产生，成组的分布于开关频率整数倍附近。直流母线扰动也是产生谐波的一个源头，直流母线电压有一个暂态调整过程，对其电流波形的影响，只能通过改进MPPT方法尽可能减弱，但不可消除。隔离变压器的铁心饱和非线性特性也会导致谐波的产生，同时，电网畸变严重时，若逆变器发出理想的正弦电压，电抗上会产生谐波电压差，导致并网电流中含有对应的谐波分量。 图3.低光照下逆变器输出电流实测 　　大容量光伏并网系统，低功率、弱电网连接时将产生大量电流电压谐波。大型荒漠电站由多台逆变器组成，通过一个接入点并入电网，逆变器间将会相互影响，相互作用，必将存在各次谐波的互相叠加问题。 　　弱光情况下逆变器负载率通常在10％以下，并网电流THD通常大于5%，超大型光伏电站容量可能达到百兆瓦级，即使10%的负载率，输出容量也达到10MW，这时，光伏电站将成为一个巨大的谐波源，严重威胁到电网的稳定运行。 图4.实测光伏电站的谐波曲线 　　2、谐振是如何产生的？ 　　大型并网光伏电站输出谐波电流具有宽频域及高频次等特性，通过长距离输电电缆接入电网，因此，输电线路分布电容的影响不可忽略。 当谐波电流与电网输电线路参数匹配时，会产生并联谐振，造成谐波电流放大，进一步提升系统的谐波含量。背景谐波电压与输电线路参数匹配时会产生串联谐振造成严重的谐波电压放大。 图5.架空线的串联谐振分析 　　200-300km的输电线路易于对3次谐波电压产生谐振，谐振点处约有5倍的放大。100-200km输电线易于对5、7次产生谐振，在谐振点处有接近10倍的放大，对其它次数的谐波电压无放大。100km内的输电线路对11、13以及更高次的谐波电压可能产生谐振，放大系数可能超过20。由于背景谐波电压多为3、5、7等低次，需要关注100km以上输电线路的影响，谐振将导致输电线路谐波电压过高，严重影响光伏电站的稳定运行。 　　所以，大型光伏荒漠电站所配套的无功补偿装置，提出了有谐波补偿和谐振抑制的需求。 　　三、特变电工静止无功发生器的谐波补偿及谐振抑制技术 图6.光伏专用户外集装箱 　　特变电工静止无功发生器，通过外部CT测量负载电流或电网电流送到信号板进行处理，采用高性能FPGA的谐波检测算法，快速、准确完成负荷谐波电流的计算。通过对旋转坐标系下的基波电流和谐波电流独立控制，形成谐波电流补偿的闭环控制回路，并产生PWM驱动信号到功率器件实现调制，可对指定次谐波进行有针对性的补偿，将所需的补偿电流输出到电网，完成谐波滤除的功能，实现了25次及以下谐波补偿能力。同时，通过实时检测的负载谐波电流及并网点的谐波电压，调节虚拟谐波阻抗进行控制，有效抑制谐振。 图7.特变电工静止无功发生器投运前35KV实测二次侧电流(电流变比800:5) 图8.特变电工静止无功发生器投运后35KV实测二次侧电流(电流变比800:5) 　　通过投运特变电工静止无功发生器，利用其谐波补偿及谐振抑制技术，有效改善了大型荒漠光伏电站的电能质量，提高了光伏电站和输电网络的系统稳定性。