光伏发电接入弱电网电能质量治理研究.pdf
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1、 第 18 卷第 2 期 2023 年 6 月 电 气 工 程 学 报 JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING Vol.18 No.2 Jun.2023 DOI:10.11985/2023.02.023 光伏发电接入弱电网电能质量治理研究 刘峪涵1 贺 鑫1 罗隆福2(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 长沙 410014;2.湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082)摘要:针对大规模光伏发电接入弱电网系统应具备的电能质量需求,研究一种具有平滑投切、低耗、阻基频的电能质量治理方案以适用于该特殊应用场景。以某具体工程项目为实例,阐述光伏发电接入弱电网时所
2、具备的高频谐波污染及无功充足特性。针对该场景下光伏发电并网的电能质量需求,设计了基频谐振、平滑投切的阻波高通滤波器拓扑结构。通过研究该阻波高通滤波器的阻频特性及谐振现象,揭示了对高次谐波优越的抑制性能及不改变无功潮流分布的原理,同时为使设备安全稳定运行给出了平滑投切控制及参数整定方法。最后,在 ETAP 软件中搭建仿真模型,并进行光伏电站为期一周的并网电能质量测试,证明了所提方法的合理性及有效性。关键词:光伏电站;高频谐波;电能质量;弱电网 中图分类号:TM72 Study on Power Quality Control of Photovoltaic Power Generation Co
3、nnected to Weak Power Grid LIU Yuhan1 HE Xin1 LUO Longfu2(1.Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited,Changsha 410014;2.School of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082)Abstract:In order to meet the power quality requirements of large-scale PV connected to
4、 weak power grid system,a power quality control scheme with smooth switching,low consumption and resistance fundamental frequency is introduced to be suitable for the special application scenario.Through a specific project as an example,the high-frequency harmonic pollution and sufficient reactive p
5、ower characteristics of photovoltaic power generation connected to the weak grid are explained.In order to meet the power quality requirements of photovoltaic grid-connected in this scenario,a special high-pass filter topology with fundamental resonance and smooth switching is designed.By deducing t
6、he frequency-resistance characteristic and resonance phenomenon of the high-pass filter,the superior suppression performance of the high-pass filter to high-order harmonics and the principle of not changing the reactive power flow distribution are revealed.At the same time,the smooth switching contr
7、ol and parameter setting method are given for the safe and stable operation of the equipment.Finally,the simulation model built in ETAP and the one-week grid-connected power quality test of the PV all prove the rationality and effectiveness of the proposed method.Key words:Photovoltaic power station
8、;high frequency harmonics;power quality;weak power grid 1 引言 随着全球对能源问题的持续关注,越来越多的国家政策、行业标准落脚在能源的可持续发展上,带动以风力、光伏为代表的新能源发电技术 20211201 收到初稿,20220512 收到修改稿 蓬勃发展,新能源发电在电力系统的比重也逐年稳步上升1-5。大规模光伏发电通常采用光伏逆变器作为发电阵列以进行交直流电能变换,而逆变器作为具有非线性特性的电力电子装置不可避免地因开关频率、死区时间等因素而向电网输送谐波分量6-10。对于逆变器产生的各次谐波比例,相关行业对逆变器生产厂商均提出了具体
9、的要 求11-12。在通常情况下,光伏电站的谐波治理一 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 230 般主要针对 5 次、7 次等低次谐波,往往配套相应的无源滤波器或者有源滤波器对光伏电站的谐波问题进行有效遏制13-16。针对光伏电站并网点的电压畸变的治理,文 献17着眼于光伏电站接入弱电网,采用双闭环控制实现直流侧电压稳定,有效抑制了弱电网下接入较大电网阻抗而导致的谐波环流。文献18针对弱电网容易受到扭曲、电压骤降和电压骤升影响等问题,提出了一种利用电网电压滤波以防止电网电压缺陷的太阳能光伏系统。文献19针对国内西藏地区的弱电网环境的特点,提出了三种提高西藏电网光伏并网系统承载能
10、力的措施。文献20提出了一种基于多谐振分量的并网逆变器电网电压加权前馈方案以抑制弱电网下注入电网的电流谐波,通过将准谐振分量引入电网电压全前馈路径,从而抑制前馈电网电压中的背景谐波。本文首先阐述了大规模光伏发电接入弱电网场景下的特性与需求,然后设计了适用于该场景下的电能质量治理方案,提出了具有阻基频、滤高频的阻波高通滤波器拓扑并进一步分析其阻抗特性,其次给出了平滑投退的控制及元件参数整定方法,最后,进行仿真模型模拟及实际工程应用并网运行测试,证明了所提电能质量治理方案的有效性。2 阻基频的电能质量治理方案 图 1 给出了本文研究的电能质量治理方案中所采取的阻波高通滤波器结构图。该特殊设计的阻波
11、高通滤波器计划安装于 22 kV 交流母线,其中 L 为滤波电感,C 为滤波电容,R1为限制基频电流大小的运行小电阻以降低滤波器的运行损耗,R2为主要起限制冲击电流的充电电阻,K1为滤波器的投退开关,K2为滤波器的模式切换开关。图 1 阻波高通滤波器结构图 2.1 基本原理 为不改变光伏电站的无功潮流,阻波高通滤波器应具有阻基频特性,即滤波电感 L 和滤波电容 C基频谐振 2000=1=2100LCf=(1)忽略缓冲充电开关 K2情况下,结合式(1),阻波高通滤波器有如下关系式 LC1122LC()()2()()()1 4Xf XffLZ fRRXfXff LC=+=+(2)0C0L2L02C
12、0CL=01=IIQULQCUQQ+(3)CL11=2100=2100nnnnXf Cn CXf Ln L=(4)式中,XL为滤波电感电抗,XC为滤波电容电抗,n表示频次,0为基频角频率,I0C为流过电容的基频电流,I0L为流过电感的基频电流。根据式(2),阻波高通滤波器的阻频特性如图2所示。分析可知,在基频50 Hz下,由于滤波电容C和滤波电感L并联谐振,阻波高通滤波器在基频下呈现高阻抗的开路特性,理论上没有基频电流通过,滤波电感L与滤波电容C的无功功率平衡,故不会改变光伏电站的无功功率潮流分布。并且随着谐波频次的递增,滤波电容的容抗逐步递减,阻波高通滤波器的谐波抑制效果逐步提高,能够有效地
13、对高次谐波(23次、25次等)进行抑制。图 2 阻频特性 2.2 运行谐振分析 为具体分析该阻波高通滤波器在光伏电站的稳定运行情况,需要进行光伏电站整体频率分析,图3给出了光伏电站的等效电路。其中,VS为并网点的电压,ZS为系统阻抗,ZT为主升压变压器的等值阻抗,kT为主升压变压器的等效变比,ZL为22 kV以下设备的等效阻抗,IS为光伏逆变器的总输出基频电流,If为光伏逆变器的总输出谐波电流,为简化分析其中22 kV以下设备用等效阻抗基波和谐波电流源等效处理。月 2023 年 6 月 刘峪涵等:光伏发电接入弱电网电能质量治理研究 231 图 3 光伏电站的等值电路 当投入滤波器时,60 kV
14、并网点的谐波电流为 FFTF1hs2TFSTF1230131ZRk ZIIk ZZZj LZRLC=+=+(5)而当滤波器不投入使用时,60 kV网侧的谐波电流为 F1hs=T1303ZIIk=(6)联合式(5)和式(6),可以得到滤波器对谐波电流的抑制率为 FFF21hTF21hTFST=ZRZIk ZIk ZZZ+(7)由式(7)可知,抑制率值为1时表示,滤波器的投入对于谐波电流并无改善作用,当抑制率值小于1时,表示滤波器能够对谐波电流进行抑制,且抑制率值越小表示抑制作用越好。反之,当抑制率值大于1时,表示滤波器的投入会对谐波电流进行谐振放大。图4给出了光伏电站的滤除率频谱关系,可知光伏电
15、站在阻波高通滤波器投入后,在100 Hz附近的谐波放大现象,即滤波器与系统阻抗发生谐振。同时随着系统阻抗的差异,波峰的频率也有一定的区别。考察光伏逆变器的运行产出谐波电流情况,100 Hz的谐波含量普遍较低,所以阻波高通滤波器投入所造成的低次谐波放大现象在可接受范围内,也不会加剧并网点谐波电压总畸变率增大及超标。图 4 谐振特性 2.3 平滑投切控制 为避免该阻波高通滤波器投切时其中的滤波电感L、滤波电容C由于电气量U、电流I突变产生过电流、过电压,影响设备稳定运行,为此需要对阻波高通滤波器投切进行平滑投切的合理控制,开关K1、K2进行合理控制,如图5所示,虚线代表基频电流,镂空线代表谐波电流
16、。图 5 投切状态(1)如图1所示,阻波高通滤波器的初始退出状态为K1打开和K2打开。当阻波高通滤波器需要投入使用时,如图5a所示,开关K1闭合,工频电流被阻隔,此时滤波电容C的电压无法突变,将导致充电电流激增产生过电流。由于充电电阻R2接入支路,呈现出高阻抗特性,限制滤波电容C的充电电流,限制支路电流。(2)对滤波电容C充电完毕后,闭合开关K2,充电电阻R2被短接,如图5b所示。此时阻波高通滤波器开始正常进行谐波抑制工作,系统谐波电流经开关K2所在支路进行抑制。(3)当需要切除阻波高通滤波器时,依次打开开关K2、K1。2.4 参数整定计算 可知,阻波高通滤波器的电容电感无基波分量,其初始电容
17、值C0的选取只需要考虑要滤除的谐波分量,其具体表达式为 60h-0=21.5%=niiVTHDICi (8)式中,VTHD60表示60 kV母线的电压畸变率,Ih-i表示第i次的谐波电流,i表示谐波频率次数。进一步计算初始滤波电容C0的额定电压UC的参数选取表达式为 2h-=1C000=2niiIUCf C (9)电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 232 然后确定初始滤波电容的安装容量SC,安装容量SC进行取整选取的表达式为 2C00C=2Sf C U (10)根据取整后的安装容量SC进行滤波电容值C和滤波电感L的实际参数计算 C20C220=214SCf ULf C=(11)
18、选取合适的截止频率f1,电阻R1可表示为 11011=2Rf Cn f C=(12)充电电阻R2旨在限制合闸瞬间的冲击电流,R2的取值使冲击电流小于其最大允许值Imax即可 2221max=URRI (13)Imax的选取原则为,阻波高通滤波器L和C都发生5%的参数偏移及系统频率出现2%扰动时的最大电流。3 光伏发电站接入弱电网 本文以建于非洲摩洛哥的某40 MW光伏电站项目为例进行介绍与详细分析,图6给出了该光伏电站的电气结构图,其中具体建设参数如表1所示。该光伏发电项目配套建设1座22/60 kV升压站,配置2台40 MVA的有载调压升压变压器,其中1台作为冷备用。升压站60 kV侧接线采
19、用单母线接线方式,以1回或2回60 kV架空线路接入摩洛哥当地电网。发电部分由17个光伏子阵构成,每个方阵有 图 6 光伏电站电气结构图 1台交流侧额定电压为385 V、容量为2 200 kVA的逆变器,经箱变升压并汇集后接于单母线分段接线方式的22 kV母线。表 1 光伏电站参数 光伏器件 参数 数值 主升压变压器 容量/(MVA)40 联结方式 YN/d11 变比 63101.5%/22 kV 短路阻抗 10%箱式升压变压器 容量/(MVA)2.2 联结方式 D/yn11 变比 2222.5%/0.4 kV 短路阻抗 6.5%光伏逆变器 容量/(MVA)2.2 交流侧电压/V 385 60
20、 kV 电网 短路容量/MW 45 X/R 比 10 22 kV 线缆 电阻/(/km)0.129 电容/(/km)0.257 电抗/(/km)0.109 绝缘 AL/XLPE 根据电力设计院出具的该光伏电站电能质量评估报告(表2),在光伏电站满负荷运行下,升压站并网点60 kV母线的谐波电压畸变严重,无法满足光伏电站并网的国际标准。同时无功潮流符合国际标准并不需要进行额外无功功率补偿。其中,致使谐波电压畸变严重的谐波电流以23次、25次的高频谐波为主,该频次与光伏逆变器开关频率相吻合。并且光伏逆变器的谐波电流产出与升压站并网点的谐波电流大小均符合国际标准。分析可知,导致升压站并网点电能质量问
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