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地面光伏电站无功功率补偿装置

随着太阳能作为主要的清洁能源,被广泛应用于光伏电站中。但由于光伏发电系统的输出功率会受到天气和温度等因素影响,且这种影响具有随机性,会导致并网点输出的有功功率出现变动,这时就需要对系统的无功输出进行调节,从而实现对并网点的电压进行稳定。

在电网运行过程中,随着时间变化的功率不仅会对电网的稳定性造成影响,还会对电能的质量造成影响,而随着新能源发电应用的增多,其对电能和电网的影响会越来越大。

因此,应结合发电站的实际情况,合理配置无功功率补偿装置,为发电站各个系统的安全、稳定运行提供可靠保障和为电力系统提供电力支撑。

无功潮流方向

地面电站对无功功率主要影响设备为站内升压变压器、升压线路和汇集站线路。白天地面电站主要无功功率影响是站内升压变压器和线路造成的无功损耗,此时光伏电站从电网吸收无功功率;夜间主要无功功率影响是升压变压器空载运行的励磁无功及线路上的容性无功,容性状态下无功功率返送电网。

现有SVG补偿方案介绍

就目前情况而言,大多数光伏电站采用安装SVG无功补偿装置方案,由于SVG这种无功补偿调节装置对电压控制能力平滑、响应时间短,即使在欠电压的情况下,补偿能力也很强,能很好的改善光伏电站的性能,保障电能的质量,有效提高电网稳定性。

地面光伏电站无功功率补偿装置

1. SVG原理

SVG型无功补偿装置是一种采用IGBT全控型有源型无功发生器,不再采用大容量电容器和电抗器,而是通过电力电子器件开关功能实现无功能量的转换,能动态发出和吸收无功功率,SVG功率模块是由多个IGBT元器件与电容器串并联而成的桥式电路,通过电抗器并联在电网上。电抗器能有效的抑制SVG开关电路产生的谐波,使SVG输出的无功功率无阶跃波动更加平滑,防止电流冲击发生故障。SVG原理示意图如下所示:

地面光伏电站无功功率补偿装置

2. SVG的设备构成和优势

2.1 主要设备构成

SVG设备主要由连接电抗器(连接变压器)、启动装置、IGBT换流阀组和控制系统等部分构成。

● 连接电抗器:实现电气隔离,增加系统可靠性,抑制电流突变

● 启动装置:缓冲启动电路,减小并网冲击

● IGBT换流阀组:核心部件,实现功率实时变换

● 控制系统:实时采集电流电压信号,计算分析无功功率与电能质量

地面光伏电站无功功率补偿装置

2.2 SVG优点

SVG已广泛应用于发输配电的各个环节,如新能源发电、电力系统、电气化铁道、城市轨道交通、机场、港口、冶金、化工等多个行业,相比于传统的补偿装置有以下优点:

● 响应速度快,SVG能有效的抑制电压波动闪变

● 低电压特性好,输出电流不受母线电压影响,能有效支撑母线电压

● 补偿性能好,无功功率双向可调,能快速调节无功输出,保证考核点功率因数达标

● 运行损耗小,由传统补偿装置相比,电力电子器件运行效率高,损耗小

● 谐波特性好,输出电压、电流谐波畸变率小

逆变器代替SVG的可行性

逆变器一端连接着光伏系统,一端连接着电网,作为光伏电站和电网的桥梁,对提高光伏电力的电网友好性,起着关键作用。根据光伏电站设计通常需要配置光伏电站并网容量的20%--30%的SVG 动态无功补偿装置用于并网点处功率因数的动态补偿调节。

目前并网型光伏逆变器有者大范围的功率因数调节和瞬时响应能力,因此针对逆变器代替SVG补偿装置的可行性做如下分析。

1. 补偿容量对比

根据光伏电站设计无功补偿配置要求,例10MW光伏电站,需配置无功补偿装置容量为2Mvar--3Mvar,则10MW光伏电站需配置光伏逆变器(HT225kW)约45台,单台逆变器的无功补偿量为±148.5kVar,逆变器总补偿无功量为6682.5kVar。逆变器的无功补偿量更大,调节裕量充足,从无功补偿容量方面可以替代SVG作用;逆变器具有的SVG功能,从响应时间也同样满足电网对电压动态响应的要求。

2. 运行可靠性分析

目前光伏电站使用的SVG是集中式调节补偿装置,通常SVG以10KV或35KV的电压等级接入,需要完备的保护装置及可靠的监控系统,若设备出现故障或检修时则SVG需退出运行,导致光伏电站无法调节无功补偿。

相比于SVG动态无功补偿设备,逆变器运行更可靠,即便单台或多台设备存在故障也不影响其他光伏阵列逆变器的补偿。对于光伏电站受环境因素影响的功率波动,逆变器分散补偿更加精准。

地面光伏电站无功功率补偿装置

3. 运行能耗分析

首先大型地面电站的SVG由电抗器或变压器与电网连接,夜间光伏无出力时,SVG设备自身的空载损耗和光伏系统线路、升压变压器等设备的无功损耗可视为固定值,在夜间待机时SVG的能耗大于逆变器。

其次由于SVG由多个IGBT功率模块串联而成,设备发热量大,且IGBT功率模块对周边环境湿度、温度、粉尘、腐蚀性等要求比较高,需配置相应的大功率冷却除湿装置(工业空调或水冷),因此对于能耗的经济性方面逆变器存在一定的优势。

地面光伏电站无功功率补偿装置

4. 设备安装对比

SVG动态无功补偿设备安装占地面积大且需要在开关站内留有开关出线柜,提高了相应的建设投资成本和运维成本。对比机SVG设备,逆变器有安装方便、占地面积小,故障率低且便于运维的优势。

地面光伏电站无功功率补偿装置

5. 成本对比

SVG无功补偿装置一般为1.1倍长期运行的过载能力,1.1倍过载能力对光伏系统直流侧、升压设备、电缆等成本节省优势小。对比逆变器(HT225kW)有1.6倍以上超配能力,对于逆变器设备采购成本、交直流电缆成本节省优势明显。

结 论

目前已有地面光伏电站与逆变器厂家进行相应的逆变器代替SVG试验,且试验结果满足电网对无功补偿的考核要求。试验中将原本配置的 SVG 装置退出电网,全部的无功指令由光伏逆变器执行。测试结果显示逆变器对于无功控制能力、无功控制精度以及电网电压控制精度等方面,都符合国标要求。

所以并网逆变器无功补偿能力跟 SVG 集中无功补偿装置相比较具有一定的优越性,通过采取并网逆变器对 SVG 集中无功补偿装置替代,就能减少对于 SVG 设备采购的投资支出,同时节约设备运维成本,以及减少光伏升压站内占地面积。因此逆变器代替SVG动态无功补偿装置有十分显著的优势。

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