光伏发电接入配电网电能质量解决方案

1、光伏发电接入配电网电能质量解决方案Power Quality Solution of PV Access to Distribution Network1刖言In troduct ionHarmo nic Wave and Reactive Character of Impleme nting PV System 分布式光伏 发电系统谐波与无功特性3分布式光伏电站无功补偿解决方案4567光伏发电接入配电网无功补偿解决方案Reactive Compe nsation Solution of PVAccess to Distribution Network光伏发电接入配电网无功补偿解决方案Reac

2、tiveCompe nsation Solution of PV Access to Distribution Network 光伏发电接入配电网谐 波滤波解决方案 Harmonic and Filtering Solution of PV Access to Distribution Network 结束语Con clusi on亚太经合组织（APEC）第一届能源部长会议2014年月2日在北京召开。会 议强调，清洁能源供应将继续成为推动可持续发展、确保能源安全、应对气候变化 的工作重点，承诺到2030年APEC地区可再生能源及其发电量在地区能源结构中 的比重比2010年翻一番。中国国家发展和

3、改革委员会副主任、国家能源局局长吴新雄在会后新闻发布会 上介绍，目前，中国核电总装机达 1794万千瓦，在建机组28台，装机3061万千 瓦，在建规模居世界第一；风电并网容量累计达到8123万千瓦，名列前茅；光伏发电增长强劲，装机容量达到 2242万千瓦。据2014年07月29日合肥日报报道：合肥市分布式光伏发电项目正在为光伏发电应用快跑”提供不竭电力。在壮大光伏产业规模同时，我市加快了分布式光伏发电项目建设步伐。目前， 我市光伏电站的建设领域已经涵盖了工业厂房、商业建筑、学校院所、大型场馆、 设施农业、鱼塘及城乡居民家庭的屋顶等，已经建成光伏电站144.08兆瓦，在建65.6兆瓦。对配电网功

4、率潮流的影响分布式光伏发电对配电网电能质量的影响对配电网电压波动与闪变的影响对配电网谐波电压的影响变流器产生直流分量注入电网配电网电能质量对分布式光伏发电的影响配电网高次谐波造成逆变器孤岛保护误动作配电网电压偏差影响光伏逆变器的发电效率配电网高次谐波造成逆变器入口滤波器的串并联谐振配电网靠近基波的间谐波引起逆变器控制的稳定性现代配电网的结构和负荷构成正在发生着深刻变化，电力电子技术的广泛应用，以及电气设备的敏感性不断增强，造成配电网诸多问题的复杂化。波动性与间 歇性分布式光伏发电接入配电网，配电网的功率潮流和网络阻抗复杂化加剧，使电 能质量问题突显，并且控制难度大。光伏发电接入配电网电能质量解

5、决方案具有鲜明的个性化，需求根据实际情况 定制系统解决方案。2.1光伏逆变器谐波与功率特性检验数据PV Inv erter Test Data of Power characteristics and Harmo nic（1）500kW光伏逆变器谐波发射特性检验数据500kW PV In verter Test Data ofHarm on ic Emissi on Characteristic注：此数据来自北京鉴衡认证中心出具检验报告2.1光伏逆变器谐波与功率特性检验数据PV Inv erter Test Data of Harmo nic and Power character(2) 50

6、0kW光伏逆变器功率特性检验报告500kW PV In verter Test Report of Power Character注：此数据来自北京鉴衡认证中心出具检验报告2.3光伏发电系统无功发生特性理论分析Theoretical An alysis on Reactive Power Characteristics of PV System光伏并网发电系统无功发生特性计算等值电路Equivale nt Circuit of Reactive Power Characteristics of PV System3.1国标对光伏发电系统无功补偿的要求Nati onal Sta ndard of

7、 PV System Reactive Compe nsatio nGB/T 29321-2012光伏发电站无功补偿技术规范 通常在光伏发电站配置无功补 偿装置，并综合考虑光伏发电站各种出力水平和接入系统后各种运行工况下的暂 态、动态过程，配置足够的动态无功补偿容量，用于改善电网的电能质量，保证光 伏电站的稳定运行。三、分布式光伏电站无功补偿解决方案Reactive Compe nsati on Soluti on of Impleme nti ng PV System3.2光伏发电系统无功补偿技术方案Technical Solution of PV System Reactive Compe

8、nsatio早期 FC+MCR早期普遍采用FC+MCR进行光伏电站无功补偿，其成本较低，设备运行可靠性高，运行维护简单。但装置整体损耗较大，且响应时间较慢。中期升压式SVG中期采用升压式SVG进行光伏电站无功补偿， SVG响应时间快，设备稳定性较高。但相对 MCR成本高，且在大补偿容量时该方 法不适用。目前直挂式SVG目前要求采用35kV、10kV直挂式SVG进行光伏电站 无功补偿。直挂式SVG容量通常较大，但是由于功率器件串联级数较多，其稳定 性相对较低。3.3 我司成功的应用案例 Application Case of Our Company某光伏电站项目10kV动态补偿（FC+MCR）某

9、10MWp光伏电站包括10个容量1MWp的光伏方阵，每个方阵的逆变器采 用电缆接线方式就地经过箱式变压器升压至 10kV，再经过10kV电缆汇集到集控 楼10kV配电室10kV母线，后经一条10kV线路送至供电局110kV变电站。电力公司要求该光伏电站设置无功补偿装置，工程设计要求容量2.4Mvar，最终我司提供了一套FC+MCR无功补偿装置，FC采用采用串联6%电抗率。3.3 我司成功的应用案例（Application Case of Our Company某光伏电站MCR型SVC现场运行照片3.3 我司成功的应用案例（Application Case of Our Company某光伏电站

10、项目10kV动态补偿（升压式SVG）某6MWp光伏电站为10kV并网，电力公司要求光 伏并网必须配置一定容量的无功补偿装置，且要求配置 SVG。该工程设计要求的无功补偿容量为 540kvar，考虑无功补偿装置的经济性，我司为该工程设计了一套低压SVG装置，装置经过0.38kV /10kV的升压变压器接入10kV系统。3.3 我司成功的应用案例（Application Case of Our Company某光伏电站升压式SVG现场运行照片3.4 工程应用中存在的问题（Problems in Engineering Application根据光伏逆变器运行测试数据以及光伏发电系统无功发生特性理论

11、分析，光伏发电系统自身无功需求量不大，并网点平均功率因数均在 0.98以上，无功补偿装置控制信号取自其并网点，造成实际投运的装置输出无功功率小，设备利用率低，本体损耗较大。接入配电网的分布式光伏发电容量一般在10MW以下，光伏电站自身的无功波动不大，要求使用动态无功补偿装置补偿光伏电站的无功是一种浪费。四、光伏发电接入配电网无功补偿解决方案一Reactive Compensation Solution of PV Access to Distributen Network I4.1 项目背景(Background)某工厂配电网电源进线为110kV，经110kV/10kV、10kV/0.4kV配

12、电变压器给厂内负荷供电。6229.62kWp光伏发电系统分别接入 0.4kV系统的各个生产车间，10kV两段母线各配备了 2组4000kvar固定式电容器 组，各厂房的配电房内均配置了自动投切电容器组无功补偿装置。出现的问题：2013年8月、9月电费明细中，出现功率因数不合格罚款问题， 月平均功率因素分别为0.34和0.81，没有达到标准，分别罚款 6万和6千多。4.1 项目背景 Backgrou nd某光伏发电接入配电网接线示意图四、光伏发电接入配电网无功补偿解决方案一Reactive Compensation Solution of PV Access to Distributen Net

13、work I4.2理论分析Theoretical An alysis为了找到力调电费罚款的原因，对该公司10kV高压侧进行了电能质量测试。并了解到，该公司生产线受光伏行业市场影响，在2013年10月份之前处于停产状态，在10月份才开始陆续调试投产，2014年1月份负荷已接近8000kW，由测试 结果可以看出9月份有功功率趋势主要为光伏发电功率，向系统倒送有功，最大值 近 5000kW。由于该公司内部负荷运行容量小，分布式光伏发电运行时其往系统倒送有功功 率，光伏发电停运后其从系统汲取有功功率也不大，累积成月最终造成了该公司力 率电费的罚款。4.2理论分析Theoretical An alysi

14、s某光伏发电接入0.4kV系统造成0.4kV进线月平均功率因数降低的例证分布式光伏发电接入0.4kV配电网，造成0.4kV系统的负荷从上一电压等级系统中汲取的有功功率减小，而光伏发电产生的无功功率较小，基波对接入系统的无功功率无影响，最终造成0.4kV总进线的平均功率因数降低。用左图描述。四、光伏发电接入配电网无功补偿解决方案一Reactive Compensation Solution of PV Access to Distributen Network I4.3解决方案Soluti on尽管该公司10kV母线设置有4000kvar的电容器补偿装置，由于负荷具有一定 的冲击性，在系统低负荷

15、运行时，原有补偿装置不能自动投切，需新增一套无功补 偿设备。考虑到在低负载时，系统无功功率变动范围在-410kvar490kvar，因此无功补偿容量设置为±00kvar即可。方案一：在10kV母线采用直挂式SVG进行治理，此方案费用较高。方案二：采用0.4kV SVG在低压侧进行治理，此方案需考虑将设备控制点移至总进线 侧进行处理，或者根据系统运行参数计算，设置SVG在低负载下可以输出相应无功。5.1 项目背景(Background)某工厂配电网10kV/0.4kV 2000kVA配电变压器下所带负荷为晶硅电池加工设 备，用电属性为周期性和冲击性，为满足加工工艺要求这些设备均采用变频

16、调速技 术。为补偿0.4kV母线下用电负荷的无功功率，在 0.4kV系统设置了两套无功补偿 柜，每套补偿柜设置了 50kvar >10组共补的无功补偿装置，并串联 7%电抗器，投 切开关为交流接触器。产线投运后，设备与无功补偿装置均能正常运行，但自从系统接入500kW分布式光伏发电后，无功补偿装置投切开关频繁动作，并偶发0.4kV进线开关 跳闸的故障，最终出现了某组补偿支路的熔断器熔断，熔断器喷溅后造成上桩头发生相 间短路。5.1项目背景Backgro und接入500kW分布式光伏发电的配电网5.1 项目背景(Background)需要立项研究以下问题：(1) 光伏发电系统并网后，是否

17、加剧恶化了0.4kV母线的谐波电压水平；(2) 串联了 7%电抗率的无功补偿装置，是否存在并联谐振，造成注入无功 补偿支路的谐波电流被放大，从而造成了无功补偿支路熔断器熔断；（3）是否0.4kV系统用电设备周期性和冲击性用电特性，造成原设置的无功 补偿装置不能满足动态补偿的功能，进而造成无功补偿装置频繁投切；（4）500kW光伏发电系统是否加剧了补偿装置的频繁动作，进而影响到无功 补偿装置的正常工作；（5）查找和确认故障的根源，制定新的无功补偿解决方案。5.2 运行数据分析（Analysis of Operating Data无功补偿装置投运和退出0.4kV母线和总进线谐波95%概率大值5.2

18、运行数据分析An alysis of Operati ng Data谐波电流分析结论（1）0.4kV总进线的谐波电流由0.4kV生产负荷和500kW光伏发电系统的谐波电流叠加而成，由于500kW光伏发电系统产生的谐波电流较小，总进线谐波电 流主要由非线性生产设备产生的谐波电流构成。光伏发电接入系统对该0.4kV系统的谐波电流和谐波电压影响不大。（2） 对比测试无功补偿装置投运和退出工况，未发现因串联7%电抗率而造 成的2次和3次谐波电压和电流因串并联谐振而放大的情况。因此，谐波不是造成无功补偿装置故障的根本原因。5.2运行数据分析(An alysis of Operati ng Data无功补

19、偿装置投运时0.4kV总进线基波有功功率、无功功率和功率因数5.2运行数据分析An alysis of Operat ing Data基波功率分析结论（1） 0.4kV总进线无功功率主要是由生产负荷产生的无功功率，500kW光伏 系统产生的无功功率基本可以忽略不计。（2）500kW光伏发电系统发电时，造成 0.4kV系统从上一级系统汲取的有功功率降低，而生产负荷消耗的无功功率不变，造成了0.4kV总进线因光伏发电的接入而出现功率因数降低的问题。（3）0.4kV生产负荷进线一小时无功功率的最大值为692.77kvar,平均值为628.18kvar,说明0.4kV生产负荷消耗的无功功率平均值为62

20、8kvar左右。(4) 0.4kV总进线生产负荷的有功功率和无功功率均呈现是周期性矩形脉冲 波动，波动周期约为45秒。5.2运行数据分析An alysis of Operat ing Data基波功率分析结论(5) 0.4kV总进线有功功率波动幅值约为 400kW，由于500kW光伏发电在正 常光照条件下输出300kW的有功功率，造成0.4kV总进线在波峰时从上一级系统 汲取的有功功率约为1000kW，波谷时从上一级系统汲取的有功功率约为600kW， 而无功功率波动幅值峰谷差约为 50kvar，最终造成总进线功率因数呈现周期约为45秒的矩形脉冲波动，约20秒的波谷时间内0.4kV总进线的功率因

21、数低于0.90, 并且光伏发电输出有功功率越大，波谷时间内0.4kV总进线的功率因数越低。因此，谐波不是造成无功补偿装置故障的根本原因。5.2运行数据分析An alysis of Operat ing Data基波功率分析结论(6) 由于0.4kV母线下设置的两套50kvar >10组共补的无功补偿装置，无功 补偿装置的控制信号取自0.4kV总进线，为保证总进线功率因数满足控制目标要求(0.90以上)，控制器会频繁地在45秒时间内投入若干支路，又退出若干支路， 这也是现场运维人员反应无功补偿装置投切开关频繁动作的原因。(7) 无功补偿装置的投切开关是交流接触器，采用是三相共补的投切方式。

22、 由于交流接触器无法实现过零投切，造成无功补偿装置投切时对已经投运的电容器 支路形成较大的涌流，累计热效应造成某组补偿支路电容器的熔断器熔断。5.3仿真研究Simulatio n Research背景谐波电压和谐波电流放大分析的等效模型5.3 仿真研究（Simulation Research无功补偿装置投运10组时系统谐波电流系数仿真曲线5.3仿真研究Simulati on Research依次投运和退出无功补偿支路的电容器涌流仿真结果0.4kV母线电压和0.4kV总进线电流波形0.4kV母线电压和第1条补偿支路电 流波形0.4kV母线电压和第2条补偿支路电流波形0.4kV母线电压和第3条补偿支 路电流波形5.3仿真研究Simulation Research仿真研究结论（1）串联了 7%电抗率无功补偿装置，未造成 2次谐波放大，对3次谐波略有 放大。（2） 串联了 7%电抗率的无功补偿装置，依次投入 10条补偿支路，后续投入 的支路对先期投入的补偿支路均产生涌流，其中投运装置自身产生的涌流较大。（