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        新能源光伏發(fā)電中SVG無功補償裝置的應(yīng)用研究

        2023-10-18 06:37:48新疆華電葦湖梁新能源有限公司郭鵬山
        電力設(shè)備管理 2023年18期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備系統(tǒng)

        新疆華電葦湖梁新能源有限公司 郭鵬山

        從新能源發(fā)電發(fā)展來分析,光伏發(fā)電是較為重要的一種形式,利用光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,系統(tǒng)構(gòu)成包括逆變器以及電池板等。在光照強度及時間作用下,無法評估形成的電能。為妥善處理光伏發(fā)電中發(fā)生的無功功率問題,應(yīng)該增設(shè)無功補償設(shè)備,確保發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。

        1 光伏發(fā)電設(shè)備組成、優(yōu)點及SVG選擇

        從新能源發(fā)電形式來分析,光伏發(fā)電裝置涉及控制器和電池板等。通過控制器,能夠記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息,保持其工作狀態(tài);通過逆變器,能夠?qū)⒅绷麟娮優(yōu)榻涣麟姡m用大電網(wǎng)銜接;通過太陽能電池板,可以將太陽能變?yōu)殡娔?。根?jù)并網(wǎng)形式差異可分成并網(wǎng)式及獨立式,系統(tǒng)能夠獨立系統(tǒng)運轉(zhuǎn),也可通過逆變器和大電網(wǎng)連接,提供電力支撐。如果根據(jù)容量大小進(jìn)行區(qū)分,可將光伏發(fā)電系統(tǒng)分成以下幾種:小型發(fā)電系統(tǒng),100kW容量;中型發(fā)電系統(tǒng),100kW至1MW容量;大型發(fā)電系統(tǒng)容量超過1MW。

        整體而言,新能源光伏發(fā)電具備以下優(yōu)勢:設(shè)備容量較小、易于建設(shè)、所需投資較低、收益理想;清潔無污染;能夠切實緩解附近區(qū)域用電緊張;電網(wǎng)比較可靠,能提升供電穩(wěn)定性。然而,在日照強度作用下,也存在著隨機性,系統(tǒng)有著一定電網(wǎng)阻抗,可能產(chǎn)生電壓問題。從光伏發(fā)電網(wǎng)來分析,電源處在配電網(wǎng)末端,線路較長,可能出現(xiàn)過電壓情況。在夜間,系統(tǒng)電源不出力,若有著較大承載壓力,將超過下限[1]。白天,系統(tǒng)發(fā)電量難以消納,功率將轉(zhuǎn)到至配網(wǎng)系統(tǒng),造成出現(xiàn)反向潮流。久而久之,并網(wǎng)點周圍有著較大負(fù)載電壓。

        目前,光伏發(fā)電比例持續(xù)提高,如果出現(xiàn)電壓故障將影響系統(tǒng)正常工作。基于此,應(yīng)在系統(tǒng)中運用無功補償設(shè)備,其選擇除了決定電路結(jié)構(gòu),使逆變器無法控制,造成無功調(diào)節(jié)能力降低,電壓振蕩,系統(tǒng)運行缺乏可靠性,所以,應(yīng)該選取最佳的無功補償設(shè)備。

        2 無功補償裝置性能比較及運作原理

        在接入電網(wǎng)容量偏高時,可能導(dǎo)致并網(wǎng)電壓大于既定范圍,影響電網(wǎng)電壓的可靠性。不僅如此,還可能被環(huán)境影響,光照以及溫度的變化均可能導(dǎo)致功率輸出出現(xiàn)變化。電網(wǎng)在工作中發(fā)生問題,將影響到并網(wǎng)點電壓。所以,為給光伏電站提供電壓支撐,需要安裝具備無功輸出功能的設(shè)備。在系統(tǒng)中,逆變器雖然有著無功功率調(diào)整作用,但不易進(jìn)行布置,同時容易被環(huán)境影響。所以,光伏電站應(yīng)該布設(shè)無功補償設(shè)備,相比之下,SVG有著較強的補償能力,響應(yīng)迅速,安全性有保障,得到了普遍的運用。

        2.1 無功補償裝置性能比較

        無功補償設(shè)備組成包括控制設(shè)備、啟動設(shè)備等,由于接線形式不同,補償裝置可以分為兩類,對于直掛式設(shè)備,其容量較高,但運行效果較差,對于降壓式無功補償設(shè)備,其運行效果較好,但裝置容量不高。在裝置運轉(zhuǎn)時,會將信號傳輸?shù)娇刂圃O(shè)備,通過內(nèi)置芯片進(jìn)行運算,獲取模塊信號。如果設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障,可借助控制設(shè)備跳開斷路器,及時隔離故障?,F(xiàn)如今,有多類無功補償設(shè)備,比如SR、TCR等。性能比較:對于SR無功補償裝置,其無功輸出連續(xù),難以分相調(diào)整,響應(yīng)時長10ms,諧波量較小,有著一定的損耗率,產(chǎn)生的噪聲大,控制靈活度較低,易于進(jìn)行運維。

        對于SC無功補償裝置,其無功輸出連續(xù),難以分相調(diào)整,響應(yīng)時長200ms,無諧波量,有著一定的損耗率,產(chǎn)生的噪聲大,控制靈活度較低,不易進(jìn)行運維;對于TCR無功補償裝置,其無功輸出連續(xù),能夠分相調(diào)整,響應(yīng)時間介于5~10ms,有諧波量,存在一定的損耗率,產(chǎn)生的噪聲較小,控制靈活度高,運維比較復(fù)雜;對于TSC無功補償裝置,其無功輸出極差,能夠分相調(diào)整,響應(yīng)時間介于10~20ms,沒有諧波量,有著一定的損耗率,形成的噪聲很小,控制靈活度高,運維比較復(fù)雜;對于SVG無功補償裝置,其無功輸出連續(xù),能夠分相調(diào)整,響應(yīng)時間介于3~5ms,有諧波量,有著一定的損耗率,產(chǎn)生的噪聲小,控制靈活度高,運維比較復(fù)雜[2]。

        2.2 SVG的作用

        對于無功補償設(shè)備來講,其工作原理類似于變流器電路,增設(shè)適當(dāng)?shù)腟VG設(shè)備,能夠發(fā)出以及吸收無功功率,據(jù)此進(jìn)行動態(tài)調(diào)整,優(yōu)化電壓。補償裝置能夠控制元件,使其能夠發(fā)出電壓相位,據(jù)此開展相應(yīng)的無功補償。相比于電容器以及調(diào)相機,無功補償設(shè)備有著以下優(yōu)勢:補償較快,5~20ms就能夠響應(yīng);功率因素能夠超過0.98;無功補償設(shè)備能夠過濾諧波;能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)補償;設(shè)備使用壽命長、所需維護(hù)費用較低,并且能夠提升電能質(zhì)量。

        2.3 SVG的運用原理

        SVG涉及多個模板,主要包含檢測模塊、補償輸出模塊等,運用原理:利用模塊所獲取的電流數(shù)據(jù),由控制器啟動補償命令,然后由回路輸出用來補充的電流。從表1來分析,功率模塊為橋式電路,利用電抗器和電網(wǎng)連接,使無功功率更為平滑,避免發(fā)生沖擊電流,造成設(shè)備運行出現(xiàn)故障。

        表1 SVG裝置等效電路主要組成

        根據(jù)功率模塊來分析,在設(shè)備中,經(jīng)過電路串聯(lián)構(gòu)成多電平結(jié)構(gòu)。結(jié)合等效電路來分析,U1表示輸出電壓,L表示電抗器,I表示輸出電流,R表示損耗,Us表示系統(tǒng)電壓。在輸出電壓大于系統(tǒng)電壓時,輸出電流超前輸出電壓,表明SVG處于容性運行模式,此時發(fā)出無功功率;輸出電壓小于系統(tǒng)值時,電流滯后電壓,表明設(shè)備處于感性運行模式,這時系統(tǒng)吸收功率。顯而易見,通過調(diào)整元件觸發(fā)角能切實控制電壓幅值以及相位角,使SVG吸收以及發(fā)出功能達(dá)到并網(wǎng)需求,為系統(tǒng)始終保持高功率因數(shù)運轉(zhuǎn)提供支持。

        3 電流環(huán)及鎖相環(huán)的應(yīng)對分析

        光伏發(fā)電系統(tǒng)大部分處在偏遠(yuǎn)區(qū)域,系統(tǒng)容量較高,應(yīng)加以關(guān)注電壓問題。逆變器有著較高輸出電流,電壓會逐漸降低,輸出功率變化范圍較小。如果輸出功率有限,功率將出現(xiàn)改變,造成直流側(cè)電壓失穩(wěn)。在電網(wǎng)感抗作用下會形成一定輸出功率,并且等效電感增多,功率值會持續(xù)降低,輸出電流將顯著變小。當(dāng)光照足夠時,光伏發(fā)電會產(chǎn)生較大功率,但由于限制輸出功率,造成功率失衡,使得直流側(cè)充電。此種情形下,無法掌握直流電容電壓,影響系統(tǒng)正常運行。

        無功補償也能影響電流環(huán)以及鎖相環(huán)。從電流環(huán)來分析,能使反諧振峰變多,使系統(tǒng)相位發(fā)生跳變。不僅如此,等效電感變多,頻率逐漸轉(zhuǎn)向低頻,導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生不可靠的電流。從鎖相環(huán)來分析,電感越高,PLL頻率將失穩(wěn),在頻率較低時,將移動至高頻運行點,造成輸出時出現(xiàn)振蕩。為了應(yīng)對以上問題,要采取穩(wěn)定性舉措。在電流環(huán)上應(yīng)開展超前相位補償,確保相位裕度科學(xué)性。在鎖相環(huán)上,應(yīng)降低控制器參數(shù),去除非基波頻率,減小輸出頻率,確??刂葡到y(tǒng)可靠。

        4 基于新能源光伏發(fā)電SVG設(shè)備的優(yōu)化配置

        鑒于有著越上下限的問題,應(yīng)在配網(wǎng)中增設(shè)SVG裝置,據(jù)此優(yōu)化電壓。電壓降計量取決于諸多因素,其中包括線路負(fù)荷、長度等,以下是電壓降的求解公式:ΔU'=PR+(Q+Qsvg)X/U=ΔU+QsvgX/U,其中:P表示有功負(fù)荷,R表示電阻,Q表示無功負(fù)荷,Qsvg表示無功補償設(shè)備的無功功率,X表示電抗,U表示電壓,ΔU表示電壓該變量。由于日照有著隨機性,輸出功率也有著變化,如果僅通過串聯(lián)電抗器進(jìn)行補償,當(dāng)沒有光照時,輸出功率是0,結(jié)合電壓降求解公式,末端電壓過小而無法滿足用電需要,因此需要運用SVG裝置。

        如果要優(yōu)化無功補償裝置,應(yīng)先進(jìn)一步分析電壓越上下限,將其當(dāng)作目標(biāo)工況,進(jìn)而選取適當(dāng)?shù)淖钚〗M數(shù)。如果布設(shè)兩組設(shè)備時,工況屬于最嚴(yán)重電壓越上下限,感性功率值為正,容性功率值為負(fù),以下是SVG配置:節(jié)點編號N1,工況1為負(fù)的Q11,工況2為正的Q21;節(jié)點編號N2,工況1為負(fù)的Q12,工況2為正的Q22。有著6組變量,處于工況1,節(jié)點補償了容性無功;處于工況2,節(jié)點補償了感性無功。容性無功最高值為容量Q1,感性無功最高值為容量Q2。Qsvg表示裝置安裝容量,用Qsvgmin來表示最低容量,用Qsvgmax來表示最高容量。

        分別引入PSO以及TS-PSO來對兩種工況下的SVG進(jìn)行計算。在第二種算法中,進(jìn)行映射處理,根據(jù)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換進(jìn)行分檔處理,獲得以下公式:Qsvg=kΔQ(k=0,1…,kmax),其中:k表示分檔系數(shù),ΔQ表示基準(zhǔn)值。轉(zhuǎn)變獲取分檔系數(shù)k11、k12、k21、k22,轉(zhuǎn)變獲取二進(jìn)制數(shù)B2、B3、B5和B6。綜上獲取二進(jìn)制B1-B6,也就是粒子和空間位置。

        對于PSO算法來講,其是一種粒子群優(yōu)化算法,將涉及迭代過程,尤其適用極值求解。以下是兩種工況下的SVG優(yōu)化配置:TS-PSO算法,節(jié)點18,工況1負(fù)的1580kVA,工況2正的1590kVA,安裝容量1590kVA,節(jié)點32,工況1負(fù)的640kVA,工況2正的640kVA,安裝容量640kVA,總?cè)萘?230kVA;PSO算法,節(jié)點18,工況1負(fù)的1580kVA,工況2正的1600kVA,安裝容量1600kVA,節(jié)點33,工況1負(fù)的640kVA,工況2正的600kVA,安裝容量640kVA,總?cè)萘?240kVA。顯而易見,運用TS-PSO算法能獲取局部最優(yōu)解,防止了重復(fù)迭代,使搜索能力得到增強,計算效率提高。對工況1和2進(jìn)行無功補償,電壓偏差處于合理范圍,達(dá)到電壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),可見,無功補償裝置能夠切實解決越上下限問題。

        5 SVG裝置在光伏發(fā)電中的運用分析

        SVG的補償位置。在電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定中,針對SVG補償位置給出詳細(xì)規(guī)定:在有著升壓變壓器的光伏電站中,SVG安裝于變壓器低壓側(cè);在不具備升壓變壓器的電站內(nèi),SVG布設(shè)于匯集點。將某一光伏電站當(dāng)作例子,其中應(yīng)用的是無集中升壓變壓器,因此SVG安裝于匯集點。

        無功補償容量。光伏電站內(nèi)布設(shè)SVG裝置旨在穩(wěn)定電壓并降低能耗。當(dāng)對補償容量進(jìn)行配置時,要根據(jù)裝機容量的1/4進(jìn)行配置。在此光伏電站中,設(shè)備容量是7.5MVar,SVG設(shè)備能夠通過持續(xù)調(diào)整來控制電壓,使電壓變化達(dá)到要求。但是,從光伏電站來分析,補償容量還需要分析線路和變壓器消耗。

        其一,電站線路無功損耗。所產(chǎn)生的無功功率以及充電功率,主要是電纜線路。感性功率求解公式:QL=s2/U2nxl,其中:S表示具體容量,Un表示額定電壓,x表示感抗,l表示線路長度;充電功率求解公式:Qc=U2n2πfCl×10-6,其中:C表示電容,l表示線路長度。能根據(jù)以上公式獲取無功功率以及充電功率;其二,變壓器無功損耗。通常情況下,涉及空載以及短路損耗,求解公式:Qt=Q0+Qv=I0%/100×Sn+Us% S2/100Sn,其中,Q0表示空載損耗,Qv表示短路損耗,I0%表示電流百分比,Sn表示額定容量,Us%表示電壓百分比,S表示視在功率。

        SVG運用效果。提高光伏裝置轉(zhuǎn)化率。在光伏發(fā)電中應(yīng)用SVG裝置,降低了逆變器無功輸出,避免了諧波入侵系統(tǒng),提升光伏裝置轉(zhuǎn)化率,進(jìn)而增加光伏發(fā)電量;減少線路損耗。無論是變壓器還是電纜,均能形成無功,干擾系統(tǒng)功率因數(shù)。光伏電站內(nèi)布設(shè)SVG能夠切實提升功率因數(shù),減少線路損耗以及電壓波動;避免電網(wǎng)考核。光伏電站根據(jù)接入系統(tǒng)意見,相關(guān)要求配置SVG,設(shè)備容量配置和調(diào)整速度要符合電網(wǎng)要求,否則納入考核范圍。

        6 結(jié)論

        光伏發(fā)電線路比較長,由于阻抗導(dǎo)致電壓變小,產(chǎn)生嚴(yán)重的振蕩問題。運用SVG設(shè)備能提供充足功率,使并網(wǎng)電壓可靠。因日照強度差異,光伏發(fā)電有著隨機性,可能產(chǎn)生電壓問題。合理運用無功補償設(shè)備,使用相關(guān)算法計量SVG容量,得知SVG能夠解決越上下限問題。此次研究使用各種等級的系統(tǒng),也能夠為光伏電站設(shè)計提供借鑒。

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