当光伏扶贫遇上农村弱电网会擦出怎样的火花?

一、前言
中国光伏扶贫项目的实施,一般以县级、村级为单位,每户安装3kW-5kW为主要的应用形式。系统集成商朋友们,除了要应对农村屋顶多变的安装条件以外,还面临很多复杂的技术问题,比如说:农村弱电网电压、频率不稳定、多个分布式光伏系统同时并入电网,导致多机并联进而引起的谐振、电压抬升,以及更加复杂的负载情况。这就是小固今天要跟大家一起关注和解释的问题,当然,这里会有一些相对专业的概念介绍,希望大家仔细阅读,欢迎您参与留言讨论及批评指正。

二、弱电网、谐振的概念
1)电网电压过高
光伏系统并入电网,根据安全规范要求,光伏系统必须在允许的范围内工作。如测量得出电网电压高于此范围,则意味着电网电压过高。

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2)弱电网(一般出现在电网末端,如偏远地区、农村)一般大电网可以视为理想电压源,输出阻抗可以视为零,弱电网则不可以,电网阻抗不可忽略,等效模型如下:

当光伏扶贫遇上农村弱电网会擦出怎样的火花?

其中Ug’为理想电网电压;Ug为弱电网电压;Ig为并网电流。3)谐振在电力系统中,谐振的含义就是两个或者两个以上的电信号在周期性变化上的吻合,这里的电信号是指电压和电流的周期性变化。当发生串联谐振时,如果外加给谐振支路一个任意小的电压,理论上支路上都将有无穷大的电流;并联谐振时,从外电路流入并联谐振回路一个任意小的电流,理论上都将引起回路两端无穷大的电压。这两种情况,在电力系统中往往是要努力避免的

三、弱网高阻抗谐振的危害
1)抬高逆变器并网端电压,导致逆变器报电网电压过高而脱网。

当光伏扶贫遇上农村弱电网会擦出怎样的火花?

当电网阻抗Rg与Lg很大时,逆变器输出电流Iac会在Rg与Lg上产生很大的压降,会造成逆变器并网端电压快速上升,最终导致逆变器报电网电压过高而脱网。

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图1:电压超限引起脱网的现场测试波形2)谐振会导致逆变器过流脱网弱网条件下的单机高阻抗谐振或者多机并联谐振会引起逆变器输出电流震荡,电感异常声响;输出特性变差,严重的会导致逆变器过流脱网。下图是现场测试波形:

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图2:谐振较弱时输出波形

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图3:谐振较强时输出波形(逆变器最终脱网)
 
四、多机并联谐振产生的原因
1多机并联谐振波形

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图4:并网逆变器多机并联运行图

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图5:谐振电压和电流波形(上电压,下电流)

当并网台数较少时,图4中的A、B、C3个点观察到标准正弦电压电流波形。当并联台数超过一定阙值时,逆变器会发生谐振,A点的波形发生严重畸变,实测谐振电压和电流波形如图5所示。

    多机并网逆变器系统中,单个并网逆变器大都采用无隔离变压器的拓扑结构,且一般采用LCL滤波器,后面的L为等效电感。采用LCL滤波器的设计会使逆变器系统频带中存在谐振频率点。

    无隔离变压器的拓扑结构客观上又建立了多逆变器间的关联与耦合,其中各自逆变器的LCL滤波回路相互的关联以及线路上分布参数阻抗的影响,使多逆变器的输出回路构成了一个复杂的高阶电网络。这一高阶电网络的存在不仅会导致逆变器输出谐波电流放大,严重时则可能会导致多逆变器并联系统的谐振。

    随着并网发电系统穿透率的提升,公共连接点阻抗的变化会使PCC处的电压对功率波动更加敏感,而PCC处的电压波动又可能导致局部逆变器并网系统的谐振,这一局部逆变器并网系统的谐振又可能进一步导致全局并网系统谐振的发生。

    多机并联谐振频率分析图7为不同台数逆变器并联时,电网电压对输出电流影响的传递函数波德图。可见,随着并联台数增多,谐振频率会降低,容易产生谐振。当其他并联逆变器并网功率增大时,流过电网等效阻抗的电流增大,相当于单台逆变器控制模型中的电网阻抗增大,也会对谐振频率产生间接影响。

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图6:逆变器多机并联运行等效阻抗

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图7:逆变器多机并联台数对谐振频率的影响

五、谐振抑制方法现在解决
谐振的办法有无源阻尼法、APF等,它们能暂时抑制谐振问题,但是其增加了成本,并且以牺牲系统效率,损失发电量为代价。再者,考虑到电网阻抗的多变性,所处电网的容量不同,各个系统并网逆变器运行的台数也不尽相同导致并网谐振现象具有一定的随机性。故现有技术一方面可能会影响逆变器滤波性能,另一方面也会增加系统损耗,降低系统效率,且抑制谐振技术往往以牺牲逆变器的输出特性为代价,在正常并网情况下无法保证电网的友好性。因此现有技术无法满足各类型电网的并网要求。固德威在逆变器软件中增加了智能有源阻尼抑制算法,提供了一种既保证正常情况下的输出特性,又能保证高阻抗等谐振状态下系统的稳定性的谐振抑制方法,得以较好的解决了弱网条件下谐振的问题。该技术也成功应用在多个扶贫项目中。下面是某个现场加入谐波抑制算法前后对比的波形。

当光伏扶贫遇上农村弱电网会擦出怎样的火花?

图8加入谐波抑制算法前测试波形
图9加入谐波抑制算法后测试波形

可以看出,加入谐波抑制算法后高阻抗得到了很好的抑制,逆变器可以持续稳定的运行。

六、总结
谐振不仅影响光伏系统效率和发电量,还会引起电网波形畸变使设备出现异常或者故障,但是在农村弱电网高阻抗存在的前提下谐波是很难避免的,我们一方面期待政府对农网进行改造,一方面通过逆变器的先进技术加以抑制。本文旨在让大家了解面对农村弱电网关于谐振的问题,同时,小固还想说明的是:
逆变器是光伏系统的关键先生;光伏系统,其实—它并没有你看见的这么简单。
 
来源: 固德威光伏社区
 

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