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浅谈“非主流“光伏技术(二)

这篇文章的主要内容有两个,首先继续介绍谐波这个概念,然后介绍不同性质的工厂的电网环境和电能质量。为什么要介绍这些内容?因为分布式电站的应用越来越广泛,工厂的屋顶是最优质的资源,“有地方、用电多、电价高”。但目前绝大部分的技术人员只关心屋顶面积、承重情况、很少关心电网的电能质量问题。

1.1 认识谐波

在上一篇文章中详细介绍了谐波的危害和产生。电网谐波来自于三个方面:一是发电源质量不高产生谐波;二是输配电系统产生谐波;三是用电设备产生的谐波,其中用电设备产生的谐波最多。

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图1 谐波的形状

基波就是发电厂发出的电能的波形,是标准的Sin或者Cos形状。频率是50Hz。谐波也是正弦波,但是频率不是50Hz。比如3次谐波的频率是3*50Hz=150Hz。5次谐波的频率是5*50Hz=150Hz。

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图2 波形畸变

谐波最大的危害就是产生了波形畸变,图2就是谐波严重叠加后,产生的波形畸变。

谐波电流是导致变压器过热、电缆过热、跳闸、无功补偿装置烧毁的主要原因。

谐波电压是电子设备误动作的主要原因。在处理电子设备受干扰的问题是,更加关注电子设备接入电网的位置的谐波电压畸变率。一般要求电压畸变率小于5%。

谐波电流与谐波电压之间的关系是很多人搞不清的概念。了解他们之间的关系对于正确解决电能质量问题十分重要,下面对这两者的关系进行讲解,

谐波电流是谐波的根源,谐波电压是谐波电流的产物。因此,要彻底解决谐波导致的各种问题,就要从控制谐波电流入手。谐波电压是谐波电流流过线路阻抗时产生的,对于特定的配电系统,谐波电流与谐波电压之间的关系如下(欧姆定律):谐波电压 = 谐波电流*电网阻抗

1.2 逆变器输出波形

逆变器是一种电力电子设备,同时也是一种谐波源。根据逆变器自身的算法和原理—-脉宽调试技术PWM逆变器的波形是等效出来的。

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图3逆变器输出波形图

图3可以看出,电压波形并不是光滑的正弦波。电流波形也有畸变。

1.3 PWM原理

脉宽调制(PWM)基本原理:控制方式就是对逆变电路开关器件(IGBT)的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲,使各脉冲的等值电压为正弦波形,所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,即可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。

例如图4,把正弦半波波形分成N等份,就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于∏/n,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平直线,而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合,且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(即冲量)相等,就得到一组脉冲序列,这就是PWM波形。可以看出,各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理,PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。

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图4 面积等效原理

这样我们就不难理解,为什么逆变器是一种谐波源了。

2.1 不同种类工厂的电网环境和电能质量

工业企业电网谐波有3种:一是大功率用电设备频繁的启动和停止,比如轧钢设备;二是电解行业使用的电弧炉产生谐波;三是大规模电力电子设备产生的谐波。

2.1.1 钢铁和电解行业

钢铁企业的用电设备大多数为感性负荷、冲击大等特点,大量使用直流电机、变压器、电力电子装置等非线性负荷。会出现电网电压波动和闪变、三相不平衡,引起无功频繁波动、功率因数低、谐波含量超标等问题,使电网供电质量下降,严重影响到电网的运行。根据生产及工艺要求,钢铁企业的用电设备如大量的电弧炉、中频炉、轧机等非线性负荷,在工作过程中产生大量的谐波,导致电流波形发生畸变,严重影响系统电能质量。同时产生的电压闪变和波动、电压暂降等问题也对电能质量造成很大的影响。

电弧炉包括交、直流电弧炉,冶炼过程主要分两个阶段,即熔化期和精炼期。在熔化期,电弧阻抗不稳定,电流波形不规律,故谐波含量大,具有较多的3次及3的倍数次谐波,还存在一定的偶次谐波。对交流电弧炉来说,其中2-7次谐波幅值较大。电弧炉产生的电能质量主要有三方面:谐波问题、电压闪变及波动问题、三相不平衡问题。

精炼炉属含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。是用来对初炼炉所熔钢水进行精炼,要求具有较大的变压器容量、较大的电流波动范围、三相电流很不平衡,对供电质量及用电设备也存在很大的影响。

中频炉是一种将工频50Hz交流电转变为中频的电源装置,把三相工频交流电,整流后变成直流电,再把直流电变为可调节的中频电流,在感应圈中产生高密度的磁力线,切割感应圈里盛放的金属材料,在金属材料中产生很大的涡流。中频炉会产生大量的谐波(以nk±1为主,n为脉数),谐波是中频炉运行时主要的电能质量问题。

轧机是广泛使用的金属薄板加工设备,其源动力大多使用直流电机,配有大功率的整流电路,在生产过程中就必然会产生大量的谐波电流,并流入电网。轧机负荷主要为交直流传动设备,产生电压波动、谐波及无功冲击,对电网产生了污染。

2.1.2 纺织企业

在现代纺织企业中变频器得到了广泛应用。但变频器的整流装置会造成供电系统网侧含有大量的谐波成分,导致电能质量下降、电气设备的不正常运行,产生次品,生产过程中存在车间局部接触器跳闸或者低压母线停电的问题对企业造成了巨大的经济损失。

2.2 光伏系统接入后产生的影响

光伏逆变器是电流控制的逆变器,必须跟随电网的电压和频率。打个比方,一个笨学生听别人说1+1=3,他也说1+1=3。如果电网的波形不好,并网逆变器输出的波形也不会好到哪里去。

光伏并网逆变器是电力电子设备的一种,输出的波形是PWM原理等效出来的正弦波,有大量的直流分量,会造成波形畸变,污染电网。并网逆变器输出轻载时,谐波明显增大。光伏在额定出力的20%以下时,电流谐波总畸

变率(THD)会超过5%。若并网点含有多个谐波源,产生叠加高次谐波的功率谐振。

传统的配电网电压的波动与有功和无功负荷有关,引起电压波动是随时间变化而波动,靠近网络的末端越明显,光伏电源是非线性的直流电源,最大的制约是受天气和温度因素影响,引起光伏电源输出功率的变化最明显是光照强度的变化。光伏电站因随机性很强的输出功率,以致控制掌握运行

困难。配电网负载容量与光伏电源的容量不匹配时,随着环境条件较大变化,光伏电源输出功率则并网点电网电压也随着波动,还有光伏并网后,极其可能因为环境条件较大变化,引起系统潮流大小、方向和电压分布的变化。

我们需要注意的是,很多业主本身的电能质量不好,安装光伏系统以后,会把一些故障推卸到光伏系统上,这就要求EPC厂家需要对工厂的电能质量做一些调查分析。

2.4 谐波治理

谐波治理就是通过吸收或者补偿的方法以消除系统中的高次谐波,包括较少谐波源的使用、滤除有害谐波和谐波的补偿吸收等方法。

无源滤波器:无源滤波器是一种用R、L、C这些无源元件组成的滤波器来抑制进入公用电网的谐波电流的方法。将其设计为某频率下低阻抗,对相应频率谐波电流进行分流。无源滤波器只能滤除某频率范围内的谐波,不能进行动态跟踪、补偿特性受电网阻抗影响大等缺点,但它结构简单,其投资较小,是中小型企业的首选方案。

有源滤波器:有源电力滤波器属于主动注入式电力滤波器,通过产生与负载谐波电流大小相等、方向相反的电流,抵消电网谐波电流,从而达到抑制谐波的目的。由于受元器件及价格的限制,在中高压系统中,一般采用无源电力滤波器或混合式电力滤波器的方式,进行抑制谐波。

TCR型SVC:TCR+FC型静止无功补偿器(SVC),以高压晶闸管阀组控制电抗器支路的感性无功输出,与容性FC支路并联于系统的接入点,实现自超前至滞后无功的连续输出。近年来,这种并联补偿装置在电力、冶金、矿山等行业广泛用于改善电网电能的质量、抑制电压闪变、提高功率因数、消除电网谐波等场合。

浅谈“非主流“光伏技术(二)
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图5 无源滤波 图6 有源滤波

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图7 治理前 图8治理后

3.多台组串式逆变器在分布式电站的应用出现的问题

笔者做过一个纺织厂的屋顶光伏系统,该纺织厂安装使用500多台变频器,变频器主电路均为6脉三相桥的交一直一交结构,为电压型工作方式,采用V/F控制。由变频器网侧特征谐波计算公式h=k×p±1(P为脉动数,k为整数1、2、3⋯)可知,其谐波主要为5次、7次、11次等。如果安装了光伏系统,变频器产生非特征谐波和并网逆变器设备产生的谐波会同时流人供电系统,虽然这些谐波含量不高,但却使供电系统中的谐波含量更加复杂。

纺织厂生产线瞬时不正常运行和“人能明显感受到荧光灯‘闪一下⋯的问题及“纺织厂周围没有大负荷运行的企业”可以判断是由于纺织厂供电系统谐波污染而引起的动态电能质量问题。”该厂生产车间的变频器都接在同一母线上,谐波在供电线路之间相互干扰导致电压跌落;当电压跌落比较严重时继电保护及自动装置就会误动或拒动,动作失去选择性,可靠性也大大降低,因此出现了“局部接触器跳闸或者低压母线停电”等问题,导致生

产车间中纺织设备不正常运行。

越来越多的光伏电站采用了多逆变器并联入网的系统结构。而在这种多逆变器系统中,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。然而,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;同时,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PCC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。

谐振最大的危害是“过电压”的产生。谐振过电压对电网造成危害极大,诸如造成电压互感器熔丝熔断、电压互感器烧毁、电网设备绝缘损毁,甚至造成相间短路、保护装置误动作等等,所以加强对其防治非常必要。

4.小结

多组串逆变器应用的最大弊端就是系统谐振问题,合肥工业大学《光伏并网多逆变器并联建模及谐振分析》文章指出,“多逆变器相对于单逆变器谐振主要是由于逆变器控制和载波的非同步造成的。在控制与载波非同步(随机)情况下,单逆变器不谐振,多逆变器运行将导致输出电流谐振;在控制与载波同步情况下,单逆变器不谐振,多逆变器运行也不发生谐振。谐振仅体现在逆变器之间的交互,PCC 处逆变器总电流不谐振”。

也就是说,随着组串式逆变器的数量越来越多,需要对多台逆变器进行管理,利用并联控制技术,让逆变器输出一致,就不会导致谐振的发生。

(来源:《光能》杂志,作者:张喆)

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