光伏发电接入配电网电能质量问题与对策（PPT83页).ppt

1、,讲座人简介,朱明星，副教授，硕士生导师，安徽大学教育部电能质量工程研究中心测试评估研究所所长，亚洲电能质量产业联盟副秘书长，中国电源学会电能质量专委会副主任委员，中国电机工程学会城市供电专委会电能质量和电磁兼容学组委员。,近20年来一直致力于供配电系统电能质量测试、分析与控制技术的研究与工程应用，擅长于大型企业用户供配电系统电能质量系统解决方案的设计与仿真工作。现已在学术期刊上发表电能质量相关学术论文近40篇，主编1部技术书籍，参与3项国家标准起草，主持1项国家能源行业标准起草，主持1项中国电源学会团体标准起草，荣获安徽省科技进步一等奖和二等奖各1项，安徽省省级成果1项，已授权发明专利7项，

2、新型实用专利2项，已受理发明专利3项。,目 录,4,前言,1,2,3,5,光伏接入配电网标准中电能质量条款,光伏逆变器的谐波与功率特性,结束语,电能质量问题与对策,前 言,1 第一部分,1 第一部分,1 前言,国家能源局发布统计数据显示，截至2016年底，我国光伏发电新增装机容量3454万千瓦，累计装机容量7742万千瓦，新增和累计装机容量均为全球第一。全年发电量662亿千瓦时，占我国全年总发电量的1。,光伏累计装机 容量区域分布图,光伏新增装机容量区域分布图,我国的光伏装机正在从传统的西北地区向中东部转移，主要增长为华中地区 。,1 前言,西北大片的荒漠戈壁等未利用地、丰富的太阳能资源，为地

3、面光伏电站发展提供条件；而华东发达的经济、大片的工业厂房则是分布式光伏发展的基础。,地面光伏电站累计装机量区域分布图,分布式光伏累计装机量区域分布图,1 前言,即使西部受限电等因素影响，但由于其太阳能资源好，西北电网的发电量占比仍然高于装机量占比；除西北电网之外，各地的发电量占比均不高于装机量占比。尤其是华中电网，发电量占比远小于装机量占比。,光伏2017年12月累计发电量区域分布图,光伏累计装机 容量区域分布图,1 前言,1 前言,安徽省是全国率先实施光伏扶贫的省份，截至2016年12月底来自安徽省能源局的统计数据。,全省已建成光伏扶贫电站装机总容量,已并网光伏扶贫电站装机总容量,94.4万

4、千瓦,88.2万千瓦,1 前言,光伏发电接入配电网 示意图,1 前言,集中式逆变器,优点：（1）功率大，数量少，便于管理；元器件少，稳定性好，便于维护；（2）谐波含量少，电能质量高；保护功能齐全，安全性高；（3）有功率因数调节功能和低电压穿越功能，电网调节性好。 缺点：（1）MPPT电压范围较窄，不能监控到每一路组件的运行情况，因此不可能使每一路组件都处于最佳工作点，组件配置不灵活；（2）集中式逆变器占地面积大，需要专用的机房，安装不灵活；（3）自身耗电以及机房通风散热耗电量大。,500kW/250kW/100kW,1 前言,组串式逆变器,优点：（1）不受组串间模块差异和阴影遮挡的影响，同时减

5、少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，最大程度增加了发电量；（2）MPPT电压范围宽，组件配置更加灵活；在阴雨天，雾气多的部区，发电时间长；（3）体积较小，占地面积小，无需专用机房，安装灵活；（4）自耗电低、故障影响小。 缺点：（1）功率器件电气间隙小，不适合高海拔地区；元器件较多，集成在一起，稳定性稍差；（2）户外型安装，风吹日晒很容易导致外壳和散热片老化；（3）逆变器数量多，总故障率会升高，系统监控难度大；（4）不带隔离变压器设计，电气安全性稍差，不适合薄膜组件负极接地系统。,3kW 5kW,1 前言,优点：（1）.与集中式对比，分散MPPT跟踪”减小了失配的几率，提升了发电量；（

6、2）与集中式及组串式对比，集散式逆变器具有升压功能，降低了线损；（3）与组串式对比，“集中逆变”在建设成本方面更具优势。 缺点：（1）工程经验少。较前两类而言，尚属新形式，在工程项目方面的应用相对较少；（2）安全性、稳定性以及高发电量等特性还需要经历工程项目的检验；（3）因为采用“集中逆变”，因此，占地面积大，需专用机房的缺点也存在于集散式逆变器中。,集散式逆变器,光伏接入配电网标准中电能质量条款,2 第二部分,2 光伏接入配电网标准中电能质量条款,IEEE_Std_1574-2003 IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resource

7、s with Electric Power System,4.3.3Harmonics,2 光伏接入配电网标准中电能质量条款,GB/T 30427-2013 并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法,6.2.2 并网电流谐波,谐波电流含有率是否科学？基波电流较小时，谐波电流含有率意义不大！,并网运行时，逆变器不应造成电网电压波形过度畸变和注入电网过度的电流，以确保对连接到电网的其他设备造成不利影响。电流谐波总畸变率限值为5%。,谐波总需量畸变率TDD,谐波电压几乎总是相对于基波电压而言的。因为电压往往只有百分之几的变化，所以电压THD通常是一个有意义的数据。 但对电流来说情况有所不同，较小幅值

8、的谐波电流可能导致较大的THD值变化，但此时电力系统受到的威胁并不一定大。,IEEE Std 519-2014,IL = maximum demand load current (fundamental frequency component) at the PCC under normal load operating conditions,2 光伏接入配电网标准中电能质量条款,参照标准：IEEE Std 519-2014 (Revision of IEEE Std 519-1992) IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmo

9、nic Control in Electrical Power Systems,Table Current Distortion Limits for General Distribution Systems (120 V Through 69000 V),2 光伏接入配电网标准中电能质量条款,2 光伏接入配电网标准中电能质量条款,GB/T 30427-2013 并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法,7.6.2 功率因数,当逆变器输出有功功率大于其额定功率的50%时，功率因数应不小于0.98（超前或滞后）；输出有功功率在20%50%之间时，功率因数应不小于0.95（超前或滞后）。 功率因数

10、计算公式为：,2 光伏接入配电网标准中电能质量条款,GB/T 29319-2012 光伏发电系统接入配电网技术规定,7.4 谐波,7.4.1光伏发电系统所接入的公共连接点的谐波注入电流应满足GB/T 14549的要求，其中光伏发电系统并网点向电力系统注入的谐波电流允许值按照光伏发电系统安装容量与公共连接点上具有谐波源的发/供电设备总容量之比进行分配。,2 光伏接入配电网标准中电能质量条款,GB/T 29319-2012 光伏发电系统接入配电网技术规定,4 无功容量和电压调节,4.1 光伏发电系统功率因数应在超前0.95滞后0.95范围内连续可调。 4.2 光伏发电系统在其无功输出范围内，应具备

11、根据并网点电压水平调节无功输出，参与电网电压调节的能力，其调节方式和参考电压、电压调差率等参数可由电网调度机构设定。,光伏逆变器的谐波与功率特性,3 第三部分,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,500kW 光伏逆变器日谐波发生量95%概率大值的频谱分布图（270V）,500kW光伏逆变器谐波发射特性位于三个频段：低频段以2次、3次、5次、7次谐波电流为主；中频段以23次和25次为主；高频段以50次、53次、55次、58次、62次、64次为主，示范工程中采用的500kW光伏逆变器的IGBT开关频率为3kHz，主要产生开关频率附近的特征谐波。,非特征的23次谐波电流超过5A？,250kW+50kW光

12、伏逆变器谐波发射特性位于两个频段：低频段以2次、3次、5次、7次谐波电流为主；中频段以56次、58次、62次和64次为主，250 kW 光伏逆变器的IGBT的开关频率在3kHz，主要是开关频率附近的谐波分量。,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,250kW +50kW光伏逆变器日谐波发生量95%概率大值的频谱分布图（380V）,100kW 光伏逆变器日谐波发生量95%概率大值的频谱分布图（380V）,100kW光伏逆变器谐波发射特性位于三个频段：低频段以2次、5次、7次谐波电流为主；中频段以53次、55次、56次和58次为主，IGBT的开关频率在3kHz，主要是开关频率附近的谐波；高频段以92次、

13、94次、98次和100次为主，主要是2倍开关频率附近的谐波。,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,240kW 村集体扶贫光伏逆变器群日谐波发生量95%和99%概率大值的频谱分布图（380V）,240kW村集体扶贫光伏由组串式逆变器群组成，谐波发射特性位于低频段，以3次、5次、7次、9次谐波电流为主，由于其IGBT的开关频率较高，未测试到其IGBT开关频率附近的谐波。,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,3kW 单相扶贫光伏逆变器日谐波发生量95%和99%概率大值的频谱分布图（220V）,3kW单相扶贫光伏逆变器谐波发射特性位于低频段，以3次、5次、7次、9次谐波电流为主，由于其IGBT的开关频率较高，

14、未测试到其IGBT开关频率附近的谐波。,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,光伏逆变器的谐波发射特性,根据对500kW、250kW、240kW、100kW和3kW 光伏逆变器并网点测试数据分析结果表明：光伏逆变器的谐波电流发生量应能够满足GB/T 30427-2013 并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法的规定。 在正常运行工况下，接入配电网光伏发电系统，不会造成配电网的谐波电流超标。,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,500kW 光伏逆变器日基波有功和无功功率趋势（270V）,500kW光伏逆变器最大发电功率为194.22kW，最大无功功率为-26.07 kva

15、r，发电运行期间的平均功率因数接近1.0。,250kW +50kW光伏逆变器日基波有功和无功功率趋势（380V）,250kW+50kW光伏逆变器最大发电功率为279.35kW，最大无功功率为-33.3kvar，发电运行期间的平均功率因数接近1.0。,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,100kW光伏逆变器日基波有功和无功功率趋势（380V）,100kW光伏逆变器最大发电功率为74.43kW，最大无功功率为-3.85kvar，发电运行期间的平均功率因数接近1.0。,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,240kW 村集体扶贫光伏逆变器群基波有功和无功功率趋势,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,240kW村集

16、体扶贫光伏逆变器最大发电功率为140.83kW，最大无功功率为-5.37 kvar，发电运行期间的平均功率因数接近1.0。,3kW 单相扶贫光伏逆变器日基波有功和无功功率趋势,3kW单相扶贫光伏逆变器最大发电功率为2.3kW，最大无功功率为-0.18kvar，发电运行期间的平均功率因数接近1.0。,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,光伏发电系统无功发生特性理论分析,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,光伏逆变器的功率特性,根据对500kW、250kW、240kW、100kW和3kW 光伏逆变器并网点测试数据分析结果表明： 正常运行工况下，光伏逆变器产生输出无功功率较小；光伏发电接入配电网产生的无功功

17、率主要是光伏发电站满发时站内汇集线路、主变压器的感性无功及光伏发电站送出线路的全部感性无功之和,3 光伏逆变器的谐波与功率特性,电能质量问题与对策,4 第四部分,分布式光伏发电对配电网电能质量的影响,变流器产生直流分量注入电网,对配电网电压波动与闪变的影响,对配电网功率潮流的影响,对配电网谐波电压的影响,4 电能质量问题与对策,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,对孤岛保护影响,对发电效率影响,对控制的影响,对接口电路影响,光伏逆变器,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

18、器控制的稳定性,4 电能质量问题与对策,光伏发电接入配电网造成的力率电费罚款的问题,某光伏发电接入配电网示意图,4 电能质量问题与对策,该公司电费情况统计表如下表所示：,光伏发电接入配电网造成的力率电费罚款的问题,4 电能质量问题与对策,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机理,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。,4 电能质量问题与对策,光伏发电接入配电网造成的力率电费罚款的问题,光伏发电接入配电

19、网造成的力率电费罚款的问题解决方案,4 电能质量问题与对策,43,B,C,A,针对现代配电网网负荷波动性大的特点，建议含分布式光伏的配电网无功补偿要用SVG，无功功率完全补偿。,无功补偿装置的电流采样点应设置在配电网总进线处，而不是分布式光伏发电的并网点。,光伏逆变器能否参与配电网的无功补偿？不建议跨电压等级进行无功补偿，应以无功潮流最短的原则来确定补偿装置的接入位置。,光伏发电接入配电网造成的力率电费罚款的问题解决方案,4 电能质量问题与对策,串联7%电抗器50kvar10组电容器补偿，投切开关为交流接触器，产线投运后，设备与补偿装置均能正常运行，但自从接入500kW 分布式光伏发电后，补偿

20、装置投切开关频繁动作，并偶发0.38kV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。,4 电能质量问题与对策,光伏发电接入配电网对原有无功补偿装置造成的影响,接入500kW分布式光伏发电的配电网,补偿装置未投运时0.4kV总进线谐波电流含量,补偿装置未投运时0.4kV生产设备谐波电流含量,光伏发电接入配电网对原有无功补偿装置造成的影响,4 电能质量问题与对策,无功补偿装置未投运时500kW光伏并网点谐波电流含量,光伏发电接入配电网对原有无功补偿装置造成的影响,4 电能质量问题与对策,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

21、值,4 电能质量问题与对策,光伏发电接入配电网对原有无功补偿装置造成的影响,无功补偿装置退出时0.4kV总进线基波有功功率、无功功率和功率因数,4 电能质量问题与对策,光伏发电接入配电网对原有无功补偿装置造成的影响,500光伏发电并网点的基波有功功率、无功功率和功率因数,光伏发电接入配电网对原有无功补偿装置造成的影响,4 电能质量问题与对策,无功补偿装置投运时0.4kV总进线基波有功功率、无功功率和功率因数,4 电能质量问题与对策,光伏发电接入配电网对原有无功补偿装置造成的影响,无功补偿装置投运时0.4kV总进线基波有功功率、无功功率和功率因数局部,4 电能质量问题与对策,光伏发电接入配电网对

22、原有无功补偿装置造成的影响,无功补偿容量确定：0.4kV总进线24小时基波有功功率和无功功率,4 电能质量问题与对策,光伏发电接入配电网对原有无功补偿装置造成的影响解决方案,方案一：修复原串联7%电抗率的无功补偿装置，采用手动投切10组无功补偿支路，补偿0.38kV系统的400kvar无功功率。,缺点,需要人工手动投切，操作较为繁琐,优点,投切开关不易损坏，可保证总进线平均功率因数在0.95以上,4 电能质量问题与对策,光伏发电接入配电网对原有无功补偿装置造成的影响解决方案,缺点,无功补偿装置会频繁动作，且成本相对方案一高,优点,晶闸管可实现电压过零投入、电流过零切除，投切无涌流，使用寿命较长

23、,4 电能质量问题与对策,光伏发电接入配电网对原有无功补偿装置造成的影响解决方案,方案二：将投切开关改为晶闸管，减小无功补偿支路投运造成的涌流，控制策略根据1min内0.4kV总进线平均无功功率需量来自动投切补偿支路，可保证平均功率因数0.98以上。,光伏发电接入配电网系统接线图,某配电网高压进线为110kV，主变为110kV/35kV/10kV 63MVA,35kV侧带工业负荷，今年新近上了20MWp光伏发电系统。 20MWp光伏发电系统投运一个多月后，9月份频繁出现光伏逆变器因谐波过电压、保护动作而造成光伏发电解列的情况。 需查找问题根源并制定解决方案。,4 电能质量问题与对策,配电网背景

24、谐波造成分布式光伏发电安全稳定运行的问题,为了寻找逆变器谐波过电压保护的原因，对该系统进行情况摸查和电能质量测试工作。发现在35kV段母线下不锈钢用户有一台6000kW中频炉，整流方式为12脉波整流，即产生较大的11次、13次、23次和25次谐波并注入35kV系统，在系统阻抗上产生了很高的谐波电压，再通过降压变压器，对光伏逆变器产生影响，谐波潮流如右图所示。,光伏发电接入配电网的谐波潮流分析,4 电能质量问题与对策,配电网背景谐波造成分布式光伏发电安全稳定运行的问题,基于机网接口模型的谐波电压系数仿真结果,背景谐波电压在光伏逆变器入口滤波器侧的谐波电压系数,配电网背景谐波造成分布式光伏发电安全

25、稳定运行的问题,4 电能质量问题与对策,背景谐波在光伏逆变器入口滤波器上产生串联谐振，造成逆变器过流跳电。,背景谐波造成光伏逆变器群串并联谐振的解决方案1,光伏逆变器串并联谐振的解决方案,治理前后对背景谐波电压系数仿真结果，谐振峰消失。,4 电能质量问题与对策,配电网背景谐波造成分布式光伏发电安全稳定运行的问题,背景谐波造成光伏逆变器群串并联谐振的解决方案2,4 电能质量问题与对策,配电网背景谐波造成分布式光伏发电安全稳定运行的问题,改造入口滤波器为LCL-LC,背景谐波造成光伏逆变器群串并联谐振的解决方案3,4 电能质量问题与对策,配电网背景谐波造成分布式光伏发电安全稳定运行的问题,通过变流

26、器控制实现改善多逆变器阻抗、电网阻抗交叉耦合的目的，以减小背景谐波引起的谐振,某低压台区电能质量测试接线图,4 电能质量问题与对策,农网单相扶贫光伏造成低压台区高电压、闪变和不平衡的问题,某低压台区首端供电电压基波有效值和电压偏差趋势分析,台区高电压问题，一定是全台区高电压？包括台区末端也可能是高电压？,首端基波电压有效值,首端电压偏差,4 电能质量问题与对策,农网单相扶贫光伏造成低压台区高电压、闪变和不平衡的问题,首端供电电压有效值和电压偏差趋势分析统计报表,农网单相扶贫光伏造成低压台区高电压、闪变和不平衡的问题,4 电能质量问题与对策,某低压台区首端供电电压基波序分量趋势分析,首端基波电压

27、正序分量,首端基波电压负序分量,4 电能质量问题与对策,农网单相扶贫光伏造成低压台区高电压、闪变和不平衡的问题,某低压台区首端供电电压基波序分量趋势分析,首端基波电压正序分量,首端基波电压零序分量,4 电能质量问题与对策,农网单相扶贫光伏造成低压台区高电压、闪变和不平衡的问题,某低压台区首端供电电压基波序分量趋势分析统计报表,4 电能质量问题与对策,农网单相扶贫光伏造成低压台区高电压、闪变和不平衡的问题,某低压台区首端供电电压闪变趋势分析,4 电能质量问题与对策,农网单相扶贫光伏造成低压台区高电压、闪变和不平衡的问题,某低压台区首端供电电压闪变趋势分析,4 电能质量问题与对策,农网单相扶贫光伏造成低压台区高电压、闪变和不平衡的问题,某低压台区首端进线电流基波有效值和功率趋势分析,首端进线基波电流,首端进线基波功率,4 电能质量问题与对策,农网单相扶贫光伏造成低压台区高电压、闪变和不平衡的问题,某低压台区首端进线电流基波有效值趋势分析统计报表,4 电能质量问题与对策,农网单相扶贫光伏造成低压台区高电压、闪变和不平衡的问题,某低压台区首端进线基波功率趋势分析统计报表,4 电能质量问题与对策,农网单相扶贫光伏造成低压台区高电压、闪变和不平衡的问题,某低压台区首端进线电流基波序分析趋势分析,首端进线基波电流正序分量,首端进线基