基于DIgSILENT的光伏電站無(wú)功特性分析及治理措施

唐會(huì)祥，張　慶，杜景遠(yuǎn)（.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢　430064；.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南　500）

基于DIgSILENT的光伏電站無(wú)功特性分析及治理措施

唐會(huì)祥1，張慶2，杜景遠(yuǎn)2
（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430064；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250012）

太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為一種清潔可再生能源得到迅速的發(fā)展，為解決光伏發(fā)電接入電網(wǎng)無(wú)功電壓?jiǎn)栴}，結(jié)合某光伏電站的接入系統(tǒng)實(shí)際情況，利用電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT進(jìn)行模型搭建，分析光伏電站的無(wú)功損耗及電壓特性，并提出保證光伏電站可靠并網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償措施。

光伏電站；無(wú)功特性；仿真研究；DIgSILENT

0　引言

隨著煤炭、石油等一次能源的日漸枯竭，能源與環(huán)境已成為當(dāng)前全球最為關(guān)注的問(wèn)題，特別是近幾年來(lái)，太陽(yáng)能光伏電站作為一種清潔能源得到迅速發(fā)展。與火力發(fā)電系統(tǒng)相比，光伏發(fā)電優(yōu)點(diǎn)：無(wú)枯竭危險(xiǎn)；無(wú)噪聲，無(wú)污染排放；不受資源分布地域的限制；無(wú)需消耗燃料；能源質(zhì)量高；建設(shè)周期短。但是也存在缺點(diǎn)：獲得的能源同晝夜、陰晴及四季有關(guān)、照射的能量分布密度?。?］。

隨著太陽(yáng)能光伏電站的單機(jī)容量和電場(chǎng)規(guī)模日益增大，光伏電站接入電網(wǎng)的比例逐漸增加。由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的運(yùn)行特性不同于常規(guī)電源，其波動(dòng)性強(qiáng)、隨機(jī)性大及不可控性明顯等特點(diǎn)影響電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，特別是對(duì)光伏電站接入點(diǎn)電網(wǎng)電壓水平的影響。當(dāng)光伏機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行或電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于接入點(diǎn)電壓降低引起系統(tǒng)無(wú)功功率變化，從而又影響電網(wǎng)系統(tǒng)電壓，容易導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰。當(dāng)前主要采取無(wú)功補(bǔ)償、無(wú)功功率的合理分布及帶負(fù)荷調(diào)節(jié)變壓器分接頭等方法來(lái)解決電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題［2］。

為解決光伏電站接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問(wèn)題，對(duì)接入系統(tǒng)的無(wú)功功率進(jìn)行研究，并結(jié)合實(shí)際光伏電站接入電網(wǎng)系統(tǒng)，利用仿真軟件DIgSILENT進(jìn)行建模仿真運(yùn)算，提出保證光伏電站可靠并網(wǎng)運(yùn)行的無(wú)功補(bǔ)償措施。

1　光伏電站系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)

光伏電站系統(tǒng)一般可分為獨(dú)立光伏電站系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)，以并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)作為研究對(duì)象。目前，并網(wǎng)光伏電站一般采用兩級(jí)升壓的結(jié)構(gòu)，當(dāng)光伏陣列在受到太陽(yáng)光輻射后，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電，其直流電經(jīng)匯流箱匯集，送入逆變器從而轉(zhuǎn)換為交流電，再由低壓變壓器升壓后，經(jīng)低壓電纜匯集至主變壓器低壓側(cè)，最后經(jīng)主變升壓后并入電網(wǎng)系統(tǒng)［3］。以某光伏電站為研究對(duì)象，其電氣結(jié)構(gòu)圖及接入系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　光伏電站電氣結(jié)構(gòu)圖及接入系統(tǒng)

2　光伏電站無(wú)功損耗仿真分析

結(jié)合光伏電站的實(shí)際情況，在仿真軟件DIgSILENT中搭建了該光伏電站系統(tǒng)接入電網(wǎng)的仿真模型，通過(guò)仿真運(yùn)算分析正常方式下光伏電站無(wú)功功率損耗［4-5］。

2.1逆變器功率輸出變化

圖2、圖3是整個(gè)光伏電站所有方陣逆變器8月25日的有功功率和無(wú)功功率變化曲線(xiàn)（正值表示輸出功率，負(fù)值表示吸收功率）。光伏電站的輸出有功功率最大可以達(dá)到8MW左右，最小為零，對(duì)應(yīng)的吸收無(wú)功功率最大可以達(dá)到-0.7Mvar，最小為零，變化范圍較大，且波動(dòng)頻繁。

圖2　光伏電站逆變器的有功功率變化曲線(xiàn)

通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，有功功率和無(wú)功功率的變化趨勢(shì)一致，如圖4所示。逆變器的無(wú)功吸收與有功輸出比近似為一個(gè)恒定的值，即逆變器的輸出功率因數(shù)近似為一個(gè)恒定的值，通過(guò)計(jì)算其平均值得到該功率因數(shù)近似為0.995，如圖5所示。從而可以估計(jì)得到，當(dāng)光伏電站滿(mǎn)發(fā)時(shí)，電站的無(wú)功輸出為-1Mvar左右。

圖3　光伏電站逆變器的無(wú)功功率變化曲線(xiàn)

圖4　光伏電站逆變器輸出無(wú)功功率與有功功率的變化關(guān)系

圖5　光伏電站逆變器輸出功率因數(shù)

2.2線(xiàn)路及變壓器無(wú)功損耗計(jì)算

忽略光伏電站線(xiàn)路的無(wú)功損耗，對(duì)于光伏電站升壓變壓器的無(wú)功損耗進(jìn)行近似計(jì)算。根據(jù)等值模型采用8月25日數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，比較光伏逆變器的無(wú)功損耗和整個(gè)光伏電站的無(wú)功損耗 （包括逆變器和升壓變兩部分的無(wú)功損耗），結(jié)果如圖6所示。

圖6中光伏電站的無(wú)功損耗包括逆變器的無(wú)功損耗和升壓變的無(wú)功損耗兩部分，逆變器無(wú)功損耗與實(shí)際的逆變器無(wú)功損耗基本上吻合?？芍龎鹤兊臒o(wú)功損耗不容忽視，并且與逆變器的無(wú)功損耗相比波動(dòng)較大，在光伏電站的有功輸出較大時(shí)，升壓變的無(wú)功損耗也比較大；在光伏電站的有功輸出較小時(shí)，升壓變的無(wú)功損耗也比較小。

圖6　光伏逆變器無(wú)功損耗和整個(gè)光伏電站的無(wú)功損耗比較

取變壓器額定容量為10MVA，高壓側(cè)交流電壓為10 kV，變壓器空載電流百分?jǐn)?shù)為0.6，阻抗電壓百分?jǐn)?shù)為5.5。當(dāng)光伏電站接近滿(mǎn)發(fā)時(shí)，變壓器幾乎處于額定工作狀態(tài)，其無(wú)功損耗ΔQT按照額定容量計(jì)算：

式中：ΔQ0為變壓器空載無(wú)功損耗，為變壓器空載電流占額定電流的百分?jǐn)?shù)；ΔQk為變壓器滿(mǎn)載無(wú)功損耗為變壓器阻抗電壓占額定電壓的百分?jǐn)?shù)；Sc為變壓器計(jì)算負(fù)荷；Sr為變壓器額定容量。

通過(guò)計(jì)算，當(dāng)光伏電站接近滿(mǎn)發(fā)時(shí)，變壓器的無(wú)功損耗近似為0.61Mvar。因此，光伏電站升壓變的無(wú)功損耗在0～0.61Mvar之間波動(dòng)，并且相對(duì)逆變器的無(wú)功損耗而言波動(dòng)比較大。

3　光伏電站無(wú)功補(bǔ)償措施

3.1無(wú)功補(bǔ)償配置原理

在光伏電站中考慮使用DWZT型電壓無(wú)功自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。綜合考慮逆變器以及升壓變的無(wú)功損耗，整個(gè)光伏電站的無(wú)功損耗在0～1.31Mvar之間，并且隨著光伏電站的有功功率輸出的變化而變化，其波動(dòng)比較頻繁。在實(shí)際中，光伏電站幾乎不能達(dá)到滿(mǎn)發(fā)，所以在進(jìn)行光伏電站的無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償裝置容量在1.5Mvar左右即可。故采用DWZT 10.5 kV-1500 kVar的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

DWZT電壓無(wú)功自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置原理如圖7所示。TV和TA對(duì)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電壓和電流信號(hào)的采集并輸入控制器?？刂破鞲鶕?jù)輸入的電壓、電流信號(hào)，來(lái)進(jìn)行分接判斷。電壓調(diào)節(jié)器與電容器串聯(lián)，接收控制器的指令，根據(jù)公式Q=2πfCU2，可以通過(guò)改變電容器的端電壓，來(lái)調(diào)節(jié)電容器的輸出容量，以滿(mǎn)足系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊?。主變壓器分接頭接收控制器、調(diào)壓控制器指令，并配合電壓調(diào)節(jié)器和電容器，來(lái)對(duì)母線(xiàn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。整定控制器調(diào)節(jié)原則：在保證供電電壓在允許變化范圍的前提下，充分調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償控制器，以來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)無(wú)功功率的就地平衡。

圖7　DWZT電壓無(wú)功自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置原理

DWZT無(wú)功補(bǔ)償裝置在運(yùn)行時(shí)，一般將運(yùn)行狀態(tài)分為9個(gè)區(qū)域。對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行不同的控制方案，使得主變分接頭以及電壓調(diào)節(jié)器相互配合，實(shí)現(xiàn)無(wú)功和電壓的穩(wěn)定。最終目的是將電壓和功率因數(shù)的范圍控制在9時(shí)區(qū)內(nèi)。對(duì)于各個(gè)區(qū)域的限值可自行整定，這里采用功率因數(shù)0.9～0.98，電壓9.3～10.7 kV作為實(shí)例進(jìn)行分析［6-7］。

3.2無(wú)功補(bǔ)償結(jié)果分析

按照以上的無(wú)功補(bǔ)償配置，在等值模型中添加無(wú)功補(bǔ)償裝置，并進(jìn)行仿真，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行分析。

取8月25日數(shù)據(jù)，對(duì)光伏電站的無(wú)功損耗進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)果如圖8所示。

從圖中可以看出，無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功輸出跟隨光伏電站的無(wú)功損耗，經(jīng)過(guò)無(wú)功補(bǔ)償后，光伏電站的無(wú)功特性以及光伏電站的出口電壓曲線(xiàn)如圖9、圖10所示。光伏電站的無(wú)功功率在零附近波動(dòng)，功率因數(shù)接近于1，且當(dāng)無(wú)功輸出大于零時(shí)能及時(shí)通過(guò)調(diào)整，使無(wú)功輸出回到負(fù)值，保證不向電網(wǎng)倒送無(wú)功。光伏電站的出口側(cè)10 kV母線(xiàn)電壓波動(dòng)較小，基本穩(wěn)定于1 pu左右。無(wú)功補(bǔ)償裝置中電容端電壓的控制曲線(xiàn)如圖11所示。

圖8　光伏電站的無(wú)功特性和無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功特性曲線(xiàn)

圖9　無(wú)功補(bǔ)償后的光伏電站的無(wú)功特性曲線(xiàn)

圖10　光伏電站出口側(cè)電壓變化曲線(xiàn)

圖11　無(wú)功補(bǔ)償裝置電容端電壓變化曲線(xiàn)

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)光伏電站的無(wú)功特性進(jìn)行分析，光伏電站的無(wú)功損耗主要包括光伏逆變器的無(wú)功損耗和變壓器以及線(xiàn)路的無(wú)功損耗，光伏逆變器的無(wú)功損耗與其有功功率輸出成一定的比例關(guān)系，功率因數(shù)近似為0.995。變壓器的無(wú)功損耗隨著有功輸出的變化而變化，波動(dòng)比較大。

本光伏電站中使用1.5MVar的DWZT電壓無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)該裝置的變壓器分接頭和電容端電壓的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了電壓調(diào)節(jié)以及無(wú)功的補(bǔ)償。通過(guò)DWZT型無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償作用，最終光伏電站的功率因數(shù)接近于1，出口側(cè)10 kV母線(xiàn)電壓基本上穩(wěn)定。

［1］羅如意，林曄．世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與展望［J］．能源技術(shù)，2007，30（5）：290-302．

［2］朱彥瑋，賈春娟．大中型光伏電站無(wú)功補(bǔ)償配置研究［J］．電器與能效管理技術(shù)，2014（3）：55-59．

［3］李安定．太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程［M］．北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001．

［4］葛虎，畢銳．大型光伏電站無(wú)功電壓控制研究［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（14）：45-51．

［5］晁陽(yáng)．并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)功電壓控制研究［D］．重慶：重慶大學(xué)，2014.

［6］李升．變電站電壓無(wú)功控制理論與設(shè)計(jì)［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2009．

［7］STRUNZK， FLETCHERRH， CAMPBELLR， et al．Developingbenchmarkmodels for Low-voltagedistribution feeders［C］∥Power&EnergySocietyGeneral Meeting．Calgary，AB：IEEE，2009：1-3．

Reactive Power Characteristic Analysis and Com pensation M ethod for Photovoltaic Power Station Based on DIgSILENT

TANG Huixiang1，ZHANG Qing2，DU Jingyuan2
（1.Wuhan Design＆Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group，Wuhan 430064，China；2.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

As a clean and renewable energy，solar photovoltaic is developing rapidly.In order to solve the problem of reactive power voltage in the photovoltaic power station，simulation models are built based on the commercial simulation software-DIgSILENT according to actual parameters of the photovoltaic power station to analyze the reactive power loss and voltage characteristics.Finally a reactive power compensation method is proposed which can ensure the reliable interconnection for photovoltaic power stations.

photovoltaic powerstation；reactive power compensation；simulation；DIgSILENT

TM615

A

1007－9904（2016）04－0018－04

2015-11-16

唐會(huì)祥（1982），男，工程師，從事供配電設(shè)計(jì)工作。