分期開發(fā)的光伏電站無功補償容量計算

索志剛+趙思涵

摘 要：光伏電站的無功補償配置對其穩(wěn)定運行至關(guān)重要。結(jié)合光伏電站的系統(tǒng)構(gòu)成，通過計算光伏電站的箱式變壓器、集電線路、升壓變壓器和光伏電站送出線路等各個部分的無功損耗，得出光伏電站無功補償?shù)挠嬎憬Y(jié)果。以實際并網(wǎng)光伏電站為例，結(jié)合光伏電站規(guī)劃容量、分期開發(fā)容量等實際問題進(jìn)行無功補償容量的計算；對分期建設(shè)的升壓站主變低壓側(cè)進(jìn)行無功補償裝置配置的說明，并提出對無功補償裝置的具體要求，以指導(dǎo)分期開發(fā)建設(shè)的光伏電站工程設(shè)計中的升壓站內(nèi)的無功配置。

關(guān)鍵詞：光伏電站；無功損耗；無功補償；分期開發(fā)

中圖分類號：TM714.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.090

近年來，光伏發(fā)電作為新型可再生能源技術(shù)得到國家政策的大力支持，我國光伏發(fā)電將進(jìn)入一個快速發(fā)展的時期。光伏發(fā)電是一種特殊的電力，它的原動力是太陽光，然而太陽光的變化是很難預(yù)測的，太陽光的變化影響著光伏發(fā)電的出力。由于這種功率的不穩(wěn)定性，光伏發(fā)電具有許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的特點。光伏電站的并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的電能質(zhì)量、安全穩(wěn)定等諸多方面帶來負(fù)面的影響。其中，光伏電站的無功補償對光伏電站的穩(wěn)定運行至關(guān)重要，光伏電站正常運行時，所發(fā)電力通過光伏子方陣的箱式變壓器、集電線路、升壓主變壓器、送出線路接入電網(wǎng)，因此光伏電站的各級變壓器、線路存在無功損耗。目前，光伏電站安裝集中無功補償裝置進(jìn)行補償。本文根據(jù)光伏電站的無功損耗構(gòu)成，進(jìn)行光伏電站的無功補償計算，并結(jié)合實際工程中分期開發(fā)的情況，對分期開發(fā)的光伏電站的無功補償進(jìn)行分析，并得出結(jié)論。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

大容量光伏電站多采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案，由多晶硅電池組串、匯流設(shè)備、逆變設(shè)備、開關(guān)設(shè)備構(gòu)成電池子方陣，多個電池子方陣構(gòu)成電池陣列。

太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電能，逆變器出口電壓為315 V或270 V，需經(jīng)升壓變壓器升壓至并網(wǎng)電壓等級后接入電網(wǎng)。

根據(jù)光伏電站容量及并網(wǎng)電壓等級來確定升壓方式，并網(wǎng)電壓等級為35 kV，只需一級升壓；如果并網(wǎng)電壓等級為110 kV/220 kV，則需兩級升壓。逆變器出口電壓經(jīng)箱式變壓器升壓站35 kV后，經(jīng)多回35 kV集電線路接至主變壓器升壓至110 kV/220 kV電壓等級，再利用送出線路接入電網(wǎng)。

2 光伏電站無功損耗構(gòu)成

光伏電站主要由光伏組件、逆變器、箱式變壓器、集電線路、主變壓器等電氣元件構(gòu)成。光伏電站的無功損耗主要來自于以下幾部分：①箱式變壓器。箱式變壓器將光伏電壓由315 V或270 V升壓至35 kV，光伏電站一般采用分塊布置，按1 MW為1個子方陣，每個子方陣多采用1臺1 MVA雙分裂繞組升壓變壓器升壓至35 kV。②集電線路。光伏電站的電力經(jīng)過箱式變壓器升壓后通過35 kV集電線路將電力送至升壓站主變壓器的低壓側(cè)；光伏電站的裝機(jī)容量、場地地形不同，則集電線路回路數(shù)、長度均有所不同。③升壓變壓器。光伏電站升壓站內(nèi)升壓變壓器將集電線路送來的電力升壓后送出，主變壓器的容量一般根據(jù)光伏電站的裝機(jī)容量來確定。④送出線路。升壓變壓器將光伏電力升壓后經(jīng)送電線路接入電力系統(tǒng)。

3 光伏電站無功損耗的計算

3.1 光伏電站模型

本文取典型的光伏電站接入電網(wǎng)方案為例進(jìn)行研究分析。山西北部電網(wǎng)某光伏電站總裝機(jī)容量100 MW，分兩期開發(fā)，其中一期、二期的裝機(jī)容量均為50 MW，每期的開發(fā)情況如下：50 MW均分100個500 kWp光伏發(fā)電單元，每兩個發(fā)電單元與1臺1 000 kVA的分裂變壓器組合升壓后，以5回35 kV集電線路接入升壓站35 kV母線，再通過1臺容量為50 MVA的35/110 kV的雙繞組變壓器升壓至110 kV后接入電網(wǎng)。

其中，1 000 kVA、35 kV分裂升壓變壓器阻抗為6.5%；5回35 kV集電線路采用電纜，合計16.9 km；110 kV送出線路為JL/G1A-300，14 km。

3.2 箱變的無功損耗

式（1）（2）（3）中：XT為變壓器電抗的有名值；P和Q分別為通過變壓器的有功功率和無功功率；n為變壓器并列運行的臺數(shù)；Se為變壓器額定容量；Uk%為短路阻抗。

本例中P=1 000 kW，Se=1000 kVA，n=1，Uk%=6.5%，代入式（3）。經(jīng)計算，單臺箱式變壓器的無功損耗為0.065 MVar；光伏電站一期50 MW合計50臺箱式變壓器的總無功損耗為3.25 Mvar。

3.3 集電線路的無功損耗

光伏發(fā)電單元的電力經(jīng)逆變器、箱式變壓器逆變升壓后通過集電線路送至升壓站，光伏電站的集電線路一般采用電纜，電纜的r<

式（4）中：Qc為充電功率，MVar；qc為單千米的充電功率，取值為0.064 6 MVar/km；L為電纜總長度，取16.9 km。

將上述變量取值代入式（4）。經(jīng)計算，該光伏電站35 kV集電線路的充電功率為1.091 7 MVar。

3.4 送出線路的無功損耗

對于光伏電站規(guī)劃容量100 MW而言，Q取0，P=100 MW，110 kV導(dǎo)線截面為JL/G1A-300，其單位長度電抗x=0.382 Ω/km，X=5.348 Ω；U=115 kV。將以上參數(shù)代入式（6），得出未考慮線路充電功率時的無功損耗為4.044 MVar。但對于110 kV架空線路，當(dāng)光伏電站零發(fā)時，存在充電功率，其單位長度的充電功率qc=0.382 MVar/km，L=14 km。代入式（4），得出充電功率為0.476 MVar。

送出線路的無功損耗扣除充電功率后，得出輸送100 MW容量時，線路的無功損耗為3.568 MVar，并折算至一期50 MVA主變后，得出送出線路的無功損耗為1.784 MVar。

3.5 升壓變壓器的無功損耗

其中，考慮電壓不變化，取U≈Ue，可簡化為：

其中，n=1，Uk%=10.5%，S=Se=50 MVA，U=Ue，代入式（9）可得光伏電站一期主變50 MVA的無功損耗為5.25 MVar。

3.6 光伏電站一期無功補償容量

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中6.2.3，對于通過110（66） kV及以上電壓等級并網(wǎng)的光伏發(fā)電站，無功容量配置應(yīng)該滿足下列要求：①容性無功容量能夠補償光伏發(fā)電站滿發(fā)時站內(nèi)匯集線路、主變壓器的感性無功及光伏發(fā)電站送出線路的一半感性無功之和；②感性無功補償能夠補償光伏發(fā)電站自身的容量充電功率及光伏發(fā)電站送出線路的一半充電功率之和。

經(jīng)以上計算，光伏電站滿發(fā)時，綜合考慮箱變、升壓主變的感性損耗及送出線路的一半的感功損耗合計為9.392 MVar；光伏電站零發(fā)時，綜合考慮集電線路的充電功率、送出線路一半充電功率為1.328 MVar。因此在光伏電站一期升壓站內(nèi)50 MVA主變低壓側(cè)配置有效補償容量10 Mvar容性至2 Mvar感性的動態(tài)可連續(xù)調(diào)節(jié)的無功補償裝。

4 光伏電站分期開發(fā)的無功補償配置分析

對于算例中的規(guī)劃容量100 MW的光伏電站，分期開發(fā)建設(shè)。如果升壓主變壓器容量為1×100 MVA，則送出線路的無功損耗扣除充電功率后，輸送100 MW容量時線路的無功損耗為3.568 MVar，不必按照分期容量分?jǐn)?。如果升壓主變?yōu)?×50 MVA，則送出線路的無功損耗扣除充電功率后需按照一期容量占規(guī)劃總?cè)萘康谋壤M(jìn)行分?jǐn)傆嬎悖淮谕懂a(chǎn)時，計算原則同一期。

5 結(jié)論

通過本文的論述，得出以下結(jié)論：①光伏電站的無功補償容量需經(jīng)電氣計算得出，且無功補償裝置應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)，以控制并網(wǎng)點電壓的能力，調(diào)節(jié)速度應(yīng)能滿足電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的需要；②光伏電站的無功損耗應(yīng)考慮箱式變壓器、集電線路、升壓主變壓器、送出線路的損耗；③分期開發(fā)建設(shè)的光伏電站的無功損耗應(yīng)結(jié)合分期開發(fā)容量以及分期建設(shè)的升壓主變壓器容量進(jìn)行考慮，其中，送出線路的無功損耗應(yīng)考慮本期開發(fā)容量占規(guī)劃容量的比例分?jǐn)?；④在送出線路無功損耗較大的情況下，接入站點的系統(tǒng)變電站側(cè)應(yīng)按送出線路無功損耗的一半補償。

參考文獻(xiàn)

[1]易東方.電力工程設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，1989.

[2]紀(jì)雯.電力系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998.

[3]國家質(zhì)量監(jiān)督檢測檢疫總局.GB/T 29321—2012 光伏發(fā)電站無功補償技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[4]國家質(zhì)量監(jiān)督檢測檢疫總局.GB/T 19964—2012 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

作者簡介：索志剛（1984—），男，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)理論及裝置、智能變電站優(yōu)化設(shè)計等。趙思涵（1985—），女，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)、繼電保護(hù)原理及技術(shù)，超高壓電網(wǎng)維護(hù)等。

〔編輯：劉曉芳〕