光伏發(fā)電站無功系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 博，陳國龍，呂忠華，吳 昊，溫繼勝

(1. 營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115000；2. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015；3. 國網(wǎng)營口供電公司，遼寧 營口 115000)

太陽能是降低污染、解決全球能源問題最有前景的技術(shù)途徑，近年來隨著光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換能力的提高和價格的降低[1]，大容量光伏電站大量建設(shè)并并網(wǎng)發(fā)電。導(dǎo)致光伏電站和輸電線路無功損耗也在增加[2]，為此需要光伏電站安裝無功補(bǔ)償裝置，具備無功容量，以保證電網(wǎng)發(fā)生故障時，能滿足低電壓功率穿越，使整個電網(wǎng)的電壓得到支持[3]。

光伏發(fā)電受白天和黑夜交替以及臨時天氣變化的影響，其出力周期性和不確定性也是很明顯的[4]。因此，光伏電站的無功補(bǔ)償容量及控制形式需要詳細(xì)計(jì)算，精準(zhǔn)控制[5]。

光伏電站內(nèi)部無功源包括逆變器和無功補(bǔ)償裝置[5]，具備發(fā)出無功能力，大型光伏電站的無功電壓控制涉及逆變器與無功補(bǔ)償裝置以及各逆變器的協(xié)調(diào)控制[6]，需要根據(jù)實(shí)際的電網(wǎng)情況，進(jìn)行無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)，合理確定無功補(bǔ)償裝置容量，在不浪費(fèi)資金的前提下，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定控制。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 光伏發(fā)電站規(guī)模

以1座光伏電站為例，具體闡述光伏變電站無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)理念及過程。發(fā)電站裝機(jī)容量25 MWp，以1回66 kV架空線路送至某1座220 kV變電站。擬安裝100 000塊單片功率250 Wp的光伏組件，逆變器選用500 kW逆變器，共計(jì)50臺。工程光伏陣列由25個1 MW多晶硅光伏組件子方陣組成。采用分塊發(fā)電，集中并網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，將系統(tǒng)分成13個2 MWp并網(wǎng)發(fā)電單元。每個發(fā)電單元配置4臺500 kW陣列逆變器，逆變器輸出270 V三相交流，通過交流電纜分別連接到容量為2000 kVA升壓變壓器低壓側(cè)分裂繞組。35/0.27-0.27 kV升壓變壓器共計(jì)13臺。

1.2 規(guī)程依據(jù)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/T19964—2012)的要求，接入110 kV(66 kV)及以上電壓等級公用電網(wǎng)的光伏發(fā)電站，其配置的容性無功容量應(yīng)能夠補(bǔ)償光伏發(fā)電站滿發(fā)時站內(nèi)匯集線路、主變壓器的全部感性無功及光伏發(fā)電站送出線路的一半感性無功之和；其配置的感性無功容量應(yīng)能夠補(bǔ)償光伏發(fā)電站站內(nèi)全部充電無功功率及光伏發(fā)電站送出線路的一半充電無功功率。

1.2.1 線路無功損耗及計(jì)算

線路無功損耗QL計(jì)算公式為QL=3I2X。

線路中流過的電流：

(1)

式中：P為線路有功功率，kW；U為線路線電壓，kV；cosφ為線路功率因數(shù)。

線路等值阻抗：

X=xL

(2)

式中：x為導(dǎo)線單位長度電抗，Ω/km；L為線路長度，km。

線路充電容量為

Qc=U2ωC/1 000=U22πfcL/1 000

(3)

式中：f為線路頻率，取值50 Hz；C為導(dǎo)線單相對地電容，μF；c為單位長度導(dǎo)線單相對地電容μF/km。

1.2.2 變壓器無功損耗計(jì)算

光伏電站變壓器無功損耗：

(4)

式中：QT為變壓器無功損耗，kvar；n為變壓器臺數(shù)；Uk%為變壓器短路電壓百分值；I0%為變壓器空載電流百分值；S為變壓器運(yùn)行視在功率，kVA；SN為變壓器額定容量，kVA。

1.3 無功計(jì)算參數(shù)

光伏發(fā)電站通過66 kV線路T接至66 kV線路上，需保證220 kV變電站66 kV母線電壓在規(guī)程允許范圍內(nèi)波動。相關(guān)線路及變壓器參數(shù)如下：采用35 kV箱式變壓器25臺，容量1 000 kVA，空載損耗1 440 W，負(fù)載損耗12 150 W，空載電流I0%=1%，短路阻抗Ud%=6.5%。66 kV主變壓器1臺，容量25 000 kVA，空載損耗28 400 W，負(fù)載損耗105 300 W，空載電流I0%=0.6%，短路阻抗Ud%=9%。66 kV送出線路全長26.8 km，采用LGJ-240型導(dǎo)線，線路阻抗0.432 Ω/km。35 kV匯流線路共3回，每回所帶光伏陣列容量8 MWp、8 MWp、9 MWp。導(dǎo)線選擇YJV22-35kV/3×95 mm2電纜，35 kV升壓變壓器按等間距布置考慮，間距按0.25 km考慮，電抗按0.1 Ω/km計(jì)算。

1.4 計(jì)算結(jié)果

將參數(shù)輸入到式(1)—(4)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 無功損耗計(jì)算表 kvar

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本期工程投運(yùn)后，光伏電站滿發(fā)時35 kV匯集線無功損耗為14 kvar，箱變無功損耗為1 875 kvar，主變無功損耗為2 400 kvar，本工程接入66 kV送出線路新增無功損耗的一半為794 kvar，本工程35 kV線路充電功率為30 kvar，故本期綜合最大無功損耗約為5 053 kvar。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/T19964—2012)的要求，光伏發(fā)電站安裝的并網(wǎng)逆變器應(yīng)滿足額定有功出力下功率因數(shù)在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)。并滿足在圖1所示矩形框內(nèi)動態(tài)可調(diào)。

圖1 逆變器無功出力范圍

1.5 靜態(tài)無功配置方案

本工程接入系統(tǒng)后綜合最大無功損耗約為5 053 kvar。根據(jù)目前光伏設(shè)備廠商提供材料，光伏發(fā)電項(xiàng)目逆變器具備在功率因數(shù)超前0.95～滯后0.95水平運(yùn)行的能力，即逆變器具備一定的發(fā)無功能力。

如將逆變器設(shè)定在功率因數(shù)為0.95，25 MWp光伏電站最大可發(fā)無功約8 225 kvar，此時光伏電站不但不會給電力系統(tǒng)帶來任何無功負(fù)擔(dān)，還可以貢獻(xiàn)部分無功出力。

如將逆變器設(shè)定在功率因數(shù)0.98，發(fā)揮無功調(diào)節(jié)能力，25 MWp光伏電站最大可發(fā)無功約5 053 kvar，此時光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)基本可以做到與系統(tǒng)零交換無功。

工程接入系統(tǒng)后，可以充分利用光伏逆變器自身發(fā)無功的能力，不配置靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置，滿足光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的無功平衡和電壓穩(wěn)定。

2 光伏電站接入電網(wǎng)電壓水平影響分析

考慮光伏電站未投運(yùn)時，冬大負(fù)荷方式下接入點(diǎn)運(yùn)行在年度電壓下邊界；冬小負(fù)荷方式下接入點(diǎn)運(yùn)行在年度電壓上邊界。分別對光伏電站投運(yùn)前、光伏電站投運(yùn)后逆變器功率因數(shù)為1、光伏電站投運(yùn)后逆變器功率因數(shù)為滯后0.98考慮，分析光伏電站投運(yùn)對電網(wǎng)電壓水平的影響(見圖2)。

圖2 冬小負(fù)荷系統(tǒng)電壓動態(tài)曲線

正常方式下上端220 kV變電站電壓穩(wěn)定，66 kV側(cè)電壓基本維持在65.7～70.2 kV。

光伏電站投運(yùn)，逆變器功率因數(shù)設(shè)置為1且不配置靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置，光伏電站的投運(yùn)，對系統(tǒng)電壓水平產(chǎn)生一定影響，正常運(yùn)行方式下，220 kV變電站66 kV側(cè)電壓波動范圍為65.7～70.3 kV。

光伏電站投運(yùn)，逆變器功率因數(shù)為0.98，從而輸出部分無功，抵消了電站內(nèi)的無功損耗。因此，系統(tǒng)無需向光伏電站輸送無功容量。此時，220 kV變電站66 kV側(cè)電壓波動范圍為65.7～70.5 kV。

利用BPA模擬仿真系統(tǒng)運(yùn)行50個周波后電站投入，出力滿發(fā)，系統(tǒng)及升壓站電壓水平相比初始狀態(tài)變化，變化過程中220 kV變電站66 kV母線電壓水平為70.4 kV，光伏側(cè)70.6 kV。考慮在光伏電站加裝2.5 Mvar動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

光伏電站加裝容量2.5 Mvar動態(tài)無功補(bǔ)償裝置后，在光伏機(jī)組突然投入運(yùn)行時，220 kV變電站66 kV母線電壓可以在無功補(bǔ)償裝置的作用下恢復(fù)到初始水平，但光伏側(cè)66 kV母線電壓高于初始水平0.2 kV。

綜上所述，根據(jù)光伏電站接入點(diǎn)電網(wǎng)的特性、電壓水平及電網(wǎng)實(shí)際情況，綜合考慮光伏電站投運(yùn)后對電力系統(tǒng)的影響，同時避免無功補(bǔ)償設(shè)備不能充分發(fā)揮能力，造成投資浪費(fèi)，該光伏電站可加裝1臺2.5 Mvar動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。調(diào)節(jié)范圍為-2.5～+2.5 Mvar。同時，考慮部分廠家逆變器實(shí)際運(yùn)行中并不能滿足功率因數(shù)在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)，可在升壓站內(nèi)預(yù)留1組電容器位置。

3 結(jié)束語

光伏發(fā)電站無功系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)接入點(diǎn)電網(wǎng)的特性、電壓水平及電網(wǎng)實(shí)際情況，立足于利用逆變輸出無功的原理，能有效減少配置無功補(bǔ)償裝置，如必需配置無功補(bǔ)償裝置，也應(yīng)在考慮遠(yuǎn)期規(guī)模的前提下，通過計(jì)算，合理確定補(bǔ)償裝置的容量，實(shí)現(xiàn)電壓控制目標(biāo)，滿足光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的無功平衡和電壓穩(wěn)定。

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