無(wú)功補(bǔ)償裝置在某光伏發(fā)電站中的應(yīng)用

李雪 賀金山 李偉

摘? 要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，能源枯竭問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，新型能源的開發(fā)與利用迫在眉睫。太陽(yáng)能作為清潔型能源，被廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電站中。但是由于光照條件時(shí)時(shí)變化，光伏組件性能不穩(wěn)定等因素限制，光伏發(fā)電站的發(fā)電量難以保障。因此，應(yīng)結(jié)合發(fā)電站的實(shí)際情況，合理配置無(wú)功率補(bǔ)償裝置，為發(fā)電站各個(gè)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電站? 無(wú)功補(bǔ)償裝置? 應(yīng)用原理? 容量計(jì)算? 位置選擇

光伏發(fā)電站以太陽(yáng)能為輸入能量，因環(huán)境條件以及技術(shù)設(shè)備等多方因素干擾，其發(fā)電量難以固定不變。同時(shí)，電網(wǎng)還需要為逆變器、變壓器等設(shè)備倒供自用電。因此，就電網(wǎng)而言，光伏發(fā)電站不論是有功還是無(wú)功，都屬于實(shí)時(shí)變量的范疇，其波動(dòng)幅度較大，在4個(gè)象限中均存在變化。

在光伏發(fā)電站的設(shè)計(jì)階段，并網(wǎng)逆變器的無(wú)功調(diào)節(jié)功能是最為重要的考量因素之一。假如逆變器的無(wú)功調(diào)節(jié)功能不符合供電系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)需求，則應(yīng)合理配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)施，優(yōu)化光伏發(fā)電站的供電質(zhì)量以及供電效率。

1? 應(yīng)用原理

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，線路阻抗導(dǎo)致的有功功率消耗是降低光伏發(fā)電站并網(wǎng)電壓的元兇，有時(shí)甚至?xí)鹣到y(tǒng)穩(wěn)定性超標(biāo)等問(wèn)題。因此，為避免安全事故發(fā)生，光伏發(fā)電站在輸入給電網(wǎng)的同時(shí)，也應(yīng)因地制宜，按照電網(wǎng)的實(shí)際需求適當(dāng)輸入一些無(wú)功，以確保供電、送電、配電等流程均能安全、有序地開展。

光伏發(fā)電站的無(wú)功輸出能力是決定其無(wú)功控制效果好壞的重要因素。并網(wǎng)逆變器發(fā)出或者吸收無(wú)功功率的能力計(jì)算公式為：

（1）

其中：Pmax為并網(wǎng)逆變器的額定功率;

Pj為并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率。

光伏并網(wǎng)逆變器的視在功率受自身因素限制，其輸出的無(wú)功容量會(huì)隨著有功功率的增加而減少。從某種程度上來(lái)說(shuō)，光伏電站輸出的有功功率的增加應(yīng)該不會(huì)造成無(wú)功功率降低，有功輸出應(yīng)該是與太陽(yáng)能強(qiáng)度之間成正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)逆變器的輸入能量達(dá)到峰值后，會(huì)呈現(xiàn)下滑趨勢(shì)運(yùn)行，進(jìn)而影響并網(wǎng)逆變器的無(wú)功輸出情況。因此，光伏發(fā)電站的設(shè)計(jì)與應(yīng)用在合理選擇逆變器外，還應(yīng)加設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置，以滿足供電系統(tǒng)對(duì)于無(wú)功功率輸出的具體要求。

靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVG）是光伏電站應(yīng)用較為廣泛的無(wú)功補(bǔ)償措施。其關(guān)鍵技術(shù)在于利用快速導(dǎo)通/切斷的IGBT（半導(dǎo)體器件）、脈沖寬度調(diào)節(jié)技術(shù)等，搭建三相全控橋式整流逆變電路，將交流電傳入電網(wǎng)。為滿足電網(wǎng)對(duì)于有功與無(wú)功的需求，可以通過(guò)調(diào)節(jié)IGBT的觸發(fā)角控制逆變器的相位角以及輸出電壓的變化范圍，從而影響光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓值，促使光伏發(fā)電系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

2? 配置位置選擇

2.1 相關(guān)規(guī)定要求

針對(duì)無(wú)功功率，其最主要的配置原則就是要采取就地補(bǔ)償方式。由于光伏發(fā)電站的無(wú)功與有功往往是在低壓側(cè)出現(xiàn)不匹配的情況，因此，可以將無(wú)功補(bǔ)償裝置集中安裝在升壓變壓器的低壓一側(cè)。假如沒(méi)有升壓變壓器，則應(yīng)考慮將動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置統(tǒng)一安裝在匯集處。

2.2 工程實(shí)例分析

某工程項(xiàng)目，為工商屋頂分布式結(jié)構(gòu)，發(fā)電目的為自給自足，余電主要用于上網(wǎng)。具體的接入方案如下：新建一開關(guān)站，電壓為10kV。在經(jīng)光伏發(fā)電站匯集后，將10kV電壓一點(diǎn)輸入到原發(fā)電廠的10kV母線。由于變電站隸屬于廠區(qū)管理，光伏發(fā)電站的開關(guān)站由投資方負(fù)責(zé)進(jìn)行用電設(shè)備的管理調(diào)配。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先對(duì)管理權(quán)限的統(tǒng)一性進(jìn)行綜合考量，將無(wú)功補(bǔ)償裝置的安裝位置定在新建開關(guān)站。無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功功率會(huì)經(jīng)由光伏進(jìn)線直接進(jìn)入到原變電站的10kV母線，其電流電壓的參考值根據(jù)光伏并網(wǎng)母線信號(hào)決定。

項(xiàng)目投入使用之后，相關(guān)人員普遍反映光伏發(fā)電站降低了廠區(qū)并網(wǎng)的功率因數(shù)。究其原因主要如下：無(wú)功補(bǔ)償裝置的電壓/電流是根據(jù)光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)取值的，只考慮了光伏發(fā)電站的無(wú)功補(bǔ)償效果，忽略了廠區(qū)自身負(fù)載變化導(dǎo)致的功率因數(shù)下降等問(wèn)題，導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)與開關(guān)站之間的功率因素波動(dòng)較大。在經(jīng)過(guò)優(yōu)化升級(jí)后，根據(jù)原廠變電站的實(shí)際產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)設(shè)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的電壓/電流，從而避免因廠區(qū)以及光伏發(fā)電站自用電引起的功率因素降低現(xiàn)象的同時(shí)，有效避免了電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的功率因素變化帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

3? 容量計(jì)算

3.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求及分析

在地電容以及元件電抗的作用下，光伏發(fā)電站中的變壓器、高低壓柜電纜以及橋架線等都會(huì)造成一定程度的無(wú)功功率損耗?？紤]到光伏區(qū)的占地面積，電纜所消耗的無(wú)功功率可以忽略不計(jì)。按照規(guī)定，計(jì)算光伏發(fā)電站無(wú)功補(bǔ)償容量時(shí)，首先要考慮逆變器的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，同時(shí)也要對(duì)變壓器、匯集線路以及送出線路的自用電損耗、無(wú)功功率等進(jìn)行綜合分析。尤其是對(duì)于中、大型光伏發(fā)電站而言，應(yīng)結(jié)合工程情況、電網(wǎng)需求，科學(xué)地選擇適合的無(wú)功補(bǔ)償裝置的技術(shù)參數(shù)，如類型、容量等。

3.1.1 升壓變壓器的無(wú)功損耗

升壓變的無(wú)功損耗主要有短路損耗與空載損耗兩大類。前者會(huì)隨著發(fā)電量的波動(dòng)而發(fā)生變化;后者是固定值，包含鐵損、銅損等。

3.1.2 線路的無(wú)功損耗

光伏電站中的無(wú)功損耗可分為感性無(wú)功功率與容性無(wú)功功率。感性的是由線路或者電纜的電抗產(chǎn)生的;容性的是對(duì)地電容效應(yīng)產(chǎn)生的。光伏電站的線纜或電路的形式多樣，有些以電纜線路為主;有些以架橋線路為主。

3.2 實(shí)際計(jì)算

還是以前面的工程舉例進(jìn)行計(jì)算分析。配置無(wú)功補(bǔ)償裝置后，光伏電站接入電壓為10kV電網(wǎng)。相關(guān)計(jì)算公式如下：

容性無(wú)功補(bǔ)償量=（3.5S2L1+50S）kAar ? ? ? ?（2）

感性無(wú)功功率量= 40L2kVar ? ? ? ?（3）

其中：S為光伏電站的裝機(jī)容量，單位MAar;

L1為光伏電站送出線路長(zhǎng)度，單位km;

L2為當(dāng)電纜架空補(bǔ)償容量為1/40時(shí)，光伏電站的送出線路長(zhǎng)度，單位km。

光伏電站公共連接點(diǎn)與并網(wǎng)點(diǎn)間的距離在80m左右，經(jīng)計(jì)算可以得出：容性無(wú)功補(bǔ)償量、感性無(wú)功補(bǔ)償量分別為126.75kAar、3.2kAar。同時(shí)需要維持并網(wǎng)點(diǎn)出的功率因素范圍在超前0.98～滯后0.98區(qū)間內(nèi)，且無(wú)償補(bǔ)充裝置能夠持續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。此外，應(yīng)針對(duì)諧波干擾，預(yù)留處理裝置位置。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，某光伏發(fā)電站新建開關(guān)站的無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)放置在10kV母線匯集點(diǎn)，根據(jù)原廠變電站的產(chǎn)權(quán)分界情況，結(jié)合無(wú)功功率、電壓以及功率因素等參數(shù)，配置1組無(wú)功補(bǔ)償裝置即可。額定補(bǔ)償容量為感性-0.15MVar到容性+0.15MVar，有連續(xù)調(diào)節(jié)功能，并且將動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間保持在30ms以內(nèi)。

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