大型光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化配置方案分析

趙清松，王世成，張冠峰，程緒可

(1．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2．遼寧省思極科技服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141；3．國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，大力開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源和可再生能源利用技術(shù)成為減少環(huán)境污染的重要措施。近幾年，國(guó)際光伏發(fā)電迅猛發(fā)展，光伏發(fā)電已由補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡，并在大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電方面快速發(fā)展，我國(guó)出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)和支持光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策措施，極大促進(jìn)了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏發(fā)電已是目前技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開(kāi)發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電方式之一。與傳統(tǒng)火電廠相比，光伏電站具有不同的生產(chǎn)特性。光伏發(fā)電出力的不確定性和波動(dòng)性，使其接入電力系統(tǒng)后，對(duì)電網(wǎng)中的電壓穩(wěn)定、潮流分布、電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)控運(yùn)行等產(chǎn)生影響[1-5]。特別是大規(guī)模光伏發(fā)電接入后，對(duì)接入點(diǎn)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障或者光伏發(fā)電出力劇烈波動(dòng)時(shí)，由于接入點(diǎn)電壓降低引起系統(tǒng)無(wú)功功率變化，進(jìn)而影響系統(tǒng)電壓，容易導(dǎo)致電壓崩潰[6-9]。

目前解決電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題的方法主要有：安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置、合理分布無(wú)功功率及帶負(fù)荷調(diào)節(jié)變壓器分接頭等。根據(jù)GB19964—2012《光伏電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的要求，光伏電站的無(wú)功電源包括光伏并網(wǎng)逆變器及光伏發(fā)電站無(wú)功補(bǔ)償裝置。光伏電站安裝的并網(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(dòng)態(tài)可調(diào)。光伏發(fā)電站要充分利用并網(wǎng)逆變器的無(wú)功容量及其調(diào)節(jié)能力；當(dāng)逆變器的無(wú)功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要時(shí)，應(yīng)在光伏發(fā)電站集中加裝適當(dāng)容量的無(wú)功補(bǔ)償裝置，必要時(shí)加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置[10]。光伏逆變器為大功率四象限電力電子變流器，通過(guò)變流器控制可以實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率解耦，其自身無(wú)功調(diào)節(jié)能力可以應(yīng)用于光伏電站的無(wú)功功率調(diào)節(jié)。但由于逆變器無(wú)功調(diào)節(jié)能力有限，不同廠家控制策略不同，性能參差不齊，且響應(yīng)速度不能滿足快速調(diào)節(jié)需求，無(wú)法滿足系統(tǒng)無(wú)功調(diào)節(jié)需求時(shí)須配備無(wú)功補(bǔ)償裝置，通過(guò)對(duì)逆變器和無(wú)功補(bǔ)償裝置協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)光伏電站無(wú)功功率調(diào)節(jié)，從而滿足電網(wǎng)對(duì)光伏電站的無(wú)功要求[11-13]。目前常用的補(bǔ)償裝置主要有：并聯(lián)電容器組、SVG、SVC等。SVG作為新一代無(wú)功補(bǔ)償裝置，在補(bǔ)償效果、功率密度和運(yùn)行效率等技術(shù)指標(biāo)上具有傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，是目前解決配網(wǎng)尤其是快速變化的電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題的重要手段[14-16]。

本文主要研究光伏電站靜態(tài)無(wú)功損耗分析，考慮系統(tǒng)不同電壓水平時(shí)，計(jì)算光伏電站在不同出力情況下箱式變壓器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)箱變)、集電線路、主變壓器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)主變)、外送線路的無(wú)功損耗情況，作為靜態(tài)無(wú)功配置的參考依據(jù)?？紤]不同負(fù)荷情況下，計(jì)算光伏電站不同出力水平對(duì)系統(tǒng)電壓的影響。光伏電站動(dòng)態(tài)無(wú)功配置分析，計(jì)算新能源場(chǎng)站擾動(dòng)包括新能源出力快速變化、站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投切等動(dòng)態(tài)變化對(duì)系統(tǒng)電壓的影響。從計(jì)算結(jié)果分析新能源電站靜態(tài)、動(dòng)態(tài)無(wú)功資源需求及平衡情況，并進(jìn)行無(wú)功電壓分析，論述無(wú)功資源的控制策略、途徑及實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)無(wú)功設(shè)備能力進(jìn)行評(píng)定，對(duì)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功能力進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)對(duì)是否配置以及擬配置的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備選型和配置方案提出建議，提出保證光伏電站并網(wǎng)可靠運(yùn)行的無(wú)功補(bǔ)償方案，為光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功電壓管理提供依據(jù)。

1 光伏電站電氣結(jié)構(gòu)及主要設(shè)備無(wú)功特性

1.1 光伏電站電氣結(jié)構(gòu)

某300 MW大型光伏電站接入系統(tǒng)主要由光伏組件、逆變器、箱變、站內(nèi)集電線路、主變和無(wú)功補(bǔ)償裝置組成。具體連接方式如圖1所示。光伏組件安裝在支架上，多塊組件組成1個(gè)光伏組件串，即1個(gè)光伏陣列，光伏陣列連接光伏逆變器，采用225 kW組串逆變器，逆變器出口電壓為800 V，連接箱變后出口電壓為35 kV，并通過(guò)集電線路將電能送入升壓站，在主變的作用下，將35 kV電壓升至220 kV，送入當(dāng)?shù)刈冸娬尽?/p>

圖1 某300 MW光伏電站主接線系統(tǒng)示意圖

1.2 主要設(shè)備無(wú)功特性

并網(wǎng)光伏逆變器具備功率因數(shù)在超前0.9～滯后0.9連續(xù)可調(diào)的無(wú)功調(diào)節(jié)能力。以某225 kW集中式并網(wǎng)光伏逆變器為例，在輸出225 kW有功功率的同時(shí)，可輸出大約最大109 kvar的無(wú)功功率，并在-109～+109 kvar范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。圖2為并網(wǎng)逆變器的無(wú)功輸出能力和出力范圍，大型光伏電站安裝的并網(wǎng)逆變器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(dòng)態(tài)可調(diào)，并滿足如圖2所示矩形框內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)。光伏電站要充分利用并網(wǎng)逆變器的無(wú)功容量及其調(diào)節(jié)能力；當(dāng)逆變器的無(wú)功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要時(shí)，應(yīng)在光伏發(fā)電站集中加裝適當(dāng)容量的無(wú)功補(bǔ)償裝置，必要時(shí)加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。另外根據(jù)GB/T 29321—2012《光伏發(fā)電站無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定：①光伏發(fā)電站并網(wǎng)逆變器應(yīng)具有多種控制模式，包括恒電壓控制、恒功率因數(shù)控制和恒無(wú)功功率控制等，具備根據(jù)運(yùn)行需要手動(dòng)/自動(dòng)切換模式的能力；②光伏發(fā)電站并網(wǎng)逆變器應(yīng)在其無(wú)功調(diào)節(jié)范圍內(nèi)按光伏發(fā)電站無(wú)功電壓控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)要求進(jìn)行無(wú)功/電壓控制。

(a) 無(wú)功出力范圍

(b)無(wú)功輸出能力圖2 并網(wǎng)逆變器的無(wú)功輸出能力和出力范圍

光伏電站內(nèi)部的無(wú)功功率損耗主要來(lái)自箱變、主變和輸電線路。其中光伏發(fā)電站變壓器的無(wú)功損耗為站內(nèi)所有箱變無(wú)功損耗和主變無(wú)功損耗之和，一般占到整個(gè)電站無(wú)功損耗的70%以上，變壓器的無(wú)功損耗包括空載損耗(勵(lì)磁損耗)和漏抗中的損耗，如下。

(1)

式中：QLT為變壓器無(wú)功損耗；ΔQ0為變壓器空載無(wú)功損耗；ΔQT為變壓器漏抗無(wú)功損耗；PN,UN分別為變壓器的額定功率和額定電壓；S,U分別為變壓器的功率和電壓；BT為變壓器的對(duì)地電納；XT為變壓器的電抗；US%為變壓器的短路電壓；I0%為變壓器的空載電流。根據(jù)式(1)，計(jì)算出光伏發(fā)電站變壓器的無(wú)功損耗值約為變壓器額定容量的16%。

光伏電站輸電線路的無(wú)功損耗包括集電線路無(wú)功損耗和外送線路無(wú)功損耗，線路無(wú)功損耗由兩部分組成：其一為線路等值電抗中消耗的無(wú)功功率，這部分功率與負(fù)荷平方成正比；其二為對(duì)地等值電納消耗的無(wú)功功率(又稱(chēng)充電功率)，由于這一部分無(wú)功功率是電容性的，因而事實(shí)上是發(fā)出無(wú)功功率，其大小與所加電壓的平方成正比而與線路上傳輸?shù)墓β薀o(wú)直接關(guān)系，線路無(wú)功損耗計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ΔQL為線路的無(wú)功損耗；ΔQX為線路中等值電抗的無(wú)功損耗；ΔQB為線路的充電功率；P1,P2,Q1,Q2分別為線路始末兩端的有功功率和無(wú)功功率；U1,U2分別為線路始末兩端的電壓；X為線路電抗；B為線路電納。

2 光伏電站靜態(tài)無(wú)功配置分析

無(wú)功容量配置應(yīng)符合下列要求：通過(guò)10～35 kV電壓等級(jí)并網(wǎng)的光伏發(fā)電站功率因數(shù)應(yīng)能在超前0.98～滯后0.98范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，有特殊要求時(shí)，可做調(diào)整以穩(wěn)定電壓水平。對(duì)于通過(guò)110(66)kV及以上電壓等級(jí)并網(wǎng)的光伏發(fā)電站，無(wú)功容量配置應(yīng)滿足下列要求：①容性無(wú)功容量能夠補(bǔ)償光伏發(fā)電站滿發(fā)時(shí)站內(nèi)匯集線路、主變壓器的感性無(wú)功及光伏發(fā)電站送出線路的一半感性無(wú)功之和；②感性無(wú)功容量能夠補(bǔ)償光伏發(fā)電站自身的容性充電無(wú)功功率及光伏發(fā)電站送出線路的一半充電無(wú)功功率之和。對(duì)于通過(guò)220 kV(或330 kV)光伏發(fā)電匯集系統(tǒng)升壓至500 kV(或750 kV)電壓等級(jí)接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站群中的光伏發(fā)電站，無(wú)功容量配置宜滿足下列要求：①容性無(wú)功容量能夠補(bǔ)償光伏發(fā)電站滿發(fā)時(shí)匯集線路、主變的感性無(wú)功及光伏發(fā)電站送出線路的全部感性無(wú)功之和；②感性無(wú)功容量能夠補(bǔ)償光伏發(fā)電站自身的容性充電無(wú)功功率及光伏發(fā)電站送出線路的全部充電無(wú)功功率之和。

圖3為基于DigSILENT的光伏電站模型圖，其中具體參數(shù)如下：該光伏電站裝機(jī)容量300 MW，采取800 V-35 kV-220 kV兩級(jí)升壓并網(wǎng)的方式，全站共計(jì)組成91個(gè)3.15 MW和7個(gè)2.0 MW的光伏陣列系統(tǒng)。電氣主接線方式如下：采用14臺(tái)225 kW組串式逆變器與1臺(tái)容量為3150 kVA升壓雙繞組變壓器組成逆變升壓?jiǎn)卧?臺(tái)225 kW組串式逆變器與1臺(tái)容量為2000 kVA升壓雙繞組變壓器組成逆變升壓?jiǎn)卧?，逆變升壓?jiǎn)卧邏簜?cè)采用集電線路接至35 kV開(kāi)關(guān)柜，共有6條集電線路接入每座升壓站的35 V開(kāi)關(guān)柜。主變?nèi)萘?50 MVA，額定變比220±8×1.25%/37 kV，阻抗電壓Uk%=16%，接線組別為YNd11，負(fù)載損耗565 kW，空載電流0.4%，空載損耗100 kW。箱變1額定容量3150 kVA，額定變比(37±2×2.5%)/0.8 kV，接線組別為Dyn11，阻抗電壓Uk%=6.5%，負(fù)載損耗35.5 kW，空載電流0.6%，空載損耗3.36 kW；箱變2額定容量2000 kVA，額定變比(37±2×2.5%)/0.8 kV，接線組別為Dyn11，阻抗電壓Uk%=6.5%，負(fù)載損耗24.6 kW，空載電流0.6%，空載損耗2.36 kW。站內(nèi)35 kV集電線路總長(zhǎng)51.4 km，電阻0.98 Ω/km，電抗0.109 Ω/km。220 kV外送線路1長(zhǎng)度61 km，220 kV外送線路2長(zhǎng)度20.3 km，電阻0.0766 Ω/km，電抗0.3106 Ω/km。

圖3 基于DigSILENT的光伏電站模型圖

當(dāng)公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)110(66)kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站應(yīng)能夠控制光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓在標(biāo)稱(chēng)電壓的97%～107%范圍內(nèi)。當(dāng)公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)220 kV及以上電壓等級(jí)接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站應(yīng)能夠控制光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓在標(biāo)稱(chēng)電壓的100%～110%范圍內(nèi)。通過(guò)DigSILENT仿真數(shù)據(jù)對(duì)靜態(tài)無(wú)功進(jìn)行計(jì)算，其中箱變滿負(fù)荷時(shí)無(wú)功損耗為11.64 Mvar，集電線路滿載時(shí)無(wú)功損耗1.68 Mvar，升壓變滿載時(shí)無(wú)功損耗46.23 Mvar；外送線路滿載時(shí)無(wú)功損耗11.55 Mvar，光伏電站無(wú)功損耗范圍0.4～71.10 Mvar。

通過(guò)對(duì)靜態(tài)無(wú)功損耗計(jì)算，可得出某300 MW光伏電站投運(yùn)后，無(wú)功容量需要配置范圍為0.4～71.10 Mvar。光伏逆變器可以做到功率因數(shù)超前0.95～滯后0.95可調(diào)，則最大無(wú)功能力為-98.61～98.61 Mvar，逆變器無(wú)功能力可以滿足靜態(tài)無(wú)功需求。

3 光伏電站動(dòng)態(tài)無(wú)功配置分析

根據(jù)GB19964—2012《光伏電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的要求：當(dāng)公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi)時(shí)，光伏電站應(yīng)當(dāng)能夠控制光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的97%～107%范圍內(nèi)。光伏電站變電站的主變宜采用有載調(diào)壓變壓器，通過(guò)調(diào)整變電站主變分接頭控制站內(nèi)電壓，確保場(chǎng)內(nèi)光伏發(fā)電單元正常運(yùn)行。對(duì)300 MW光伏電站動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況下的電壓變化進(jìn)行分析，圖4為不同工況下母線電壓變化圖。根據(jù)光伏電站功率變化引起的電壓波動(dòng)問(wèn)題，開(kāi)展仿真計(jì)算，觀察光伏功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)電壓造成的影響。

圖5為補(bǔ)償無(wú)功后母線電壓圖，由圖4(a)可以看出光伏電站電壓在230.00 kV上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度在1.43 kV范圍內(nèi)，設(shè)定目標(biāo)電壓230.00 kV，光伏電站主變低壓側(cè)補(bǔ)償34 Mvar動(dòng)態(tài)無(wú)功時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電壓平穩(wěn)；由圖4(b)可以看出光伏電站電壓在238.00 kV上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度在1.65 kV范圍內(nèi)，設(shè)定目標(biāo)電壓234.00 kV，光伏電站主變低壓側(cè)補(bǔ)償40 Mvar動(dòng)態(tài)無(wú)功時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電壓平穩(wěn)。綜上所述可以看出光伏電站母線電壓在出力變化時(shí)波動(dòng)，當(dāng)補(bǔ)償40 Mvar的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，可以保證電壓穩(wěn)定。

(a)系統(tǒng)電壓低時(shí)，光伏電站由零至滿發(fā)時(shí)電壓變化

(b)系統(tǒng)電壓高時(shí)，光伏電站由零至滿發(fā)時(shí)電壓變化圖4 不同工況下母線電壓變化

(a)系統(tǒng)電壓低時(shí)，光伏電站由零至滿發(fā)時(shí)補(bǔ)償動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓變化

(b)系統(tǒng)電壓高時(shí)，光伏電站由零至滿發(fā)時(shí)補(bǔ)償動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓變化圖5 不同工況下無(wú)功補(bǔ)償后母線電壓變化

考慮地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的需求，300 MW光伏電站投運(yùn)后，建議主變低壓側(cè)配置總?cè)萘繛椤?0 Mvar的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，以光伏電站母線電壓為控制目標(biāo)，協(xié)調(diào)控制無(wú)功補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)出口電壓穩(wěn)定。光伏電站整體的無(wú)功控制策略：光伏電站控制并網(wǎng)點(diǎn)的母線電壓在100%～110%范圍內(nèi)運(yùn)行，充分利用光伏逆變器自身的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，當(dāng)電壓高于設(shè)定值時(shí)，控制無(wú)功設(shè)備吸收無(wú)功功率，直至電壓降低到規(guī)定范圍內(nèi)，當(dāng)電壓低于設(shè)定值時(shí)，控制無(wú)功設(shè)備發(fā)出無(wú)功功率，直至電壓升高到規(guī)定范圍內(nèi)。根據(jù)光伏出力及無(wú)功情況，300 MW光伏電站投運(yùn)后光伏電站的并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功能力如表1所示。

表1 光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功能力

光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功出力能力在-74.88～209.71 Mvar，本表僅為理論計(jì)算值，實(shí)際無(wú)功出力能力需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)確定，其中光伏電站容性和感性無(wú)功調(diào)節(jié)能力如圖6所示。

(a)容性無(wú)功輸出能力

(b)感性無(wú)功輸出能力圖6 300 MW光伏電站容性和感性無(wú)功調(diào)節(jié)能力

4 結(jié)論

本文對(duì)某300 MW光伏電站接入系統(tǒng)后對(duì)電網(wǎng)無(wú)功電壓的影響進(jìn)行了分析，300 MW光伏投運(yùn)后并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓及沿途變電站母線電壓變化范圍，結(jié)果表明，當(dāng)光伏逆變器功率因數(shù)超前0.95～滯后0.95可調(diào)時(shí)，各點(diǎn)電壓均能夠在正常范圍內(nèi)運(yùn)行，光伏電站靜態(tài)無(wú)功能力可以滿足系統(tǒng)要求。光伏電站功率變化引起的電壓波動(dòng)情況，計(jì)算結(jié)果表明，滿發(fā)到出力為零，引起母線電壓降低3.45 kV左右，母線電壓最高236.31 kV，最低228.42 kV，并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)變電站站母線電壓最高237.97 kV，最低228.53 kV，建議該主變低壓側(cè)配置總?cè)萘繛椤?0 Mvar的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，以光伏電站母線電壓為控制目標(biāo)，協(xié)調(diào)控制無(wú)功補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)出口電壓穩(wěn)定。光伏電站光伏根據(jù)調(diào)度指令自動(dòng)發(fā)出或吸收無(wú)功功率，控制光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的母線電壓在100%～110%范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)。充分利用光伏自身的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，當(dāng)電壓高于設(shè)定值時(shí)，控制無(wú)功設(shè)備吸收無(wú)功功率，直至電壓降低到規(guī)定范圍內(nèi)，當(dāng)電壓低于設(shè)定值時(shí)，控制無(wú)功設(shè)備發(fā)出無(wú)功功率，直至電壓升高到規(guī)定范圍內(nèi)。