關(guān)于光伏電站無功補(bǔ)償容量的設(shè)計(jì)分析與探討

柯學(xué)進(jìn)

（廣州市寧大新能源科技有限公司，廣東 廣州 510700）

1 前言

光伏發(fā)電的裝機(jī)容量是按光伏組件的標(biāo)稱總?cè)萘慷x該電站的額定容量，在早期很多設(shè)計(jì)人員依據(jù)傳統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)乃惴ň褪且越M件直流側(cè)的裝機(jī)容量為基準(zhǔn)值，乘以20%～30%的系數(shù)得出該電站的無功補(bǔ)償容量；比如，一個(gè)20MWp的光伏電站，按20%～30%的系數(shù)是配置無功補(bǔ)償容量就是（4～6）Mvar。但實(shí)際上，從目前已投產(chǎn)的光伏電站運(yùn)行實(shí)際發(fā)電系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，光伏電站的最高系統(tǒng)出力基本低于82%，地面電站平均系統(tǒng)出力80%以內(nèi)，分布式的平均系統(tǒng)出力在76%以內(nèi)。故針對(duì)不同地區(qū)的光伏電站，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)剌椪斩?、傾角朝向、送出線路線距離、配套電網(wǎng)等各種因素合適分析，得出更優(yōu)的無功補(bǔ)償配置方案。目前基本上新建的大型地面電站都是配置SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備。

2 光伏電站的無功損耗計(jì)算方式

光伏電站無功損耗計(jì)算主要包括光伏逆變器、變壓器、集電與送出線路三大主要組成部分的無功損耗的計(jì)算。光伏總體無功能損耗等于各組成部分損耗之和。

2.1 逆變器消耗或者發(fā)出的無功損耗計(jì)算

式中，QN為逆變器無功損耗容量（單位：Mvar）；sN為光伏電站的額定裝機(jī)容量,單位（單位：MWp）；K為平均系統(tǒng)出力，地面電站一般選取80%；COSθ為系統(tǒng)功率因素，逆變器末端一般選取0.99。

2.2 集電線路的無功損耗計(jì)算

式中，QL1為集電線路無功損耗容量總和（單位：Mvar）；n 為集電纜路分段線纜，(n=1,2….n)；N為集電電纜段數(shù)；UN為并網(wǎng)側(cè)輸出額定電壓（單位：kV）；COSθ為系統(tǒng)功率因素，電站末端一般選取0.98；ω為交流電的圓頻率,ω=2πf；Ln為第n段分段電纜的交流電感，共N段（單位：mH/km）；H為集電纜路分段線纜長(zhǎng)度，（單位：km）。

3 光伏電站的充電計(jì)算方式

3.1 集電線路的充電功率計(jì)算

式中，Qc1為集電線路充電功率總和（單位：Mvar）；n為集電纜路分段線纜，(n=1,2….n)；N為集電電纜段數(shù)；UN為并網(wǎng)側(cè)輸出額定電壓（單位：kV）；ω為交流電的圓頻率，ω=2πf；Cn為第n段分段電纜的交流電容，共N段（單位：uF/km）；H為集電纜路分段線纜長(zhǎng)度，（單位：km）。

3.2 送出線路的充電功率計(jì)算

式中，QC2為送出線路充電功率總和（單位：Mvar）；Ue為充電額定電壓（單位：kV）；Dm為架空線路的幾何均距=1.26×相導(dǎo)線間距；R為線芯半徑。

4 典型光伏電站案件無功率補(bǔ)償分析

本文選取廣東省粵北地區(qū)的1座20MWp地面并網(wǎng)式光伏電站，該電站總裝機(jī)容量為20.856MWp，全系統(tǒng)配置52800塊395Wp單晶硅組件，每24塊組件串聯(lián)為一串，每22串組件方陣并聯(lián)接入一臺(tái)196KW的并網(wǎng)式組串逆變器；然后每5臺(tái)逆變器輸入經(jīng)第一級(jí)匯流后接入一臺(tái)型號(hào)為SCB11-1000kVA-35/0.8kV的箱式升壓變壓器；每5臺(tái)箱式變壓器集電經(jīng)第二級(jí)匯流成一路，本電站共4條集電匯流線路；最后，把4條集電線路經(jīng)第三級(jí)匯流后接入新增的開閉站匯流成一路送入。送出線路采用一回路LGJ-240/400架空線路，其相導(dǎo)線間距2.5m，導(dǎo)線呈水平布置，送出線路總長(zhǎng)度為8km，接入最近的某110kV變電所中壓側(cè)35kV備用間隔。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)圖如圖1。

圖1 20MWp光伏電站系統(tǒng)圖

圖2 1MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)原理圖

本 項(xiàng) 目 采 用SCB11-1000kVA/38.5±2×2.5%/0.8kV Dyn11型號(hào)的變壓器，其主要參數(shù)見表1：

設(shè)計(jì)采用組串式并網(wǎng)逆變器交流側(cè)0.8kV母線距離變壓器輸入母線的比較近，故可忽略該部分低壓側(cè)的線路無功損耗及電容充電功率；在35kV交流側(cè)的主要使用YJV22-26/35類型的中壓電纜，型號(hào)分別為：3×50、3×70、3×185，其相關(guān)計(jì)算參數(shù)及數(shù)量以表1。

表1 升壓變壓技術(shù)參數(shù)與集電/送電線路物料清單

4.1 無功損耗的計(jì)算

（1）逆變器無功損耗：

（2）單臺(tái)變壓器無功損耗：QT=(6.5/100+0.4/100×0.82)×1=0.06756Mvar,則20臺(tái)變壓器的無功總損耗=1.351Mvar；

（3）每回集電線路無功損耗：QL1=0.58×10-4Mvar，則共4回路集電線路無功損耗=2.32×10-4Mvar；

（4）35kV送電線路無功損耗：QL2=1.006Mvar。

4.2 充電功率的計(jì)算

(1)每回集電線路充電功率：QC1=0.0269Mvar，則共4回路集電線路無功損耗=0.1076Mvar。(2)35kV送電線路經(jīng)查線路手冊(cè)和計(jì)算得電導(dǎo)：BC2=3.077×10-6S/km；則線路的充電功率：QC2=352×3.077×10-6×8=0.0302Mvar。

4.3 無功統(tǒng)計(jì)

光伏電站的無功補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)計(jì)分為兩種情況：一種情況是當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，電網(wǎng)調(diào)配能力較弱，供電部門不認(rèn)可并網(wǎng)逆變器輸出無功率補(bǔ)償，此時(shí)就需要單獨(dú)增加SVG無功補(bǔ)償設(shè)備；另一種情況當(dāng)?shù)毓╇婋娋W(wǎng)相對(duì)穩(wěn)當(dāng)，功率因素較高，電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)配能力較高，當(dāng)?shù)毓╇姴块T可以認(rèn)可并網(wǎng)逆變器的實(shí)際輸出無功輸出。故無功補(bǔ)償統(tǒng)計(jì)也分為兩種不同計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)供電部門認(rèn)可逆變器的無功輸出時(shí)，此時(shí)，光伏電站基本不需要裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置。當(dāng)供電部門不認(rèn)可逆變器的無功輸出時(shí)，此時(shí)，光伏電站缺額無功容量為4.775（Mvar），一般選擇5Mvar的SVG無功補(bǔ)償裝置即可；該數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)估算值的范圍內(nèi)，一般會(huì)得到當(dāng)?shù)毓╇姴块T的認(rèn)可。

5 結(jié)語

光伏電站的無功補(bǔ)償容量要根據(jù)電站所處地區(qū)輻照度、安裝傾角、當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與調(diào)配能力等綜合因素進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。必要時(shí)，需要利用軟件搭建模型進(jìn)行模擬與分析，以保證配置的無功補(bǔ)償容量在有效調(diào)節(jié)光伏電站送電線路的功率因素的同時(shí)，還應(yīng)使補(bǔ)償系統(tǒng)得到最大化的利用，從而為光伏電站節(jié)省前期的投入成本，為光伏發(fā)電“度電平價(jià)”上網(wǎng)做出更多的努力。