基于DIgSILENT的光伏电站无功特性分析及治理措施

唐会祥，张　庆，杜景远（.中国煤炭科工集团武汉设计研究院有限公司，武汉　430064；.国网山东省电力公司济南供电公司，济南　500）

基于DIgSILENT的光伏电站无功特性分析及治理措施

唐会祥1，张庆2，杜景远2
（1.中国煤炭科工集团武汉设计研究院有限公司，武汉430064；2.国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012）

太阳能光伏发电作为一种清洁可再生能源得到迅速的发展，为解决光伏发电接入电网无功电压问题，结合某光伏电站的接入系统实际情况，利用电力系统仿真软件DIgSILENT进行模型搭建，分析光伏电站的无功损耗及电压特性，并提出保证光伏电站可靠并网的无功补偿措施。

光伏电站；无功特性；仿真研究；DIgSILENT

0　引言

随着煤炭、石油等一次能源的日渐枯竭，能源与环境已成为当前全球最为关注的问题，特别是近几年来，太阳能光伏电站作为一种清洁能源得到迅速发展。与火力发电系统相比，光伏发电优点：无枯竭危险；无噪声，无污染排放；不受资源分布地域的限制；无需消耗燃料；能源质量高；建设周期短。但是也存在缺点：获得的能源同昼夜、阴晴及四季有关、照射的能量分布密度小［1］。

随着太阳能光伏电站的单机容量和电场规模日益增大，光伏电站接入电网的比例逐渐增加。由于太阳能光伏发电的运行特性不同于常规电源，其波动性强、随机性大及不可控性明显等特点影响电网运行的稳定性，特别是对光伏电站接入点电网电压水平的影响。当光伏机组并网运行或电网发生故障时，由于接入点电压降低引起系统无功功率变化，从而又影响电网系统电压，容易导致系统电压崩溃。当前主要采取无功补偿、无功功率的合理分布及带负荷调节变压器分接头等方法来解决电网电压稳定问题［2］。

为解决光伏电站接入电网电压稳定性问题，对接入系统的无功功率进行研究，并结合实际光伏电站接入电网系统，利用仿真软件DIgSILENT进行建模仿真运算，提出保证光伏电站可靠并网运行的无功补偿措施。

1　光伏电站系统电气结构

光伏电站系统一般可分为独立光伏电站系统和并网光伏电站系统，以并网光伏电站系统作为研究对象。目前，并网光伏电站一般采用两级升压的结构，当光伏阵列在受到太阳光辐射后，把太阳能转化为直流电，其直流电经汇流箱汇集，送入逆变器从而转换为交流电，再由低压变压器升压后，经低压电缆汇集至主变压器低压侧，最后经主变升压后并入电网系统［3］。以某光伏电站为研究对象，其电气结构图及接入系统如图1所示。

图1　光伏电站电气结构图及接入系统

2　光伏电站无功损耗仿真分析

结合光伏电站的实际情况，在仿真软件DIgSILENT中搭建了该光伏电站系统接入电网的仿真模型，通过仿真运算分析正常方式下光伏电站无功功率损耗［4-5］。

2.1逆变器功率输出变化

图2、图3是整个光伏电站所有方阵逆变器8月25日的有功功率和无功功率变化曲线（正值表示输出功率，负值表示吸收功率）。光伏电站的输出有功功率最大可以达到8MW左右，最小为零，对应的吸收无功功率最大可以达到-0.7Mvar，最小为零，变化范围较大，且波动频繁。

图2　光伏电站逆变器的有功功率变化曲线

通过比较可以发现，有功功率和无功功率的变化趋势一致，如图4所示。逆变器的无功吸收与有功输出比近似为一个恒定的值，即逆变器的输出功率因数近似为一个恒定的值，通过计算其平均值得到该功率因数近似为0.995，如图5所示。从而可以估计得到，当光伏电站满发时，电站的无功输出为-1Mvar左右。

图3　光伏电站逆变器的无功功率变化曲线

图4　光伏电站逆变器输出无功功率与有功功率的变化关系

图5　光伏电站逆变器输出功率因数

2.2线路及变压器无功损耗计算

忽略光伏电站线路的无功损耗，对于光伏电站升压变压器的无功损耗进行近似计算。根据等值模型采用8月25日数据进行仿真，比较光伏逆变器的无功损耗和整个光伏电站的无功损耗 （包括逆变器和升压变两部分的无功损耗），结果如图6所示。

图6中光伏电站的无功损耗包括逆变器的无功损耗和升压变的无功损耗两部分，逆变器无功损耗与实际的逆变器无功损耗基本上吻合。可知，升压变的无功损耗不容忽视，并且与逆变器的无功损耗相比波动较大，在光伏电站的有功输出较大时，升压变的无功损耗也比较大；在光伏电站的有功输出较小时，升压变的无功损耗也比较小。

图6　光伏逆变器无功损耗和整个光伏电站的无功损耗比较

取变压器额定容量为10MVA，高压侧交流电压为10 kV，变压器空载电流百分数为0.6，阻抗电压百分数为5.5。当光伏电站接近满发时，变压器几乎处于额定工作状态，其无功损耗ΔQT按照额定容量计算：

式中：ΔQ0为变压器空载无功损耗，为变压器空载电流占额定电流的百分数；ΔQk为变压器满载无功损耗为变压器阻抗电压占额定电压的百分数；Sc为变压器计算负荷；Sr为变压器额定容量。

通过计算，当光伏电站接近满发时，变压器的无功损耗近似为0.61Mvar。因此，光伏电站升压变的无功损耗在0～0.61Mvar之间波动，并且相对逆变器的无功损耗而言波动比较大。

3　光伏电站无功补偿措施

3.1无功补偿配置原理

在光伏电站中考虑使用DWZT型电压无功自动调节装置进行无功补偿。综合考虑逆变器以及升压变的无功损耗，整个光伏电站的无功损耗在0～1.31Mvar之间，并且随着光伏电站的有功功率输出的变化而变化，其波动比较频繁。在实际中，光伏电站几乎不能达到满发，所以在进行光伏电站的无功补偿时，无功补偿装置容量在1.5Mvar左右即可。故采用DWZT 10.5 kV-1500 kVar的无功补偿装置。

DWZT电压无功自动调节装置原理如图7所示。TV和TA对并网节点进行电压和电流信号的采集并输入控制器。控制器根据输入的电压、电流信号，来进行分接判断。电压调节器与电容器串联，接收控制器的指令，根据公式Q=2πfCU2，可以通过改变电容器的端电压，来调节电容器的输出容量，以满足系统无功补偿的要求。主变压器分接头接收控制器、调压控制器指令，并配合电压调节器和电容器，来对母线电压进行调节。整定控制器调节原则：在保证供电电压在允许变化范围的前提下，充分调节无功补偿控制器，以来实现电网无功功率的就地平衡。

图7　DWZT电压无功自动调节装置原理

DWZT无功补偿装置在运行时，一般将运行状态分为9个区域。对每个区域进行不同的控制方案，使得主变分接头以及电压调节器相互配合，实现无功和电压的稳定。最终目的是将电压和功率因数的范围控制在9时区内。对于各个区域的限值可自行整定，这里采用功率因数0.9～0.98，电压9.3～10.7 kV作为实例进行分析［6-7］。

3.2无功补偿结果分析

按照以上的无功补偿配置，在等值模型中添加无功补偿装置，并进行仿真，对无功补偿结果进行分析。

取8月25日数据，对光伏电站的无功损耗进行补偿，补偿结果如图8所示。

从图中可以看出，无功补偿装置的无功输出跟随光伏电站的无功损耗，经过无功补偿后，光伏电站的无功特性以及光伏电站的出口电压曲线如图9、图10所示。光伏电站的无功功率在零附近波动，功率因数接近于1，且当无功输出大于零时能及时通过调整，使无功输出回到负值，保证不向电网倒送无功。光伏电站的出口侧10 kV母线电压波动较小，基本稳定于1 pu左右。无功补偿装置中电容端电压的控制曲线如图11所示。

图8　光伏电站的无功特性和无功补偿装置的无功特性曲线

图9　无功补偿后的光伏电站的无功特性曲线

图10　光伏电站出口侧电压变化曲线

图11　无功补偿装置电容端电压变化曲线

4　结语

通过对光伏电站的无功特性进行分析，光伏电站的无功损耗主要包括光伏逆变器的无功损耗和变压器以及线路的无功损耗，光伏逆变器的无功损耗与其有功功率输出成一定的比例关系，功率因数近似为0.995。变压器的无功损耗随着有功输出的变化而变化，波动比较大。

本光伏电站中使用1.5MVar的DWZT电压无功自动补偿装置进行无功补偿。通过对该装置的变压器分接头和电容端电压的调节，实现了电压调节以及无功的补偿。通过DWZT型无功补偿装置的补偿作用，最终光伏电站的功率因数接近于1，出口侧10 kV母线电压基本上稳定。

［1］罗如意，林晔．世界光伏发电产业的发展与展望［J］．能源技术，2007，30（5）：290-302．

［2］朱彦玮，贾春娟．大中型光伏电站无功补偿配置研究［J］．电器与能效管理技术，2014（3）：55-59．

［3］李安定．太阳能光伏发电系统工程［M］．北京：北京工业大学出版社，2001．

［4］葛虎，毕锐．大型光伏电站无功电压控制研究［J］．电力系统保护与控制，2014，42（14）：45-51．

［5］晁阳．并网光伏发电系统无功电压控制研究［D］．重庆：重庆大学，2014.

［6］李升．变电站电压无功控制理论与设计［M］．北京：中国水利水电出版社，2009．

［7］STRUNZK， FLETCHERRH， CAMPBELLR， et al．Developingbenchmarkmodels for Low-voltagedistribution feeders［C］∥Power&EnergySocietyGeneral Meeting．Calgary，AB：IEEE，2009：1-3．

Reactive Power Characteristic Analysis and Com pensation M ethod for Photovoltaic Power Station Based on DIgSILENT

TANG Huixiang1，ZHANG Qing2，DU Jingyuan2
（1.Wuhan Design＆Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group，Wuhan 430064，China；2.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

As a clean and renewable energy，solar photovoltaic is developing rapidly.In order to solve the problem of reactive power voltage in the photovoltaic power station，simulation models are built based on the commercial simulation software-DIgSILENT according to actual parameters of the photovoltaic power station to analyze the reactive power loss and voltage characteristics.Finally a reactive power compensation method is proposed which can ensure the reliable interconnection for photovoltaic power stations.

photovoltaic powerstation；reactive power compensation；simulation；DIgSILENT

TM615

A

1007－9904（2016）04－0018－04

2015-11-16

唐会祥（1982），男，工程师，从事供配电设计工作。