光伏发电站无功系统设计

2018-06-19陈国龙吕忠华温继胜

东北电力技术 2018年3期

李博，陈国龙，吕忠华，吴昊，温继胜

(1. 营口职业技术学院，辽宁营口 115000；2. 国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁沈阳 110015；3. 国网营口供电公司，辽宁营口 115000)

太阳能是降低污染、解决全球能源问题最有前景的技术途径，近年来随着光电转换元件转换能力的提高和价格的降低[1]，大容量光伏电站大量建设并并网发电。导致光伏电站和输电线路无功损耗也在增加[2]，为此需要光伏电站安装无功补偿装置，具备无功容量，以保证电网发生故障时，能满足低电压功率穿越，使整个电网的电压得到支持[3]。

光伏发电受白天和黑夜交替以及临时天气变化的影响，其出力周期性和不确定性也是很明显的[4]。因此，光伏电站的无功补偿容量及控制形式需要详细计算，精准控制[5]。

光伏电站内部无功源包括逆变器和无功补偿装置[5]，具备发出无功能力，大型光伏电站的无功电压控制涉及逆变器与无功补偿装置以及各逆变器的协调控制[6]，需要根据实际的电网情况，进行无功补偿设计，合理确定无功补偿装置容量，在不浪费资金的前提下，实现对电网电压的稳定控制。

1 设计方案

1.1 光伏发电站规模

以1座光伏电站为例，具体阐述光伏变电站无功补偿的设计理念及过程。发电站装机容量25 MWp，以1回66 kV架空线路送至某1座220 kV变电站。拟安装100 000块单片功率250 Wp的光伏组件，逆变器选用500 kW逆变器，共计50台。工程光伏阵列由25个1 MW多晶硅光伏组件子方阵组成。采用分块发电，集中并网的设计方案，将系统分成13个2 MWp并网发电单元。每个发电单元配置4台500 kW阵列逆变器，逆变器输出270 V三相交流，通过交流电缆分别连接到容量为2000 kVA升压变压器低压侧分裂绕组。35/0.27-0.27 kV升压变压器共计13台。

1.2 规程依据

根据国家标准《光伏发电站接入电力系统技术规定》(GB/T19964—2012)的要求，接入110 kV(66 kV)及以上电压等级公用电网的光伏发电站，其配置的容性无功容量应能够补偿光伏发电站满发时站内汇集线路、主变压器的全部感性无功及光伏发电站送出线路的一半感性无功之和；其配置的感性无功容量应能够补偿光伏发电站站内全部充电无功功率及光伏发电站送出线路的一半充电无功功率。

1.2.1 线路无功损耗及计算

线路无功损耗QL计算公式为QL=3I2X。

线路中流过的电流：

(1)

式中：P为线路有功功率，kW；U为线路线电压，kV；cosφ为线路功率因数。

线路等值阻抗：

X=xL

(2)

式中：x为导线单位长度电抗，Ω/km；L为线路长度，km。

线路充电容量为

Qc=U2ωC/1 000=U22πfcL/1 000

(3)

式中：f为线路频率，取值50 Hz；C为导线单相对地电容，μF；c为单位长度导线单相对地电容μF/km。

1.2.2 变压器无功损耗计算

光伏电站变压器无功损耗：

(4)

式中：QT为变压器无功损耗，kvar；n为变压器台数；Uk%为变压器短路电压百分值；I0%为变压器空载电流百分值；S为变压器运行视在功率，kVA；SN为变压器额定容量，kVA。

1.3 无功计算参数

光伏发电站通过66 kV线路T接至66 kV线路上，需保证220 kV变电站66 kV母线电压在规程允许范围内波动。相关线路及变压器参数如下：采用35 kV箱式变压器25台，容量1 000 kVA，空载损耗1 440 W，负载损耗12 150 W，空载电流I0%=1%，短路阻抗Ud%=6.5%。66 kV主变压器1台，容量25 000 kVA，空载损耗28 400 W，负载损耗105 300 W，空载电流I0%=0.6%，短路阻抗Ud%=9%。66 kV送出线路全长26.8 km，采用LGJ-240型导线，线路阻抗0.432 Ω/km。35 kV汇流线路共3回，每回所带光伏阵列容量8 MWp、8 MWp、9 MWp。导线选择YJV22-35kV/3×95 mm2电缆，35 kV升压变压器按等间距布置考虑，间距按0.25 km考虑，电抗按0.1 Ω/km计算。

1.4 计算结果

将参数输入到式(1)—(4)，计算结果如表1所示。

表1 无功损耗计算表 kvar

根据计算结果，本期工程投运后，光伏电站满发时35 kV汇集线无功损耗为14 kvar，箱变无功损耗为1 875 kvar，主变无功损耗为2 400 kvar，本工程接入66 kV送出线路新增无功损耗的一半为794 kvar，本工程35 kV线路充电功率为30 kvar，故本期综合最大无功损耗约为5 053 kvar。

根据国家标准《光伏发电站接入电力系统技术规定》(GB/T19964—2012)的要求，光伏发电站安装的并网逆变器应满足额定有功出力下功率因数在超前0.95～滞后0.95的范围内动态可调。并满足在图1所示矩形框内动态可调。

图1 逆变器无功出力范围

1.5 静态无功配置方案

本工程接入系统后综合最大无功损耗约为5 053 kvar。根据目前光伏设备厂商提供材料，光伏发电项目逆变器具备在功率因数超前0.95～滞后0.95水平运行的能力，即逆变器具备一定的发无功能力。

如将逆变器设定在功率因数为0.95，25 MWp光伏电站最大可发无功约8 225 kvar，此时光伏电站不但不会给电力系统带来任何无功负担，还可以贡献部分无功出力。

如将逆变器设定在功率因数0.98，发挥无功调节能力，25 MWp光伏电站最大可发无功约5 053 kvar，此时光伏电站并网点基本可以做到与系统零交换无功。

工程接入系统后，可以充分利用光伏逆变器自身发无功的能力，不配置静态无功补偿装置，满足光伏电站并网点的无功平衡和电压稳定。

2 光伏电站接入电网电压水平影响分析

考虑光伏电站未投运时，冬大负荷方式下接入点运行在年度电压下边界；冬小负荷方式下接入点运行在年度电压上边界。分别对光伏电站投运前、光伏电站投运后逆变器功率因数为1、光伏电站投运后逆变器功率因数为滞后0.98考虑，分析光伏电站投运对电网电压水平的影响(见图2)。

图2 冬小负荷系统电压动态曲线

正常方式下上端220 kV变电站电压稳定，66 kV侧电压基本维持在65.7～70.2 kV。

光伏电站投运，逆变器功率因数设置为1且不配置静态无功补偿装置，光伏电站的投运，对系统电压水平产生一定影响，正常运行方式下，220 kV变电站66 kV侧电压波动范围为65.7～70.3 kV。

光伏电站投运，逆变器功率因数为0.98，从而输出部分无功，抵消了电站内的无功损耗。因此，系统无需向光伏电站输送无功容量。此时，220 kV变电站66 kV侧电压波动范围为65.7～70.5 kV。

利用BPA模拟仿真系统运行50个周波后电站投入，出力满发，系统及升压站电压水平相比初始状态变化，变化过程中220 kV变电站66 kV母线电压水平为70.4 kV，光伏侧70.6 kV。考虑在光伏电站加装2.5 Mvar动态无功补偿装置。

光伏电站加装容量2.5 Mvar动态无功补偿装置后，在光伏机组突然投入运行时，220 kV变电站66 kV母线电压可以在无功补偿装置的作用下恢复到初始水平，但光伏侧66 kV母线电压高于初始水平0.2 kV。

综上所述，根据光伏电站接入点电网的特性、电压水平及电网实际情况，综合考虑光伏电站投运后对电力系统的影响，同时避免无功补偿设备不能充分发挥能力，造成投资浪费，该光伏电站可加装1台2.5 Mvar动态无功补偿装置。调节范围为-2.5～+2.5 Mvar。同时，考虑部分厂家逆变器实际运行中并不能满足功率因数在超前0.95～滞后0.95的范围内动态可调，可在升压站内预留1组电容器位置。