基于DIgSILENT的光伏電站無功特性分析及治理措施

唐會祥，張　慶，杜景遠（.中國煤炭科工集團武漢設計研究院有限公司，武漢　430064；.國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南　500）

基于DIgSILENT的光伏電站無功特性分析及治理措施

唐會祥1，張慶2，杜景遠2
（1.中國煤炭科工集團武漢設計研究院有限公司，武漢430064；2.國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南250012）

太陽能光伏發電作為一種清潔可再生能源得到迅速的發展，為解決光伏發電接入電網無功電壓問題，結合某光伏電站的接入系統實際情況，利用電力系統仿真軟件DIgSILENT進行模型搭建，分析光伏電站的無功損耗及電壓特性，并提出保證光伏電站可靠并網的無功補償措施。

光伏電站；無功特性；仿真研究；DIgSILENT

0　引言

隨著煤炭、石油等一次能源的日漸枯竭，能源與環境已成為當前全球最為關注的問題，特別是近幾年來，太陽能光伏電站作為一種清潔能源得到迅速發展。與火力發電系統相比，光伏發電優點：無枯竭危險；無噪聲，無污染排放；不受資源分布地域的限制；無需消耗燃料；能源質量高；建設周期短。但是也存在缺點：獲得的能源同晝夜、陰晴及四季有關、照射的能量分布密度?。?］。

隨著太陽能光伏電站的單機容量和電場規模日益增大，光伏電站接入電網的比例逐漸增加。由于太陽能光伏發電的運行特性不同于常規電源，其波動性強、隨機性大及不可控性明顯等特點影響電網運行的穩定性，特別是對光伏電站接入點電網電壓水平的影響。當光伏機組并網運行或電網發生故障時，由于接入點電壓降低引起系統無功功率變化，從而又影響電網系統電壓，容易導致系統電壓崩潰。當前主要采取無功補償、無功功率的合理分布及帶負荷調節變壓器分接頭等方法來解決電網電壓穩定問題［2］。

為解決光伏電站接入電網電壓穩定性問題，對接入系統的無功功率進行研究，并結合實際光伏電站接入電網系統，利用仿真軟件DIgSILENT進行建模仿真運算，提出保證光伏電站可靠并網運行的無功補償措施。

1　光伏電站系統電氣結構

光伏電站系統一般可分為獨立光伏電站系統和并網光伏電站系統，以并網光伏電站系統作為研究對象。目前，并網光伏電站一般采用兩級升壓的結構，當光伏陣列在受到太陽光輻射后，把太陽能轉化為直流電，其直流電經匯流箱匯集，送入逆變器從而轉換為交流電，再由低壓變壓器升壓后，經低壓電纜匯集至主變壓器低壓側，最后經主變升壓后并入電網系統［3］。以某光伏電站為研究對象，其電氣結構圖及接入系統如圖1所示。

圖1　光伏電站電氣結構圖及接入系統

2　光伏電站無功損耗仿真分析

結合光伏電站的實際情況，在仿真軟件DIgSILENT中搭建了該光伏電站系統接入電網的仿真模型，通過仿真運算分析正常方式下光伏電站無功功率損耗［4-5］。

2.1逆變器功率輸出變化

圖2、圖3是整個光伏電站所有方陣逆變器8月25日的有功功率和無功功率變化曲線（正值表示輸出功率，負值表示吸收功率）。光伏電站的輸出有功功率最大可以達到8MW左右，最小為零，對應的吸收無功功率最大可以達到-0.7Mvar，最小為零，變化范圍較大，且波動頻繁。

圖2　光伏電站逆變器的有功功率變化曲線

通過比較可以發現，有功功率和無功功率的變化趨勢一致，如圖4所示。逆變器的無功吸收與有功輸出比近似為一個恒定的值，即逆變器的輸出功率因數近似為一個恒定的值，通過計算其平均值得到該功率因數近似為0.995，如圖5所示。從而可以估計得到，當光伏電站滿發時，電站的無功輸出為-1Mvar左右。

圖3　光伏電站逆變器的無功功率變化曲線

圖4　光伏電站逆變器輸出無功功率與有功功率的變化關系

圖5　光伏電站逆變器輸出功率因數

2.2線路及變壓器無功損耗計算

忽略光伏電站線路的無功損耗，對于光伏電站升壓變壓器的無功損耗進行近似計算。根據等值模型采用8月25日數據進行仿真，比較光伏逆變器的無功損耗和整個光伏電站的無功損耗 （包括逆變器和升壓變兩部分的無功損耗），結果如圖6所示。

圖6中光伏電站的無功損耗包括逆變器的無功損耗和升壓變的無功損耗兩部分，逆變器無功損耗與實際的逆變器無功損耗基本上吻合。可知，升壓變的無功損耗不容忽視，并且與逆變器的無功損耗相比波動較大，在光伏電站的有功輸出較大時，升壓變的無功損耗也比較大；在光伏電站的有功輸出較小時，升壓變的無功損耗也比較小。

圖6　光伏逆變器無功損耗和整個光伏電站的無功損耗比較

取變壓器額定容量為10MVA，高壓側交流電壓為10 kV，變壓器空載電流百分數為0.6，阻抗電壓百分數為5.5。當光伏電站接近滿發時，變壓器幾乎處于額定工作狀態，其無功損耗ΔQT按照額定容量計算：

式中：ΔQ0為變壓器空載無功損耗，為變壓器空載電流占額定電流的百分數；ΔQk為變壓器滿載無功損耗為變壓器阻抗電壓占額定電壓的百分數；Sc為變壓器計算負荷；Sr為變壓器額定容量。

通過計算，當光伏電站接近滿發時，變壓器的無功損耗近似為0.61Mvar。因此，光伏電站升壓變的無功損耗在0～0.61Mvar之間波動，并且相對逆變器的無功損耗而言波動比較大。

3　光伏電站無功補償措施

3.1無功補償配置原理

在光伏電站中考慮使用DWZT型電壓無功自動調節裝置進行無功補償。綜合考慮逆變器以及升壓變的無功損耗，整個光伏電站的無功損耗在0～1.31Mvar之間，并且隨著光伏電站的有功功率輸出的變化而變化，其波動比較頻繁。在實際中，光伏電站幾乎不能達到滿發，所以在進行光伏電站的無功補償時，無功補償裝置容量在1.5Mvar左右即可。故采用DWZT 10.5 kV-1500 kVar的無功補償裝置。

DWZT電壓無功自動調節裝置原理如圖7所示。TV和TA對并網節點進行電壓和電流信號的采集并輸入控制器?？刂破鞲鶕斎氲碾妷骸㈦娏餍盘枺瑏磉M行分接判斷。電壓調節器與電容器串聯，接收控制器的指令，根據公式Q=2πfCU2，可以通過改變電容器的端電壓，來調節電容器的輸出容量，以滿足系統無功補償的要求。主變壓器分接頭接收控制器、調壓控制器指令，并配合電壓調節器和電容器，來對母線電壓進行調節。整定控制器調節原則：在保證供電電壓在允許變化范圍的前提下，充分調節無功補償控制器，以來實現電網無功功率的就地平衡。

圖7　DWZT電壓無功自動調節裝置原理

DWZT無功補償裝置在運行時，一般將運行狀態分為9個區域。對每個區域進行不同的控制方案，使得主變分接頭以及電壓調節器相互配合，實現無功和電壓的穩定。最終目的是將電壓和功率因數的范圍控制在9時區內。對于各個區域的限值可自行整定，這里采用功率因數0.9～0.98，電壓9.3～10.7 kV作為實例進行分析［6-7］。

3.2無功補償結果分析

按照以上的無功補償配置，在等值模型中添加無功補償裝置，并進行仿真，對無功補償結果進行分析。

取8月25日數據，對光伏電站的無功損耗進行補償，補償結果如圖8所示。

從圖中可以看出，無功補償裝置的無功輸出跟隨光伏電站的無功損耗，經過無功補償后，光伏電站的無功特性以及光伏電站的出口電壓曲線如圖9、圖10所示。光伏電站的無功功率在零附近波動，功率因數接近于1，且當無功輸出大于零時能及時通過調整，使無功輸出回到負值，保證不向電網倒送無功。光伏電站的出口側10 kV母線電壓波動較小，基本穩定于1 pu左右。無功補償裝置中電容端電壓的控制曲線如圖11所示。

圖8　光伏電站的無功特性和無功補償裝置的無功特性曲線

圖9　無功補償后的光伏電站的無功特性曲線

圖10　光伏電站出口側電壓變化曲線

圖11　無功補償裝置電容端電壓變化曲線

4　結語

通過對光伏電站的無功特性進行分析，光伏電站的無功損耗主要包括光伏逆變器的無功損耗和變壓器以及線路的無功損耗，光伏逆變器的無功損耗與其有功功率輸出成一定的比例關系，功率因數近似為0.995。變壓器的無功損耗隨著有功輸出的變化而變化，波動比較大。

本光伏電站中使用1.5MVar的DWZT電壓無功自動補償裝置進行無功補償。通過對該裝置的變壓器分接頭和電容端電壓的調節，實現了電壓調節以及無功的補償。通過DWZT型無功補償裝置的補償作用，最終光伏電站的功率因數接近于1，出口側10 kV母線電壓基本上穩定。

［1］羅如意，林曄．世界光伏發電產業的發展與展望［J］．能源技術，2007，30（5）：290-302．

［2］朱彥瑋，賈春娟．大中型光伏電站無功補償配置研究［J］．電器與能效管理技術，2014（3）：55-59．

［3］李安定．太陽能光伏發電系統工程［M］．北京：北京工業大學出版社，2001．

［4］葛虎，畢銳．大型光伏電站無功電壓控制研究［J］．電力系統保護與控制，2014，42（14）：45-51．

［5］晁陽．并網光伏發電系統無功電壓控制研究［D］．重慶：重慶大學，2014.

［6］李升．變電站電壓無功控制理論與設計［M］．北京：中國水利水電出版社，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

唐會祥（1982），男，工程師，從事供配電設計工作。