光伏發電站并網逆變器代替SVG集中式無功補償裝置探討

王 賓， 張 健

(1.四川水利職業技術學院，四川 崇州 611231；2.四川省電力設計院，四川 成都 610072)

1 概 述

2019年，我國光伏已經正式進入“平價時代”，在建設成本方面，目前國內光伏每瓦建設成本已從最初的40～50元降低至4～5元；在上網電價方面，光伏領跑基地項目通過競爭產生的上網電價，較當地光伏上網標桿電價每千瓦時下降0.19～0.31元，平均下降0.24元，其中最低電價為青海格爾木光伏領跑者基地0.31元/kWh，已低于當地燃煤標桿電價。光伏電站建設的“降本增效”成為光伏投資企業的首要考慮問題。

光伏建設的“降本”包括生產降本和技術降本兩個環節，生產降本包括降低組件、逆變器等主要設備的生產成本，技術降本包括應用新技術、新工藝等減少光伏發電的中間環節、可替代的設備等；“增效”包括提高組件、逆變器等設備的利用效率、減少電站的無功損失等方面。

本文要論述的主要問題就是在光伏電站的技術降本方面，即應用新技術、新工藝等減少光伏發電的中間環節，節省設備的投資。

2 光伏發電站的要求

我們先論述光伏發電站對無功補償裝置的配置和無功電源有些什么要求，再論述光伏發電站對光伏并網逆變器無功調節能力的要求。

2.1 光伏發電站對無功補償配置的要求

根據《光伏電站接入電力系統技術規定》(GB/T 19964-2012)的規定：

(1)光伏發電站的無功容量應按照分層和分區基本平衡的原則進行配置，并滿足檢修備用的要求[1]；

(2)通過10～35 kV電壓等級并網的光伏發電站功率因數應能在超前0.98～滯后0.98范圍內連續可調，有特殊要求時，可做適當調整以穩定電壓水平；

(3)對于通過110(66)kV及以上電壓等級并網的光伏發電站，無功容量配置應滿足下列要求：

①容性無功容量能夠補償光伏發電站滿發時站內匯集線路、主變壓器的感性無功及光伏發電站送出線路的一半感性無功之和；

② 感性無功容量能夠補償光伏電站自身的容性充電無功功率及光伏發電站送出線路的一半充電無功之和。

(4)對于通過220kV(或330kV)光伏發電匯集系統升壓至500kV(或750kV)電壓等級接入電網的光伏發電站群中的光伏發電站，無功容量配置宜滿足下列要求：

①容性無功容量能夠補償光伏發電站滿發時匯集線路、主變壓器的感性無功及光伏發電站送出線路的全部感性無功之和；

②感性無功容量能夠補償光伏電站自身的容性充電無功功率及光伏發電站送出線路的全部充電無功之和。

一般而言，光伏發電站中，變壓器的無功將占到整個電站無功的70%以上[2]，變壓器的無功損耗計算公式為：

式中QT為變壓器消耗的無功，S≈SN為變壓器的額定容量，UK%為變壓器的短路阻抗，I0%為變壓器的空載電流。

根據以上公式，計算出光伏發電站內，包括箱變和升壓主變的無功損耗值約為變壓器額定容量的16%左右，再加上光伏發電站內匯集線路、并網送出線路一半的無功損耗，站內需要補償的容性無功大約占并網容量的20%～30%左右，感性無功包括匯集線路充電無功功率及光伏發電站送出線路的一半充電無功之和，一般光伏發電站內所需補償的感性無功小于需要補償的容性無功。

由以上簡易計算可知，一個裝機容量為100 MWp的光伏發電站，所需要配置的SVG動態無功補償容量約為20～30 Mvar。

2.2 光伏發電站對無功電源的要求

根據《光伏發電站無功補償技術規范》(GB/T 29321-2012)的規定：

(1)光伏發電站的無功電源包括光伏并網逆變器和光伏發電站集中無功補償裝置；

(2)光伏發電站應充分利用并網逆變器的無功容量及其調節能力，當并網逆變器的無功容量不能滿足系統電壓與無功調節需要時，應在光伏發電站配置集中無功補償裝置，并綜合考慮光伏發電站各種出力水平和接入系統后各種運行工況下的暫態、動態過程，配置足夠的動態無功補償容量；

(3)光伏發電站的無功電源應能夠跟蹤光伏出力的波動及系統電壓控制要求并快速響應；

(4)光伏發電站的無功調節需求不同，所配置的無功補償裝置不同，其響應時間應根據光伏發電站接入電網后電網電壓調節需求后確定。光伏發電站動態無功響應時間應不大于30 ms。

以上4條規定了光伏發電站對無功電源的無功電壓控制的要求和動態無功響應時間的要求。

2.3 光伏發電站對光伏并網逆變器無功調節能力的要求

根據《光伏發電站無功補償技術規范》(GB/T 29321-2012)的規定：

(1)光伏發電站安裝的并網逆變器應滿足額定有功出力下功率因數在超前0.95～滯后0.95的范圍內動態可調，并應滿足在圖1中所示矩形框內動態可調。

圖1 逆變器無功出力范圍

(2)光伏發電站要充分利用并網逆變器的無功容量及其調節能力；當逆變器的無功容量不能滿足系統電壓調節需要時，應在光伏發電站集中配置適當容量的無功補償裝置，必要時加裝動態無功補償裝置。

2.4 光伏發電站對光伏并網逆變器無功控制的要求

根據《光伏發電站無功補償技術規范》(GB/T 29321-2012)的規定：

(1)光伏發電站并網逆變器應具有多種控制模式，包括恒電壓控制、恒功率因數控制和恒無功功率控制等，具備根據運行需要手動/自動切換模式的能力[3]。

(2)光伏發電站并網逆變器應在其無功調節范圍內按光伏發電站無功電壓控制系統的協調要求進行無功/電壓控制[4]。

3 光伏并網逆變器的無功調節功能

3.1 光伏并網逆變器的無功輸出能力

大部分光伏逆變器具備功率因數在超前0.9～滯后0.9連續可調的無功調節能力[5]。以某個光伏逆變器廠500 kW集中式并網光伏逆變器為例，在輸出500 kW有功功率的同時，可輸出大約最大242 kVar的無功功率，并在-242 kVar～+242 kVar范圍內連續可調。

圖2 光伏并網逆變器的無功輸出能力

500 kW光伏并網逆變器最大可發242 kVar的無功，逆變器最大無功達額定容量48.4%(242/500=48.4%)，遠遠大于光伏電站通常配置20～30%集中式無功補償(SVG)的容量，具有更好的電網無功調節能力。經過實際測試，逆變器無功輸出可達設定值242 kVar的90%以上，滿足國標GB/T 19964并網逆變器應滿足額定有功出力下功率因數在超前0.95～滯后0.95的范圍內動態可調要求。

3.2 光伏并網逆變器的無功調節動態響應時間[6]

該逆變器運行于恒電壓方式時，可根據實際電網電壓，按照Q～U曲線輸出相應的無功功率，響應時間小于30 ms，滿足《光伏發電站無功補償技術規范》(GB/T 29321-2012)對動態無功電源響應時間應不大于30 ms要求[7](經測試，單臺500 kW逆變器無功動態響應時間為27.733 ms)。

4 SVG集中式無功補償方式與并網逆變器無功補償技術方案比較

目前，電站現場采用的動態無功補償裝置SVG，容量配比為總容量的20～30%，即100 MW需要配置20～30 Mvar的SVG，技術方案如下圖3所示。單臺500 kW逆變器的無功輸出可達-242 kVar到+242 kVar，對于100 MW的光伏電站，所有逆變器可輸出的無功功率達-48 Mvar～+48 Mvar，滿足光伏電站的無功需求，因此，可利用光伏逆變器替代SVG裝置，技術方案如下圖3、圖4所示。

圖3 SVG集中無功補償技術方案

圖4 并網逆變器無功補償技術方案

表1 無功補償技術參數比較表

由以上技術參數的比較來看，并網逆變器的無功補償能力是優于SVG集中無功補償裝置的，再加上用并網逆變器替代SVG集中無功補償裝置后，能節省SVG設備的投資(目前，主流SVG設備價格大約在150～200/kVar，僅SVG設備一項就能節省約數百萬的費用)和設備的維護費用，并且也節省了光伏升壓站部分的占地面積(升壓站土地使用性質與光伏發電站本體土地不同，升壓站屬于永久性建設用地，光伏發電站本體用地屬于臨時租賃用地)。

目前，光伏并網逆變器取代取代傳統SVG無功補償裝置的測試工作已在部分光伏電站陸續展開，測試過程中，光伏電站原本配置的SVG裝置退出運行，所有無功指令要求全部由具備SVG功能的光伏逆變器來實現。測試結果均驗證了電站的無功控制能力，無功控制精度、無功響應時間、電網電壓控制精度及響應時間等各項指標均滿足國標的要求。這標志著在光伏電站中，不用配置傳統的 SVG 設備，光伏電站同樣可以通過國家標準，采用光伏逆變器內置的無功發生功能替代傳統SVG設備是一種技術發展趨勢。

5 結 語

單臺逆變器無功可達最大無功調節范圍達到逆變器額定功率的48.5%左右(即滿足超前0.9～滯后0.9連續可調)，滿足《光伏電站接入電力系統技術規定》(GB/T 19964-2012)的要求。單臺逆變器動態響應時間滿足《光伏發電站無功補償技術規范》(GB/T 29321-2012)動態無功響應時間不大于30 ms要求逆變器具備恒無功功率、恒電壓、恒功率因數三種控制模式，可手動/自動切換更改控制模式。未來具有無功調節功能的并網逆變器替代SVG集中式動態無功補償裝置是技術發展的趨勢，是我國光伏發電“平價上網”強有力的技術支撐。

在光伏電站的設計中，為滿足接入電網的相關要求，一般按照光伏電站并網容量的20%～30%配置SVG動態無功補償裝置，如果并網逆變器所具有的連續無功調節能力能滿足光伏電站并網的要求，那我們在光伏電站的建設中能節省數百萬的SVG動態無功設備的投資及數十萬的設備維護費用，并且可以減少升壓站永久性建設用地的占地面積，無疑在光伏發電平價上網的今天帶來更好的電站效益。