無功補償裝置在某光伏發(fā)電站中的應用

李雪 賀金山 李偉

摘? 要：隨著社會的不斷發(fā)展，能源枯竭問題越來越嚴重，新型能源的開發(fā)與利用迫在眉睫。太陽能作為清潔型能源，被廣泛應用于光伏發(fā)電站中。但是由于光照條件時時變化，光伏組件性能不穩(wěn)定等因素限制，光伏發(fā)電站的發(fā)電量難以保障。因此，應結(jié)合發(fā)電站的實際情況，合理配置無功率補償裝置，為發(fā)電站各個系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行提供可靠保障。

關鍵詞：光伏發(fā)電站? 無功補償裝置? 應用原理? 容量計算? 位置選擇

光伏發(fā)電站以太陽能為輸入能量，因環(huán)境條件以及技術(shù)設備等多方因素干擾，其發(fā)電量難以固定不變。同時，電網(wǎng)還需要為逆變器、變壓器等設備倒供自用電。因此，就電網(wǎng)而言，光伏發(fā)電站不論是有功還是無功，都屬于實時變量的范疇，其波動幅度較大，在4個象限中均存在變化。

在光伏發(fā)電站的設計階段，并網(wǎng)逆變器的無功調(diào)節(jié)功能是最為重要的考量因素之一。假如逆變器的無功調(diào)節(jié)功能不符合供電系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)需求，則應合理配置無功補償設施，優(yōu)化光伏發(fā)電站的供電質(zhì)量以及供電效率。

1? 應用原理

在實際應用過程中，線路阻抗導致的有功功率消耗是降低光伏發(fā)電站并網(wǎng)電壓的元兇，有時甚至會引起系統(tǒng)穩(wěn)定性超標等問題。因此，為避免安全事故發(fā)生，光伏發(fā)電站在輸入給電網(wǎng)的同時，也應因地制宜，按照電網(wǎng)的實際需求適當輸入一些無功，以確保供電、送電、配電等流程均能安全、有序地開展。

光伏發(fā)電站的無功輸出能力是決定其無功控制效果好壞的重要因素。并網(wǎng)逆變器發(fā)出或者吸收無功功率的能力計算公式為：

（1）

其中：Pmax為并網(wǎng)逆變器的額定功率;

Pj為并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率。

光伏并網(wǎng)逆變器的視在功率受自身因素限制，其輸出的無功容量會隨著有功功率的增加而減少。從某種程度上來說，光伏電站輸出的有功功率的增加應該不會造成無功功率降低，有功輸出應該是與太陽能強度之間成正相關關系。當逆變器的輸入能量達到峰值后，會呈現(xiàn)下滑趨勢運行，進而影響并網(wǎng)逆變器的無功輸出情況。因此，光伏發(fā)電站的設計與應用在合理選擇逆變器外，還應加設無功補償裝置，以滿足供電系統(tǒng)對于無功功率輸出的具體要求。

靜止無功補償器（SVG）是光伏電站應用較為廣泛的無功補償措施。其關鍵技術(shù)在于利用快速導通/切斷的IGBT（半導體器件）、脈沖寬度調(diào)節(jié)技術(shù)等，搭建三相全控橋式整流逆變電路，將交流電傳入電網(wǎng)。為滿足電網(wǎng)對于有功與無功的需求，可以通過調(diào)節(jié)IGBT的觸發(fā)角控制逆變器的相位角以及輸出電壓的變化范圍，從而影響光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓值，促使光伏發(fā)電系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行。

2? 配置位置選擇

2.1 相關規(guī)定要求

針對無功功率，其最主要的配置原則就是要采取就地補償方式。由于光伏發(fā)電站的無功與有功往往是在低壓側(cè)出現(xiàn)不匹配的情況，因此，可以將無功補償裝置集中安裝在升壓變壓器的低壓一側(cè)。假如沒有升壓變壓器，則應考慮將動態(tài)無功補償裝置統(tǒng)一安裝在匯集處。

2.2 工程實例分析

某工程項目，為工商屋頂分布式結(jié)構(gòu)，發(fā)電目的為自給自足，余電主要用于上網(wǎng)。具體的接入方案如下：新建一開關站，電壓為10kV。在經(jīng)光伏發(fā)電站匯集后，將10kV電壓一點輸入到原發(fā)電廠的10kV母線。由于變電站隸屬于廠區(qū)管理，光伏發(fā)電站的開關站由投資方負責進行用電設備的管理調(diào)配。在設計過程中，應優(yōu)先對管理權(quán)限的統(tǒng)一性進行綜合考量，將無功補償裝置的安裝位置定在新建開關站。無功補償裝置的無功功率會經(jīng)由光伏進線直接進入到原變電站的10kV母線，其電流電壓的參考值根據(jù)光伏并網(wǎng)母線信號決定。

項目投入使用之后，相關人員普遍反映光伏發(fā)電站降低了廠區(qū)并網(wǎng)的功率因數(shù)。究其原因主要如下：無功補償裝置的電壓/電流是根據(jù)光伏發(fā)電站并網(wǎng)點取值的，只考慮了光伏發(fā)電站的無功補償效果，忽略了廠區(qū)自身負載變化導致的功率因數(shù)下降等問題，導致并網(wǎng)點與開關站之間的功率因素波動較大。在經(jīng)過優(yōu)化升級后，根據(jù)原廠變電站的實際產(chǎn)權(quán)分界點設計無功補償裝置的電壓/電流，從而避免因廠區(qū)以及光伏發(fā)電站自用電引起的功率因素降低現(xiàn)象的同時，有效避免了電網(wǎng)并網(wǎng)點的功率因素變化帶來的一系列問題。

3? 容量計算

3.1 相關標準要求及分析

在地電容以及元件電抗的作用下，光伏發(fā)電站中的變壓器、高低壓柜電纜以及橋架線等都會造成一定程度的無功功率損耗。考慮到光伏區(qū)的占地面積，電纜所消耗的無功功率可以忽略不計。按照規(guī)定，計算光伏發(fā)電站無功補償容量時，首先要考慮逆變器的無功調(diào)節(jié)能力，同時也要對變壓器、匯集線路以及送出線路的自用電損耗、無功功率等進行綜合分析。尤其是對于中、大型光伏發(fā)電站而言，應結(jié)合工程情況、電網(wǎng)需求，科學地選擇適合的無功補償裝置的技術(shù)參數(shù)，如類型、容量等。

3.1.1 升壓變壓器的無功損耗

升壓變的無功損耗主要有短路損耗與空載損耗兩大類。前者會隨著發(fā)電量的波動而發(fā)生變化;后者是固定值，包含鐵損、銅損等。

3.1.2 線路的無功損耗

光伏電站中的無功損耗可分為感性無功功率與容性無功功率。感性的是由線路或者電纜的電抗產(chǎn)生的;容性的是對地電容效應產(chǎn)生的。光伏電站的線纜或電路的形式多樣，有些以電纜線路為主;有些以架橋線路為主。

3.2 實際計算

還是以前面的工程舉例進行計算分析。配置無功補償裝置后，光伏電站接入電壓為10kV電網(wǎng)。相關計算公式如下：

容性無功補償量=（3.5S2L1+50S）kAar ? ? ? ?（2）

感性無功功率量= 40L2kVar ? ? ? ?（3）

其中：S為光伏電站的裝機容量，單位MAar;

L1為光伏電站送出線路長度，單位km;

L2為當電纜架空補償容量為1/40時，光伏電站的送出線路長度，單位km。

光伏電站公共連接點與并網(wǎng)點間的距離在80m左右，經(jīng)計算可以得出：容性無功補償量、感性無功補償量分別為126.75kAar、3.2kAar。同時需要維持并網(wǎng)點出的功率因素范圍在超前0.98～滯后0.98區(qū)間內(nèi)，且無償補充裝置能夠持續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)。此外，應針對諧波干擾，預留處理裝置位置。

4? 結(jié)語

綜上所述，某光伏發(fā)電站新建開關站的無功補償裝置應放置在10kV母線匯集點，根據(jù)原廠變電站的產(chǎn)權(quán)分界情況，結(jié)合無功功率、電壓以及功率因素等參數(shù)，配置1組無功補償裝置即可。額定補償容量為感性-0.15MVar到容性+0.15MVar，有連續(xù)調(diào)節(jié)功能，并且將動態(tài)響應時間保持在30ms以內(nèi)。

參考文獻

[1] 程勇.無功補償裝置在某光伏發(fā)電站中的應用[J].建材與裝飾，2019（23）：260-261.

[2] 王陽，查正發(fā)，于瑋，等.基于逆變器調(diào)相控制的無功遙調(diào)技術(shù)在大中型并網(wǎng)光伏發(fā)電站中的應用[J].中國電力，2014，47（11）：101-107.

[3] 鄧棣清，黃建中.生態(tài)脆弱帶上光伏發(fā)電站的生態(tài)環(huán)境管理策略探究[J].節(jié)能與環(huán)保，2019（8）：79-80.