關于光伏電站無功補償容量的設計分析與探討

柯學進

（廣州市寧大新能源科技有限公司，廣東 廣州 510700）

1 前言

光伏發電的裝機容量是按光伏組件的標稱總容量定義該電站的額定容量，在早期很多設計人員依據傳統無功補償的算法就是以組件直流側的裝機容量為基準值，乘以20%～30%的系數得出該電站的無功補償容量；比如，一個20MWp的光伏電站，按20%～30%的系數是配置無功補償容量就是（4～6）Mvar。但實際上，從目前已投產的光伏電站運行實際發電系統出力數據進行統計，光伏電站的最高系統出力基本低于82%，地面電站平均系統出力80%以內，分布式的平均系統出力在76%以內。故針對不同地區的光伏電站，應根據當地輻照度、傾角朝向、送出線路線距離、配套電網等各種因素合適分析，得出更優的無功補償配置方案。目前基本上新建的大型地面電站都是配置SVG動態無功補償設備。

2 光伏電站的無功損耗計算方式

光伏電站無功損耗計算主要包括光伏逆變器、變壓器、集電與送出線路三大主要組成部分的無功損耗的計算。光伏總體無功能損耗等于各組成部分損耗之和。

2.1 逆變器消耗或者發出的無功損耗計算

式中，QN為逆變器無功損耗容量（單位：Mvar）；sN為光伏電站的額定裝機容量,單位（單位：MWp）；K為平均系統出力，地面電站一般選取80%；COSθ為系統功率因素，逆變器末端一般選取0.99。

2.2 集電線路的無功損耗計算

式中，QL1為集電線路無功損耗容量總和（單位：Mvar）；n 為集電纜路分段線纜，(n=1,2….n)；N為集電電纜段數；UN為并網側輸出額定電壓（單位：kV）；COSθ為系統功率因素，電站末端一般選取0.98；ω為交流電的圓頻率,ω=2πf；Ln為第n段分段電纜的交流電感，共N段（單位：mH/km）；H為集電纜路分段線纜長度，（單位：km）。

3 光伏電站的充電計算方式

3.1 集電線路的充電功率計算

式中，Qc1為集電線路充電功率總和（單位：Mvar）；n為集電纜路分段線纜，(n=1,2….n)；N為集電電纜段數；UN為并網側輸出額定電壓（單位：kV）；ω為交流電的圓頻率，ω=2πf；Cn為第n段分段電纜的交流電容，共N段（單位：uF/km）；H為集電纜路分段線纜長度，（單位：km）。

3.2 送出線路的充電功率計算

式中，QC2為送出線路充電功率總和（單位：Mvar）；Ue為充電額定電壓（單位：kV）；Dm為架空線路的幾何均距=1.26×相導線間距；R為線芯半徑。

4 典型光伏電站案件無功率補償分析

本文選取廣東省粵北地區的1座20MWp地面并網式光伏電站，該電站總裝機容量為20.856MWp，全系統配置52800塊395Wp單晶硅組件，每24塊組件串聯為一串，每22串組件方陣并聯接入一臺196KW的并網式組串逆變器；然后每5臺逆變器輸入經第一級匯流后接入一臺型號為SCB11-1000kVA-35/0.8kV的箱式升壓變壓器；每5臺箱式變壓器集電經第二級匯流成一路，本電站共4條集電匯流線路；最后，把4條集電線路經第三級匯流后接入新增的開閉站匯流成一路送入。送出線路采用一回路LGJ-240/400架空線路，其相導線間距2.5m，導線呈水平布置，送出線路總長度為8km，接入最近的某110kV變電所中壓側35kV備用間隔。光伏并網發電系統圖如圖1。

圖1 20MWp光伏電站系統圖

圖2 1MWp光伏發電系統原理圖

本 項 目 采 用SCB11-1000kVA/38.5±2×2.5%/0.8kV Dyn11型號的變壓器，其主要參數見表1：

設計采用組串式并網逆變器交流側0.8kV母線距離變壓器輸入母線的比較近，故可忽略該部分低壓側的線路無功損耗及電容充電功率；在35kV交流側的主要使用YJV22-26/35類型的中壓電纜，型號分別為：3×50、3×70、3×185，其相關計算參數及數量以表1。

表1 升壓變壓技術參數與集電/送電線路物料清單

4.1 無功損耗的計算

（1）逆變器無功損耗：

（2）單臺變壓器無功損耗：QT=(6.5/100+0.4/100×0.82)×1=0.06756Mvar,則20臺變壓器的無功總損耗=1.351Mvar；

（3）每回集電線路無功損耗：QL1=0.58×10-4Mvar，則共4回路集電線路無功損耗=2.32×10-4Mvar；

（4）35kV送電線路無功損耗：QL2=1.006Mvar。

4.2 充電功率的計算

(1)每回集電線路充電功率：QC1=0.0269Mvar，則共4回路集電線路無功損耗=0.1076Mvar。(2)35kV送電線路經查線路手冊和計算得電導：BC2=3.077×10-6S/km；則線路的充電功率：QC2=352×3.077×10-6×8=0.0302Mvar。

4.3 無功統計

光伏電站的無功補償的統計分為兩種情況：一種情況是當地電網系統穩定性較差，電網調配能力較弱，供電部門不認可并網逆變器輸出無功率補償，此時就需要單獨增加SVG無功補償設備；另一種情況當地供電電網相對穩當，功率因素較高，電網系統調配能力較高，當地供電部門可以認可并網逆變器的實際輸出無功輸出。故無功補償統計也分為兩種不同計算統計結果，當供電部門認可逆變器的無功輸出時，此時，光伏電站基本不需要裝設無功補償裝置。當供電部門不認可逆變器的無功輸出時，此時，光伏電站缺額無功容量為4.775（Mvar），一般選擇5Mvar的SVG無功補償裝置即可；該數據在傳統經驗估算值的范圍內，一般會得到當地供電部門的認可。

5 結語

光伏電站的無功補償容量要根據電站所處地區輻照度、安裝傾角、當地電網系統的穩定性與調配能力等綜合因素進行設計選型。必要時，需要利用軟件搭建模型進行模擬與分析，以保證配置的無功補償容量在有效調節光伏電站送電線路的功率因素的同時，還應使補償系統得到最大化的利用，從而為光伏電站節省前期的投入成本，為光伏發電“度電平價”上網做出更多的努力。