分期开发的光伏电站无功补偿容量计算

索志刚+赵思涵

摘 要：光伏电站的无功补偿配置对其稳定运行至关重要。结合光伏电站的系统构成，通过计算光伏电站的箱式变压器、集电线路、升压变压器和光伏电站送出线路等各个部分的无功损耗，得出光伏电站无功补偿的计算结果。以实际并网光伏电站为例，结合光伏电站规划容量、分期开发容量等实际问题进行无功补偿容量的计算；对分期建设的升压站主变低压侧进行无功补偿装置配置的说明，并提出对无功补偿装置的具体要求，以指导分期开发建设的光伏电站工程设计中的升压站内的无功配置。

关键词：光伏电站；无功损耗；无功补偿；分期开发

中图分类号：TM714.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.090

近年来，光伏发电作为新型可再生能源技术得到国家政策的大力支持，我国光伏发电将进入一个快速发展的时期。光伏发电是一种特殊的电力，它的原动力是太阳光，然而太阳光的变化是很难预测的，太阳光的变化影响着光伏发电的出力。由于这种功率的不稳定性，光伏发电具有许多不同于常规能源发电的特点。光伏电站的并网运行对电网的电能质量、安全稳定等诸多方面带来负面的影响。其中，光伏电站的无功补偿对光伏电站的稳定运行至关重要，光伏电站正常运行时，所发电力通过光伏子方阵的箱式变压器、集电线路、升压主变压器、送出线路接入电网，因此光伏电站的各级变压器、线路存在无功损耗。目前，光伏电站安装集中无功补偿装置进行补偿。本文根据光伏电站的无功损耗构成，进行光伏电站的无功补偿计算，并结合实际工程中分期开发的情况，对分期开发的光伏电站的无功补偿进行分析，并得出结论。

1 光伏发电系统构成

大容量光伏电站多采用分块发电、集中并网方案，由多晶硅电池组串、汇流设备、逆变设备、开关设备构成电池子方阵，多个电池子方阵构成电池阵列。

太阳能电池将太阳能转换为电能，再经逆变器转换为交流电能，逆变器出口电压为315 V或270 V，需经升压变压器升压至并网电压等级后接入电网。

根据光伏电站容量及并网电压等级来确定升压方式，并网电压等级为35 kV，只需一级升压；如果并网电压等级为110 kV/220 kV，则需两级升压。逆变器出口电压经箱式变压器升压站35 kV后，经多回35 kV集电线路接至主变压器升压至110 kV/220 kV电压等级，再利用送出线路接入电网。

2 光伏电站无功损耗构成

光伏电站主要由光伏组件、逆变器、箱式变压器、集电线路、主变压器等电气元件构成。光伏电站的无功损耗主要来自于以下几部分：①箱式变压器。箱式变压器将光伏电压由315 V或270 V升压至35 kV，光伏电站一般采用分块布置，按1 MW为1个子方阵，每个子方阵多采用1台1 MVA双分裂绕组升压变压器升压至35 kV。②集电线路。光伏电站的电力经过箱式变压器升压后通过35 kV集电线路将电力送至升压站主变压器的低压侧；光伏电站的装机容量、场地地形不同，则集电线路回路数、长度均有所不同。③升压变压器。光伏电站升压站内升压变压器将集电线路送来的电力升压后送出，主变压器的容量一般根据光伏电站的装机容量来确定。④送出线路。升压变压器将光伏电力升压后经送电线路接入电力系统。

3 光伏电站无功损耗的计算

3.1 光伏电站模型

本文取典型的光伏电站接入电网方案为例进行研究分析。山西北部电网某光伏电站总装机容量100 MW，分两期开发，其中一期、二期的装机容量均为50 MW，每期的开发情况如下：50 MW均分100个500 kWp光伏发电单元，每两个发电单元与1台1 000 kVA的分裂变压器组合升压后，以5回35 kV集電线路接入升压站35 kV母线，再通过1台容量为50 MVA的35/110 kV的双绕组变压器升压至110 kV后接入电网。

其中，1 000 kVA、35 kV分裂升压变压器阻抗为6.5%；5回35 kV集电线路采用电缆，合计16.9 km；110 kV送出线路为JL/G1A-300，14 km。

3.2 箱变的无功损耗

式（1）（2）（3）中：XT为变压器电抗的有名值；P和Q分别为通过变压器的有功功率和无功功率；n为变压器并列运行的台数；Se为变压器额定容量；Uk%为短路阻抗。

本例中P=1 000 kW，Se=1000 kVA，n=1，Uk%=6.5%，代入式（3）。经计算，单台箱式变压器的无功损耗为0.065 MVar；光伏电站一期50 MW合计50台箱式变压器的总无功损耗为3.25 Mvar。

3.3 集电线路的无功损耗

光伏发电单元的电力经逆变器、箱式变压器逆变升压后通过集电线路送至升压站，光伏电站的集电线路一般采用电缆，电缆的r<

式（4）中：Qc为充电功率，MVar；qc为单千米的充电功率，取值为0.064 6 MVar/km；L为电缆总长度，取16.9 km。

将上述变量取值代入式（4）。经计算，该光伏电站35 kV集电线路的充电功率为1.091 7 MVar。

3.4 送出线路的无功损耗

对于光伏电站规划容量100 MW而言，Q取0，P=100 MW，110 kV导线截面为JL/G1A-300，其单位长度电抗x=0.382 Ω/km，X=5.348 Ω；U=115 kV。将以上参数代入式（6），得出未考虑线路充电功率时的无功损耗为4.044 MVar。但对于110 kV架空线路，当光伏电站零发时，存在充电功率，其单位长度的充电功率qc=0.382 MVar/km，L=14 km。代入式（4），得出充电功率为0.476 MVar。

送出线路的无功损耗扣除充电功率后，得出输送100 MW容量时，线路的无功损耗为3.568 MVar，并折算至一期50 MVA主变后，得出送出线路的无功损耗为1.784 MVar。

3.5 升压变压器的无功损耗

其中，考虑电压不变化，取U≈Ue，可简化为：

其中，n=1，Uk%=10.5%，S=Se=50 MVA，U=Ue，代入式（9）可得光伏电站一期主变50 MVA的无功损耗为5.25 MVar。

3.6 光伏电站一期无功补偿容量

根据文献[4]中6.2.3，对于通过110（66） kV及以上电压等级并网的光伏发电站，无功容量配置应该满足下列要求：①容性无功容量能够补偿光伏发电站满发时站内汇集线路、主变压器的感性无功及光伏发电站送出线路的一半感性无功之和；②感性无功补偿能够补偿光伏发电站自身的容量充电功率及光伏发电站送出线路的一半充电功率之和。

经以上计算，光伏电站满发时，综合考虑箱变、升压主变的感性损耗及送出线路的一半的感功损耗合计为9.392 MVar；光伏电站零发时，综合考虑集电线路的充电功率、送出线路一半充电功率为1.328 MVar。因此在光伏电站一期升压站内50 MVA主变低压侧配置有效补偿容量10 Mvar容性至2 Mvar感性的动态可连续调节的无功补偿装。

4 光伏电站分期开发的无功补偿配置分析

对于算例中的规划容量100 MW的光伏电站，分期开发建设。如果升压主变压器容量为1×100 MVA，则送出线路的无功损耗扣除充电功率后，输送100 MW容量时线路的无功损耗为3.568 MVar，不必按照分期容量分摊。如果升压主变为2×50 MVA，则送出线路的无功损耗扣除充电功率后需按照一期容量占规划总容量的比例进行分摊计算；待二期投产时，计算原则同一期。

5 结论

通过本文的论述，得出以下结论：①光伏电站的无功补偿容量需经电气计算得出，且无功补偿装置应该能够实现动态的连续调节，以控制并网点电压的能力，调节速度应能满足电网电压调节的需要；②光伏电站的無功损耗应考虑箱式变压器、集电线路、升压主变压器、送出线路的损耗；③分期开发建设的光伏电站的无功损耗应结合分期开发容量以及分期建设的升压主变压器容量进行考虑，其中，送出线路的无功损耗应考虑本期开发容量占规划容量的比例分摊；④在送出线路无功损耗较大的情况下，接入站点的系统变电站侧应按送出线路无功损耗的一半补偿。

参考文献

[1]易东方.电力工程设计手册[M].北京：中国电力出版社，1989.

[2]纪雯.电力系统设计手册[M].北京：中国电力出版社，1998.

[3]国家质量监督检测检疫总局.GB/T 29321—2012 光伏发电站无功补偿技术规范[S].北京：中国标准出版社，2012.

[4]国家质量监督检测检疫总局.GB/T 19964—2012 光伏发电站接入电力系统技术规定[S].北京：中国标准出版社，2012.

作者简介：索志刚（1984—），男，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统安全稳定控制系统理论及装置、智能变电站优化设计等。赵思涵（1985—），女，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统、继电保护原理及技术，超高压电网维护等。

〔编辑：刘晓芳〕