趙清松，王世成，張冠峰，程緒可

(1．沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2．遼寧省思極科技服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽 110141；3．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著人們對環(huán)境保護(hù)的日益重視，大力開發(fā)太陽能、風(fēng)能等新能源和可再生能源利用技術(shù)成為減少環(huán)境污染的重要措施。近幾年，國際光伏發(fā)電迅猛發(fā)展，光伏發(fā)電已由補(bǔ)充能源向替代能源過渡，并在大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電方面快速發(fā)展，我國出臺了一系列鼓勵和支持光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策措施，極大促進(jìn)了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏發(fā)電已是目前技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電方式之一。與傳統(tǒng)火電廠相比，光伏電站具有不同的生產(chǎn)特性。光伏發(fā)電出力的不確定性和波動性，使其接入電力系統(tǒng)后，對電網(wǎng)中的電壓穩(wěn)定、潮流分布、電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)控運(yùn)行等產(chǎn)生影響[1-5]。特別是大規(guī)模光伏發(fā)電接入后，對接入點(diǎn)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障或者光伏發(fā)電出力劇烈波動時，由于接入點(diǎn)電壓降低引起系統(tǒng)無功功率變化，進(jìn)而影響系統(tǒng)電壓，容易導(dǎo)致電壓崩潰[6-9]。

目前解決電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題的方法主要有：安裝無功補(bǔ)償裝置、合理分布無功功率及帶負(fù)荷調(diào)節(jié)變壓器分接頭等。根據(jù)GB19964—2012《光伏電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的要求，光伏電站的無功電源包括光伏并網(wǎng)逆變器及光伏發(fā)電站無功補(bǔ)償裝置。光伏電站安裝的并網(wǎng)逆變器應(yīng)滿足額定有功出力下功率因數(shù)在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)。光伏發(fā)電站要充分利用并網(wǎng)逆變器的無功容量及其調(diào)節(jié)能力；當(dāng)逆變器的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要時，應(yīng)在光伏發(fā)電站集中加裝適當(dāng)容量的無功補(bǔ)償裝置，必要時加裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置[10]。光伏逆變器為大功率四象限電力電子變流器，通過變流器控制可以實(shí)現(xiàn)有功、無功功率解耦，其自身無功調(diào)節(jié)能力可以應(yīng)用于光伏電站的無功功率調(diào)節(jié)。但由于逆變器無功調(diào)節(jié)能力有限，不同廠家控制策略不同，性能參差不齊，且響應(yīng)速度不能滿足快速調(diào)節(jié)需求，無法滿足系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)需求時須配備無功補(bǔ)償裝置，通過對逆變器和無功補(bǔ)償裝置協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)光伏電站無功功率調(diào)節(jié)，從而滿足電網(wǎng)對光伏電站的無功要求[11-13]。目前常用的補(bǔ)償裝置主要有：并聯(lián)電容器組、SVG、SVC等。SVG作為新一代無功補(bǔ)償裝置，在補(bǔ)償效果、功率密度和運(yùn)行效率等技術(shù)指標(biāo)上具有傳統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備無法比擬的優(yōu)勢，是目前解決配網(wǎng)尤其是快速變化的電網(wǎng)無功補(bǔ)償問題的重要手段[14-16]。

本文主要研究光伏電站靜態(tài)無功損耗分析，考慮系統(tǒng)不同電壓水平時，計(jì)算光伏電站在不同出力情況下箱式變壓器(以下簡稱箱變)、集電線路、主變壓器(以下簡稱主變)、外送線路的無功損耗情況，作為靜態(tài)無功配置的參考依據(jù)?？紤]不同負(fù)荷情況下，計(jì)算光伏電站不同出力水平對系統(tǒng)電壓的影響。光伏電站動態(tài)無功配置分析，計(jì)算新能源場站擾動包括新能源出力快速變化、站內(nèi)無功補(bǔ)償設(shè)備投切等動態(tài)變化對系統(tǒng)電壓的影響。從計(jì)算結(jié)果分析新能源電站靜態(tài)、動態(tài)無功資源需求及平衡情況，并進(jìn)行無功電壓分析，論述無功資源的控制策略、途徑及實(shí)現(xiàn)方式。對無功設(shè)備能力進(jìn)行評定，對光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)無功能力進(jìn)行評估，同時對是否配置以及擬配置的無功補(bǔ)償設(shè)備選型和配置方案提出建議，提出保證光伏電站并網(wǎng)可靠運(yùn)行的無功補(bǔ)償方案，為光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的無功電壓管理提供依據(jù)。

1 光伏電站電氣結(jié)構(gòu)及主要設(shè)備無功特性

1.1 光伏電站電氣結(jié)構(gòu)

某300 MW大型光伏電站接入系統(tǒng)主要由光伏組件、逆變器、箱變、站內(nèi)集電線路、主變和無功補(bǔ)償裝置組成。具體連接方式如圖1所示。光伏組件安裝在支架上，多塊組件組成1個光伏組件串，即1個光伏陣列，光伏陣列連接光伏逆變器，采用225 kW組串逆變器，逆變器出口電壓為800 V，連接箱變后出口電壓為35 kV，并通過集電線路將電能送入升壓站，在主變的作用下，將35 kV電壓升至220 kV，送入當(dāng)?shù)刈冸娬尽?/p>

圖1 某300 MW光伏電站主接線系統(tǒng)示意圖

1.2 主要設(shè)備無功特性

并網(wǎng)光伏逆變器具備功率因數(shù)在超前0.9～滯后0.9連續(xù)可調(diào)的無功調(diào)節(jié)能力。以某225 kW集中式并網(wǎng)光伏逆變器為例，在輸出225 kW有功功率的同時，可輸出大約最大109 kvar的無功功率，并在-109～+109 kvar范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。圖2為并網(wǎng)逆變器的無功輸出能力和出力范圍，大型光伏電站安裝的并網(wǎng)逆變器滿足額定有功出力下功率因數(shù)在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)，并滿足如圖2所示矩形框內(nèi)動態(tài)可調(diào)。光伏電站要充分利用并網(wǎng)逆變器的無功容量及其調(diào)節(jié)能力；當(dāng)逆變器的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要時，應(yīng)在光伏發(fā)電站集中加裝適當(dāng)容量的無功補(bǔ)償裝置，必要時加裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。另外根據(jù)GB/T 29321—2012《光伏發(fā)電站無功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定：①光伏發(fā)電站并網(wǎng)逆變器應(yīng)具有多種控制模式，包括恒電壓控制、恒功率因數(shù)控制和恒無功功率控制等，具備根據(jù)運(yùn)行需要手動/自動切換模式的能力；②光伏發(fā)電站并網(wǎng)逆變器應(yīng)在其無功調(diào)節(jié)范圍內(nèi)按光伏發(fā)電站無功電壓控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)要求進(jìn)行無功/電壓控制。

(a) 無功出力范圍

(b)無功輸出能力圖2 并網(wǎng)逆變器的無功輸出能力和出力范圍

光伏電站內(nèi)部的無功功率損耗主要來自箱變、主變和輸電線路。其中光伏發(fā)電站變壓器的無功損耗為站內(nèi)所有箱變無功損耗和主變無功損耗之和，一般占到整個電站無功損耗的70%以上，變壓器的無功損耗包括空載損耗(勵磁損耗)和漏抗中的損耗，如下。

(1)

式中：QLT為變壓器無功損耗；ΔQ0為變壓器空載無功損耗；ΔQT為變壓器漏抗無功損耗；PN,UN分別為變壓器的額定功率和額定電壓；S,U分別為變壓器的功率和電壓；BT為變壓器的對地電納；XT為變壓器的電抗；US%為變壓器的短路電壓；I0%為變壓器的空載電流。根據(jù)式(1)，計(jì)算出光伏發(fā)電站變壓器的無功損耗值約為變壓器額定容量的16%。

光伏電站輸電線路的無功損耗包括集電線路無功損耗和外送線路無功損耗，線路無功損耗由兩部分組成：其一為線路等值電抗中消耗的無功功率，這部分功率與負(fù)荷平方成正比；其二為對地等值電納消耗的無功功率(又稱充電功率)，由于這一部分無功功率是電容性的，因而事實(shí)上是發(fā)出無功功率，其大小與所加電壓的平方成正比而與線路上傳輸?shù)墓β薀o直接關(guān)系，線路無功損耗計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ΔQL為線路的無功損耗；ΔQX為線路中等值電抗的無功損耗；ΔQB為線路的充電功率；P1,P2,Q1,Q2分別為線路始末兩端的有功功率和無功功率；U1,U2分別為線路始末兩端的電壓；X為線路電抗；B為線路電納。

2 光伏電站靜態(tài)無功配置分析

無功容量配置應(yīng)符合下列要求：通過10～35 kV電壓等級并網(wǎng)的光伏發(fā)電站功率因數(shù)應(yīng)能在超前0.98～滯后0.98范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，有特殊要求時，可做調(diào)整以穩(wěn)定電壓水平。對于通過110(66)kV及以上電壓等級并網(wǎng)的光伏發(fā)電站，無功容量配置應(yīng)滿足下列要求：①容性無功容量能夠補(bǔ)償光伏發(fā)電站滿發(fā)時站內(nèi)匯集線路、主變壓器的感性無功及光伏發(fā)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(bǔ)償光伏發(fā)電站自身的容性充電無功功率及光伏發(fā)電站送出線路的一半充電無功功率之和。對于通過220 kV(或330 kV)光伏發(fā)電匯集系統(tǒng)升壓至500 kV(或750 kV)電壓等級接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站群中的光伏發(fā)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(bǔ)償光伏發(fā)電站滿發(fā)時匯集線路、主變的感性無功及光伏發(fā)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(bǔ)償光伏發(fā)電站自身的容性充電無功功率及光伏發(fā)電站送出線路的全部充電無功功率之和。

圖3為基于DigSILENT的光伏電站模型圖，其中具體參數(shù)如下：該光伏電站裝機(jī)容量300 MW，采取800 V-35 kV-220 kV兩級升壓并網(wǎng)的方式，全站共計(jì)組成91個3.15 MW和7個2.0 MW的光伏陣列系統(tǒng)。電氣主接線方式如下：采用14臺225 kW組串式逆變器與1臺容量為3150 kVA升壓雙繞組變壓器組成逆變升壓單元和9臺225 kW組串式逆變器與1臺容量為2000 kVA升壓雙繞組變壓器組成逆變升壓單元，逆變升壓單元高壓側(cè)采用集電線路接至35 kV開關(guān)柜，共有6條集電線路接入每座升壓站的35 V開關(guān)柜。主變?nèi)萘?50 MVA，額定變比220±8×1.25%/37 kV，阻抗電壓Uk%=16%，接線組別為YNd11，負(fù)載損耗565 kW，空載電流0.4%，空載損耗100 kW。箱變1額定容量3150 kVA，額定變比(37±2×2.5%)/0.8 kV，接線組別為Dyn11，阻抗電壓Uk%=6.5%，負(fù)載損耗35.5 kW，空載電流0.6%，空載損耗3.36 kW；箱變2額定容量2000 kVA，額定變比(37±2×2.5%)/0.8 kV，接線組別為Dyn11，阻抗電壓Uk%=6.5%，負(fù)載損耗24.6 kW，空載電流0.6%，空載損耗2.36 kW。站內(nèi)35 kV集電線路總長51.4 km，電阻0.98 Ω/km，電抗0.109 Ω/km。220 kV外送線路1長度61 km，220 kV外送線路2長度20.3 km，電阻0.0766 Ω/km，電抗0.3106 Ω/km。

圖3 基于DigSILENT的光伏電站模型圖

當(dāng)公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi)時，通過110(66)kV電壓等級接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站應(yīng)能夠控制光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓在標(biāo)稱電壓的97%～107%范圍內(nèi)。當(dāng)公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi)時，通過220 kV及以上電壓等級接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站應(yīng)能夠控制光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓在標(biāo)稱電壓的100%～110%范圍內(nèi)。通過DigSILENT仿真數(shù)據(jù)對靜態(tài)無功進(jìn)行計(jì)算，其中箱變滿負(fù)荷時無功損耗為11.64 Mvar，集電線路滿載時無功損耗1.68 Mvar，升壓變滿載時無功損耗46.23 Mvar；外送線路滿載時無功損耗11.55 Mvar，光伏電站無功損耗范圍0.4～71.10 Mvar。

通過對靜態(tài)無功損耗計(jì)算，可得出某300 MW光伏電站投運(yùn)后，無功容量需要配置范圍為0.4～71.10 Mvar。光伏逆變器可以做到功率因數(shù)超前0.95～滯后0.95可調(diào)，則最大無功能力為-98.61～98.61 Mvar，逆變器無功能力可以滿足靜態(tài)無功需求。

3 光伏電站動態(tài)無功配置分析

根據(jù)GB19964—2012《光伏電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的要求：當(dāng)公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi)時，光伏電站應(yīng)當(dāng)能夠控制光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的97%～107%范圍內(nèi)。光伏電站變電站的主變宜采用有載調(diào)壓變壓器，通過調(diào)整變電站主變分接頭控制站內(nèi)電壓，確保場內(nèi)光伏發(fā)電單元正常運(yùn)行。對300 MW光伏電站動態(tài)運(yùn)行工況下的電壓變化進(jìn)行分析，圖4為不同工況下母線電壓變化圖。根據(jù)光伏電站功率變化引起的電壓波動問題，開展仿真計(jì)算，觀察光伏功率波動對系統(tǒng)電壓造成的影響。

圖5為補(bǔ)償無功后母線電壓圖，由圖4(a)可以看出光伏電站電壓在230.00 kV上下波動，波動幅度在1.43 kV范圍內(nèi)，設(shè)定目標(biāo)電壓230.00 kV，光伏電站主變低壓側(cè)補(bǔ)償34 Mvar動態(tài)無功時，可實(shí)現(xiàn)電壓平穩(wěn)；由圖4(b)可以看出光伏電站電壓在238.00 kV上下波動，波動幅度在1.65 kV范圍內(nèi)，設(shè)定目標(biāo)電壓234.00 kV，光伏電站主變低壓側(cè)補(bǔ)償40 Mvar動態(tài)無功時，可實(shí)現(xiàn)電壓平穩(wěn)。綜上所述可以看出光伏電站母線電壓在出力變化時波動，當(dāng)補(bǔ)償40 Mvar的動態(tài)無功補(bǔ)償時，可以保證電壓穩(wěn)定。

(a)系統(tǒng)電壓低時，光伏電站由零至滿發(fā)時電壓變化

(b)系統(tǒng)電壓高時，光伏電站由零至滿發(fā)時電壓變化圖4 不同工況下母線電壓變化

(a)系統(tǒng)電壓低時，光伏電站由零至滿發(fā)時補(bǔ)償動態(tài)無功電壓變化

(b)系統(tǒng)電壓高時，光伏電站由零至滿發(fā)時補(bǔ)償動態(tài)無功電壓變化圖5 不同工況下無功補(bǔ)償后母線電壓變化

考慮地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的需求，300 MW光伏電站投運(yùn)后，建議主變低壓側(cè)配置總?cè)萘繛椤?0 Mvar的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，以光伏電站母線電壓為控制目標(biāo)，協(xié)調(diào)控制無功補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)出口電壓穩(wěn)定。光伏電站整體的無功控制策略：光伏電站控制并網(wǎng)點(diǎn)的母線電壓在100%～110%范圍內(nèi)運(yùn)行，充分利用光伏逆變器自身的無功調(diào)節(jié)能力，當(dāng)電壓高于設(shè)定值時，控制無功設(shè)備吸收無功功率，直至電壓降低到規(guī)定范圍內(nèi)，當(dāng)電壓低于設(shè)定值時，控制無功設(shè)備發(fā)出無功功率，直至電壓升高到規(guī)定范圍內(nèi)。根據(jù)光伏出力及無功情況，300 MW光伏電站投運(yùn)后光伏電站的并網(wǎng)點(diǎn)無功能力如表1所示。

表1 光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)無功能力

光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的無功出力能力在-74.88～209.71 Mvar，本表僅為理論計(jì)算值，實(shí)際無功出力能力需通過現(xiàn)場測試來確定，其中光伏電站容性和感性無功調(diào)節(jié)能力如圖6所示。

(a)容性無功輸出能力

(b)感性無功輸出能力圖6 300 MW光伏電站容性和感性無功調(diào)節(jié)能力

4 結(jié)論

本文對某300 MW光伏電站接入系統(tǒng)后對電網(wǎng)無功電壓的影響進(jìn)行了分析，300 MW光伏投運(yùn)后并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓及沿途變電站母線電壓變化范圍，結(jié)果表明，當(dāng)光伏逆變器功率因數(shù)超前0.95～滯后0.95可調(diào)時，各點(diǎn)電壓均能夠在正常范圍內(nèi)運(yùn)行，光伏電站靜態(tài)無功能力可以滿足系統(tǒng)要求。光伏電站功率變化引起的電壓波動情況，計(jì)算結(jié)果表明，滿發(fā)到出力為零，引起母線電壓降低3.45 kV左右，母線電壓最高236.31 kV，最低228.42 kV，并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)變電站站母線電壓最高237.97 kV，最低228.53 kV，建議該主變低壓側(cè)配置總?cè)萘繛椤?0 Mvar的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，以光伏電站母線電壓為控制目標(biāo)，協(xié)調(diào)控制無功補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)出口電壓穩(wěn)定。光伏電站光伏根據(jù)調(diào)度指令自動發(fā)出或吸收無功功率，控制光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的母線電壓在100%～110%范圍內(nèi)運(yùn)行時。充分利用光伏自身的無功調(diào)節(jié)能力，當(dāng)電壓高于設(shè)定值時，控制無功設(shè)備吸收無功功率，直至電壓降低到規(guī)定范圍內(nèi)，當(dāng)電壓低于設(shè)定值時，控制無功設(shè)備發(fā)出無功功率，直至電壓升高到規(guī)定范圍內(nèi)。