无功补偿装置在某光伏发电站中的应用
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作者:李雪 贺金山 李伟
摘 要：随着社会的不断发展，能源枯竭问题越来越严重，新型能源的开发与利用迫在眉睫。太阳能作为清洁型能源，被广泛应用于光伏发电站中。但是由于光照条件时时变化，光伏组件性能不稳定等因素限制，光伏发电站的发电量难以保障。因此，应结合发电站的实际情况，合理配置无功率补偿装置，为发电站各个系统的安全、稳定运行提供可靠保障。
关键词：光伏发电站 无功补偿装置 应用原理 容量计算 位置选择
光伏发电站以太阳能为输入能量，因环境条件以及技术设备等多方因素干扰，其发电量难以固定不变。同时，电网还需要为逆变器、变压器等设备倒供自用电。因此，就电网而言，光伏发电站不论是有功还是无功，都属于实时变量的范畴，其波动幅度较大，在4个象限中均存在变化。
在光伏发电站的设计阶段，并网逆变器的无功调节功能是最为重要的考量因素之一。假如逆变器的无功调节功能不符合供电系统的电压调节需求，则应合理配置无功补偿设施，优化光伏发电站的供电质量以及供电效率。
1 应用原理
在实际应用过程中，线路阻抗导致的有功功率消耗是降低光伏发电站并网电压的元凶，有时甚至会引起系统稳定性超标等问题。因此，为避免安全事故发生，光伏发电站在输入给电网的同时，也应因地制宜，按照电网的实际需求适当输入一些无功，以确保供电、送电、配电等流程均能安全、有序地开展。
光伏发电站的无功输出能力是决定其无功控制效果好坏的重要因素。并网逆变器发出或者吸收无功功率的能力计算公式为：
（1）
其中：Pmax为并网逆变器的额定功率;
Pj为并网逆变器输出的有功功率。
光伏并网逆变器的视在功率受自身因素限制，其输出的无功容量会随着有功功率的增加而减少。从某种程度上来说，光伏电站输出的有功功率的增加应该不会造成无功功率降低，有功输出应该是与太阳能强度之间成正相关关系。当逆变器的输入能量达到峰值后，会呈现下滑趋势运行，进而影响并网逆变器的无功输出情况。因此，光伏发电站的设计与应用在合理选择逆变器外，还应加设无功补偿装置，以满足供电系统对于无功功率输出的具体要求。
静止无功补偿器（SVG）是光伏电站应用较为广泛的无功补偿措施。其关键技术在于利用快速导通/切断的IGBT（半导体器件）、脉冲宽度调节技术等，搭建三相全控桥式整流逆变电路，将交流电传入电网。为满足电网对于有功与无功的需求，可以通过调节IGBT的触发角控制逆变器的相位角以及输出电压的变化范围，从而影响光伏发电并网系统的电压值，促使光伏发电系统高效、稳定运行。
2 配置位置选择
2.1 相关规定要求
针对无功功率，其最主要的配置原则就是要采取就地补偿方式。由于光伏发电站的无功与有功往往是在低压侧出现不匹配的情况，因此，可以将无功补偿装置集中安装在升压变压器的低压一侧。假如没有升压变压器，则应考虑将动态无功补偿装置统一安装在汇集处。
2.2 工程实例分析
某工程项目，为工商屋顶分布式结构，发电目的为自给自足，余电主要用于上网。具体的接入方案如下：新建一开关站，电压为10kV。在经光伏发电站汇集后，将10kV电压一点输入到原发电厂的10kV母线。由于变电站隶属于厂区管理，光伏发电站的开关站由投资方负责进行用电设备的管理调配。在设计过程中，应优先对管理权限的统一性进行综合考量，将无功补偿装置的安装位置定在新建开关站。无功补偿装置的无功功率会经由光伏进线直接进入到原变电站的10kV母线，其电流电压的参考值根据光伏并网母线信号决定。
项目投入使用之后，相关人员普遍反映光伏发电站降低了厂区并网的功率因数。究其原因主要如下：无功补偿装置的电压/电流是根据光伏发电站并网点取值的，只考虑了光伏发电站的无功补偿效果，忽略了厂区自身负载变化导致的功率因数下降等问题，导致并网点与开关站之间的功率因素波动较大。在经过优化升级后，根据原厂变电站的实际产权分界点设计无功补偿装置的电压/电流，从而避免因厂区以及光伏发电站自用电引起的功率因素降低现象的同时，有效避免了电网并网点的功率因素变化带来的一系列问题。
3 容量计算
3.1 相关标准要求及分析
在地电容以及元件电抗的作用下，光伏发电站中的变压器、高低压柜电缆以及桥架线等都会造成一定程度的无功功率损耗。考虑到光伏区的占地面积，电缆所消耗的无功功率可以忽略不计。按照规定，计算光伏发电站无功补偿容量时，首先要考虑逆变器的无功调节能力，同时也要对变压器、汇集线路以及送出线路的自用电损耗、无功功率等进行综合分析。尤其是对于中、大型光伏发电站而言，应结合工程情况、电网需求，科学地选择适合的无功补偿装置的技术参数，如类型、容量等。
3.1.1 升压变压器的无功损耗
升压变的无功损耗主要有短路损耗与空载损耗两大类。前者会随著发电量的波动而发生变化;后者是固定值，包含铁损、铜损等。
3.1.2 线路的无功损耗
光伏电站中的无功损耗可分为感性无功功率与容性无功功率。感性的是由线路或者电缆的电抗产生的;容性的是对地电容效应产生的。光伏电站的线缆或电路的形式多样，有些以电缆线路为主;有些以架桥线路为主。
3.2 实际计算
还是以前面的工程举例进行计算分析。配置无功补偿装置后，光伏电站接入电压为10kV电网。相关计算公式如下：
容性无功补偿量=（3.5S2L1+50S）kAar （2）
感性无功功率量= 40L2kVar （3）
其中：S为光伏电站的装机容量，单位MAar;
L1为光伏电站送出线路长度，单位km;
L2为当电缆架空补偿容量为1/40时，光伏电站的送出线路长度，单位km。
光伏电站公共连接点与并网点间的距离在80m左右，经计算可以得出：容性无功补偿量、感性无功补偿量分别为126.75kAar、3.2kAar。同时需要维持并网点出的功率因素范围在超前0.98～滞后0.98区间内，且无偿补充装置能够持续动态调节。此外，应针对谐波干扰，预留处理装置位置。
4 结语
综上所述，某光伏发电站新建开关站的无功补偿装置应放置在10kV母线汇集点，根据原厂变电站的产权分界情况，结合无功功率、电压以及功率因素等参数，配置1组无功补偿装置即可。额定补偿容量为感性-0.15MVar到容性+0.15MVar，有连续调节功能，并且将动态响应时间保持在30ms以内。
参考文献
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