曾日峰
国网福建龙岩供电公司 福建 龙岩 364000
摘要：光伏发电作为一种新型可再生能源，日益受到重视，发展潜力巨大。为了保障电网稳定运行，光伏电站需配置一定的无功补偿装置。文章针对无功补偿容量配置问题，提出计算方法，并以某光伏电站为例，在一定计算原则和计算条件下，对电站感性和容性无功补偿装置容量进行严格计算，给出计算结果，提出了电站无功补偿配置容量建议。
关键词：光伏电站；无功补偿；容量；配置
1引言
当前，我国的能源结构以常规能源（煤、石油和天然气）为主，由于常规能源的不可再生性，势必使得能源的供需矛盾日益突出。太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生能源，是我国重要的能源资源，开发利用太阳能资源、发展光伏发电，有利于满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进经济发展。光伏发电开发还具备建设周期短、投资灵活、运行成本低等优点。为此，光伏发电日益受到重视，发展潜力巨大。
光伏发电一般只提供电网有功电能，即将太阳能光伏阵列的直流电能转换为与电网同频率、同相位的交流电能馈送给电网，并保证其具有较高的功率因数。由于太阳能具有不稳定和随机性特点，光伏电站发出的有功和无功变化较大，具有时变性，对电网影响较大，可能引起电网失稳甚至电压崩溃。因此，光伏电站需配置一定的无功补偿装置，在电网故障或异常时，向电网提供无功支持，防止电压崩溃。
光伏电站主要电气设备包括光伏电池阵列、直流汇流柜、逆变器及集电线路等设备，其中无功电源主要包括并网逆变器及集中无功补偿装置。按电网要求，光伏电站集中无功补偿装置需配置动态无功补偿装置，满足补偿装置的响应时间要求，但装置造价高昂，补偿容量配置过多，会造成投资浪费；配置过少，可能造成电站从电网吸收无功，电网电压会降低，影响电网安全。本文根据实际工程分析和计算，以武平岩前普集农光互补光伏电站为例，对光伏电站无功补偿的配置即容量计算进行探讨。
2 计算方法
2.1 变压器无功损耗的计算
变压器无功损耗的计算公式为：
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式中△Q-变压器无功损耗，kvar；
UK%-变压器短路电压百分数；
I0%-变压器空载电流百分数；
S-变压器的视在功率，kVA；
SN-变压器额定容量，kVA；
2.2 线路无功损耗计算
各级电压输电线输送电力时的无功损耗计算公式为：
△Q=（P/Ucosφ）2 X
式中△Q-输电线无功损耗，Mvar；
P-输电线上输送有功，MW；
U-输电线路电压，kV；
cosφ-输电线路上负荷功率因数；
X-输电线的电抗，Ω。
2.3 线路充电功率计算
输电线路电纳产生的充电功率QC计算公式为：
QC= U2ωC／1000= U22πfcL／1000
式中，QC -输电线路电纳产生的充电功率QC，kvar；
U-线路额定线电压，kV；
f-电力系统频率，取值50 Hz；
C-导线单相对地电容，μF；
c-单位长度导线单相对地电容，μF／km。
单回输电线路充电功率QC近似计算公式为：
QC=2.5 U2L//1000
式中，QC -单回输电线路电纳产生的充电功率QC，kvar；
U-线路额定线电压，Kv；
L-输电线路长度，km。
3 光伏电站并网工程实例
武平岩前普集农光互补光伏电站规划容量30MWp，一期安装完成10.44736MWp。太阳能电池组件选型为265Wp多晶硅电池，将每个支架的 22(多晶)块组件串联在一起，形成 1 个组件串。由2个汇流箱、2台630kW的逆变器及1台1250kVA的双绕组升压变压器组成1个光伏发电分系统。光伏电站共建设8组1.25MWp光伏发电分系统，每个1.25MWp光伏发电分系统示意图见图3-1。
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图3-1 光伏发电分系统示意图
3.1 无功补偿装置计算原则
光伏电站无功补偿装置计算原则如下：
（1）补偿光伏电站配套电气设备的无功损失，按照分层和分区基本平衡的原则进行无功补偿。
（2）光伏电站无功电源主要包括并网逆变器及集中无功补偿装置，无功负荷主要为分裂升压变，集电线路根据负载情况既可以是无功电源也是可以是无功负荷；
（3）光伏电站无功补偿容量与逆变器发电功率因数关系很大，根据文献2，光伏并网逆变器应能在超前0.95～滞后0.95的范围内连续可调；
（4）根据文献3，配置的容性无功容量补偿按完全补偿光伏电站满发时站内汇集系统、分裂升压变压器的全部感性无功及光伏电站送出线路的一半感性无功之和考虑；
（5）根据文献3，配置的感性无功容量能够补偿光伏电站自身的容性充电无功功率及光伏电站送出线路的一半充电无功功率。
3.2 无功补偿装置计算条件
光伏电站内主要电气设备及送出线路的主要参数如下：
（1）逆变器无功调节能力：配置集中无功补偿装置，不考虑逆变器无功调节能力。
（2）35kV箱变型号及参数：容量1250kVA；Ud=6.5%；空载电流按0.4％选择。
（3）光伏电站内低压集电电缆不作为光伏电站线缆无功损耗或无功电源的主要因素，只考虑35kV集电线路。35kV集电线路型号：35kV电力电缆：①YJV22-35-3×50，长约0.8km；②YJV22-35-3×70，长约0.5km。
（4）送出线路：根据接入系统推荐方案，武平岩前普集农光互补光伏电站以1回35kV线路接入110kV岩前变，采用35kV电力电缆YJV22-35-3×300，线路长度约1.7km。
3.3 无功补偿装置计算结果
武平岩前普集农光互补光伏电站无功补偿配置容量计算结果见表3-1。
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3.4 光伏电站无功补偿需配置容量选择
由表3-1可见，考虑逆变器功率因数及电站并网点功率因数均为1.0时，为了能够补偿光伏电站满发时站内汇集系统全部感性无功及光伏电站送出线路的一半感性无功，光伏电站采用电缆接入本期需配置容性无功容量0.56376Mvar；光伏电站零发时，为补偿光伏电站场内集电线路及送出线路的一半的充电功率，感性无功容量需求约0.10315Mvar。
根据文献4，当并网点电压在标称电压的90%~110%之间时，光伏发电站应能正常运行。变压器的和线路的无功损耗与电压的平方成反比，线路的充电功率与电压的平方成正比。当并网点电压为90％倍额定电压时，光伏电站配置的容性无功补偿容量为0.6057 Mvar，感性无功补偿容量为0.06517 Mvar；当并网点电压为110％额定电压时，光伏电站配置的容性无功补偿容量为0.54686 Mvar，感性无功补偿容量为0.11711 Mvar。
上述无功补偿装置作为光伏电站的无功电源，需满足《光伏发电站无功补偿技术规范》（GB/T29321-2012）要求，应能够跟踪光伏出力的波动及系统电压控制要求并快速响应。因此，要求动态连续可调。
为了增强光伏电站低电压耐受能力，降低脱网概率，建议光伏电站安装动态静止无功补偿器(SVC)或静止无功发生器(SVG) ，相对于普通的电容器组，SVC 或SVG价格较高，但容量可连续调节，且响应时间快(5～10ms)。将计算结果取整，容性无功补偿容量为0.7Mvar，感性无功补偿容量为0.2 Mvar。
4 结论
（1）为了早日实现碳中和目标，近年我国对可再生能源大力扶持，包括光伏电站可再生能源在电网比重越来越大。根据《光伏发电站无功补偿技术规范》（GB/T29321-2012）要求，建设光伏电站须按照分层和分区基本平衡的原则进行无功补偿。
（2）尽管光伏电站逆变器具有一定无功调节功能，光伏电站仍需配置一定的无功补偿容量，在电网故障或异常时，向电网提供无功支持，防止电压崩溃。
（3） 本文针对无功补偿容量配置问题，提出计算方法，并以武平岩前普集农光互补光伏电站无功补偿配置为例，在一定计算原则和计算条件下，对电站感性和容性无功补偿装置容量进行严格计算，给出计算结果，得出了电站无功补偿实际需配置的容量。
（4）在设备选型方面，宜选用SVC或SVG型装置进行补偿，以实现光伏电站无功的动态连续调节，保障光伏电站及电网的安全稳定运行。
（5） 上述举例的光伏电站投运后，其并网点功率因数均能达到国家标准规定的要求。本文所用计算方法可以推广应用到不同电压等级、不同容量的光伏电站无功补偿容量配置问题上。
参考文献：
1、朱彦玮、贾春娟、李玮等 大中型光伏电站无功补偿配置研究 电器与能效管理技术（2014NO.20）55~59
2、GB/T29321-2012.光伏发电站无功补偿技术规范
3、GB/T19964-2012.光伏发电站接入电力系统规定
4、Q/GDW1617-2015.光伏发电站接入电网技术规定
作者简介：曾日峰（1971-），男，工程师，从事电力工程设计与研究工作。