光伏电站无功补偿容量选择与讨论

摘 要：光伏发电作为一种新型能源，正在被人们所认识与接受。2013年，全国各地均出现了光伏电站的抢装潮，随着光伏电站并网比例的不断升高，光伏电站中无功补偿的投入与建设成本成为学者及设计人员关注的焦点。文章通过对大型光伏电站无功损耗的计算，选择出合理的补偿容量，与使用传统的无功补偿容量配置计算方法进行比较，得出无功补偿容量的最优配置原则。

关键词：光伏发电；无功补偿

引言

随着全球能源消耗的不断增长，正当石油天然气能源渐见拮据、煤炭能源污染加剧、电供应日益成为"卡脖颈"问题的时候，太阳能引起了人们更多的关注。近年来，由于全国各地新的光伏政策的不断出台，各类有关于光伏发电产业的利好消息日渐增多，各地出现了一片光伏电站的抢装热潮，与此同时也带动了光伏相关行业的发展。静止无功发生器（SVG）作为静止无功补偿器（SVC）的更新换代产品越来越多的应用在各光伏电站中。文章选取青海当地1座20MW光伏电站为项目案例，对该电站的无功损耗进行计算，得出该电站无功补偿装置的容量配置，并与传统无功补偿装置容量配置进行比较，得出光伏电站无功补偿装置容量最优配置方案。

1 光伏电站无功损耗

光伏电站无功损耗计算主要为线路无功损耗计算、变压器无功损耗计算。可通过计算以上损耗之和得出无功补偿所需配置容量。

1.1 线路无功损耗计算

QL=3I2X

QL-线路电抗产生的无功损耗，kvar；I-线路额定功率下电流，A

I=P/（√3 U cos ？椎）

P-线路额定功率，kW；U-线路额定线电压kv；cos -功率因数；X-线路等值电抗；

X=xL

x-导线单位长度电抗，Ω/km；L-线路长度，km。

1.2 单台变压器无功损耗计算

-变压器无功损耗，kvar； -变压器短路电压百分比； -变压器空载电流百分比； -负载系数； -变压器额定容量，kvA.

1.3 系统无功功率损耗

Q=QL+QT

2 典型光伏电站无功损耗计算

文章选取青海当地1座20MW光伏电站为项目案例，该电站装机容量为20MW，分为20个1MW光伏发电单元，20个发电单元通过方阵内汇流箱进行1级汇流后，经20个逆变升压单元逆变升压后，由3个集电回路将电能送入到开闭站3个高压开关柜中，最终送入到公网以实现电站并网。

2.1 电站集电线路无功损耗计算

由于光伏并网电站为电源端，在一般情况下只给电网提供有功电能，即将太阳能光伏阵列的直流电能转换为与电网同频率、同相位的交流电能亏送给电网，故光伏方针内低压集电电缆不作为光伏电站线缆无功损耗的主要因素，本次对光伏电站集电电缆无功损耗的计算主要为35kv集电电缆的无功损耗、200米35kv送出线缆无功损耗、6km架空线路无功损耗。

2.1.1 35kv集电线路产生无功损耗

由于该电站使用YJV22-35kv-3x70电缆作为集电电缆，3个回路集电电缆用量如表1所示：

表1

各集电回路电流为表2所示：

表2

查表3得YJV22-35kv-3x70电缆单位长度电抗为x=0.132 Ω/km

集电回路无功损耗为表3所示：

表3

2.1.2 光伏电站至站外杆塔电缆无功损耗

本站35kv送出电缆使用YJV22-35kv-3x240电缆，电缆单位长度电抗为x=0.0916 Ω/km

35kv送出线路无功损耗为表4所示：

表4

2.1.3 架空线路无功损耗

本站架空线路使用LGJ-240钢芯铝绞线，钢芯铝绞线单位长度电抗为x=0.386 Ω/km

架空线路无功损耗为表5所示：

表5

综上，线缆无功损耗为：20.8+5+625.32=651.12 kvar

2.2 变压器无功损耗计算

该电站共计20个光伏发电单元，每个光伏发电单元装机容量为1MW，1MW光伏发电单元系统图如图1：

如图1，每个光伏发电单元由若干汇流箱组成1级汇流单元，由2台直流柜构成2级汇流单元，由2台0.5MW逆变器及1台S11-1000kvA，35/0.3-0.3kv组成逆变升压单元。光伏发电单元中，由于逆变器本身具有无功补偿效果，故只需计算20台箱式变压器无功损耗。

箱式变压器参数：

型号：S11-1000kvA，35/0.3-0.3kv

容量：1000kvA 短路阻抗：6.5%

变压器空载电流比：0.31% 变压器台数：20

下列计算方法为单台变压器无功损耗计算方法

则，该电站20台箱式变压器无功损耗计算方法为：

可得出变压器在不同负荷情况下所产生的无功损耗，如表6：

通过对变压器各负载情况下的无功损耗计算可以得出，变压器最小负荷情况下所消耗的无功损耗为62kvar，满负荷情况下所消耗的无功损耗为1362kvar。根据对青海当地已建成部分光伏电站的平均发电负荷的统计得知，20MW光伏电站的平均发电负荷约为70%左右，即变压器在70%负荷情况下无功损耗为699kvar，此时系统无功功率损耗

Q=QL+QT=651.12+699=1350.12kvar

通过以上计算，可为该电站配置补偿容量为1.4MVar的无功补偿装置。依据传统无功补偿容量的算法可得出，20MW光伏电站需配置的无功补偿容量约为电站装机容量的的10%左右，即2MVar，通过对比可以看出，如依据传统算法对无功补偿装置的容量进行计算，以一个20MW的电站为例，大约会造成月700kvar的装置容量浪费，多余补偿容量约占总配置容量的35%。

3 补偿容量过大的危害

无功补偿装置容量配置过大不但会增加项目的投资成本，造成项目投入的浪费，而且可能会出现过补偿情况，造成站端电压升高，引起过电压情况的发生。近年来，大量光伏电站中的无功补偿装置多为降压式成套无功补偿装置，其物理结构由降压变压器及无功补偿成套控制柜组成，降压变压器的容量及大小多与无功补偿装置的容量成正比，即补偿装置容量越大，变压器的安装容量及尺寸越大，相应的变压器基础也越大，如不合理配置无功补偿装置的容量，造成补偿容量配置过大，则会造成补偿装置变压器的空载损耗及装置冷却损耗的增加，降低设备使用效率及经济效益。

4 结束语

国家能源局的《国家能源局关于下达2014年光伏发电年度新增建设规模的通知》中提到2014年国内新增总规模1400MW，由此可以看出在未来1年甚至多年中，光伏发电仍旧是国家所扶持的新兴能源行业，尽管光伏电站中的逆变器早已实现了无功调节的功能，但光伏电站需具备一定的无功备用容量用以在电网故障或异常时，向电网提供无功支持，防止电压崩溃已成为光伏电站设备配置的硬性要求，合理地计算光伏电站的无功损耗，得出合理的无功补偿容量配置可避免依靠传统算法配置过大容量的无功补偿装置，致使光伏电站无功补偿装置的投资浪费，从侧面加大光伏电站的投资回报。

参考文献

[1]姚天亮，郑昕，杨德洲，等.打捆并网方式下光伏电站无功补偿及谐波问题[J].电力建设，2011，32（8）：24-28

[2]（日）太阳光发电协会.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京：科学出版社，2006，13-72.

[3]GB/T29321-2012，光伏发电站无功补偿技术规范[S]，2011（20）.

作者简介：刘刚（1985-），男（汉族），陕西西安，本科，电气工程及其自动化，主要从事光伏系统集成的电气系统的设计和研究。