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        光伏發(fā)電站無(wú)功系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2018-06-19 01:14:56陳國(guó)龍呂忠華溫繼勝
        東北電力技術(shù) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:變壓器

        李 博,陳國(guó)龍,呂忠華,吳 昊,溫繼勝

        (1. 營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 營(yíng)口 115000;2. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110015;3. 國(guó)網(wǎng)營(yíng)口供電公司,遼寧 營(yíng)口 115000)

        太陽(yáng)能是降低污染、解決全球能源問(wèn)題最有前景的技術(shù)途徑,近年來(lái)隨著光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換能力的提高和價(jià)格的降低[1],大容量光伏電站大量建設(shè)并并網(wǎng)發(fā)電。導(dǎo)致光伏電站和輸電線路無(wú)功損耗也在增加[2],為此需要光伏電站安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置,具備無(wú)功容量,以保證電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),能滿足低電壓功率穿越,使整個(gè)電網(wǎng)的電壓得到支持[3]。

        光伏發(fā)電受白天和黑夜交替以及臨時(shí)天氣變化的影響,其出力周期性和不確定性也是很明顯的[4]。因此,光伏電站的無(wú)功補(bǔ)償容量及控制形式需要詳細(xì)計(jì)算,精準(zhǔn)控制[5]。

        光伏電站內(nèi)部無(wú)功源包括逆變器和無(wú)功補(bǔ)償裝置[5],具備發(fā)出無(wú)功能力,大型光伏電站的無(wú)功電壓控制涉及逆變器與無(wú)功補(bǔ)償裝置以及各逆變器的協(xié)調(diào)控制[6],需要根據(jù)實(shí)際的電網(wǎng)情況,進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì),合理確定無(wú)功補(bǔ)償裝置容量,在不浪費(fèi)資金的前提下,實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定控制。

        1 設(shè)計(jì)方案

        1.1 光伏發(fā)電站規(guī)模

        以1座光伏電站為例,具體闡述光伏變電站無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)理念及過(guò)程。發(fā)電站裝機(jī)容量25 MWp,以1回66 kV架空線路送至某1座220 kV變電站。擬安裝100 000塊單片功率250 Wp的光伏組件,逆變器選用500 kW逆變器,共計(jì)50臺(tái)。工程光伏陣列由25個(gè)1 MW多晶硅光伏組件子方陣組成。采用分塊發(fā)電,集中并網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案,將系統(tǒng)分成13個(gè)2 MWp并網(wǎng)發(fā)電單元。每個(gè)發(fā)電單元配置4臺(tái)500 kW陣列逆變器,逆變器輸出270 V三相交流,通過(guò)交流電纜分別連接到容量為2000 kVA升壓變壓器低壓側(cè)分裂繞組。35/0.27-0.27 kV升壓變壓器共計(jì)13臺(tái)。

        1.2 規(guī)程依據(jù)

        根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/T19964—2012)的要求,接入110 kV(66 kV)及以上電壓等級(jí)公用電網(wǎng)的光伏發(fā)電站,其配置的容性無(wú)功容量應(yīng)能夠補(bǔ)償光伏發(fā)電站滿發(fā)時(shí)站內(nèi)匯集線路、主變壓器的全部感性無(wú)功及光伏發(fā)電站送出線路的一半感性無(wú)功之和;其配置的感性無(wú)功容量應(yīng)能夠補(bǔ)償光伏發(fā)電站站內(nèi)全部充電無(wú)功功率及光伏發(fā)電站送出線路的一半充電無(wú)功功率。

        1.2.1 線路無(wú)功損耗及計(jì)算

        線路無(wú)功損耗QL計(jì)算公式為QL=3I2X。

        線路中流過(guò)的電流:

        (1)

        式中:P為線路有功功率,kW;U為線路線電壓,kV;cosφ為線路功率因數(shù)。

        線路等值阻抗:

        X=xL

        (2)

        式中:x為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度電抗,Ω/km;L為線路長(zhǎng)度,km。

        線路充電容量為

        Qc=U2ωC/1 000=U22πfcL/1 000

        (3)

        式中:f為線路頻率,取值50 Hz;C為導(dǎo)線單相對(duì)地電容,μF;c為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線單相對(duì)地電容μF/km。

        1.2.2 變壓器無(wú)功損耗計(jì)算

        光伏電站變壓器無(wú)功損耗:

        (4)

        式中:QT為變壓器無(wú)功損耗,kvar;n為變壓器臺(tái)數(shù);Uk%為變壓器短路電壓百分值;I0%為變壓器空載電流百分值;S為變壓器運(yùn)行視在功率,kVA;SN為變壓器額定容量,kVA。

        1.3 無(wú)功計(jì)算參數(shù)

        光伏發(fā)電站通過(guò)66 kV線路T接至66 kV線路上,需保證220 kV變電站66 kV母線電壓在規(guī)程允許范圍內(nèi)波動(dòng)。相關(guān)線路及變壓器參數(shù)如下:采用35 kV箱式變壓器25臺(tái),容量1 000 kVA,空載損耗1 440 W,負(fù)載損耗12 150 W,空載電流I0%=1%,短路阻抗Ud%=6.5%。66 kV主變壓器1臺(tái),容量25 000 kVA,空載損耗28 400 W,負(fù)載損耗105 300 W,空載電流I0%=0.6%,短路阻抗Ud%=9%。66 kV送出線路全長(zhǎng)26.8 km,采用LGJ-240型導(dǎo)線,線路阻抗0.432 Ω/km。35 kV匯流線路共3回,每回所帶光伏陣列容量8 MWp、8 MWp、9 MWp。導(dǎo)線選擇YJV22-35kV/3×95 mm2電纜,35 kV升壓變壓器按等間距布置考慮,間距按0.25 km考慮,電抗按0.1 Ω/km計(jì)算。

        1.4 計(jì)算結(jié)果

        將參數(shù)輸入到式(1)—(4),計(jì)算結(jié)果如表1所示。

        表1 無(wú)功損耗計(jì)算表 kvar

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,本期工程投運(yùn)后,光伏電站滿發(fā)時(shí)35 kV匯集線無(wú)功損耗為14 kvar,箱變無(wú)功損耗為1 875 kvar,主變無(wú)功損耗為2 400 kvar,本工程接入66 kV送出線路新增無(wú)功損耗的一半為794 kvar,本工程35 kV線路充電功率為30 kvar,故本期綜合最大無(wú)功損耗約為5 053 kvar。

        根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/T19964—2012)的要求,光伏發(fā)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(dòng)態(tài)可調(diào)。并滿足在圖1所示矩形框內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)。

        圖1 逆變器無(wú)功出力范圍

        1.5 靜態(tài)無(wú)功配置方案

        本工程接入系統(tǒng)后綜合最大無(wú)功損耗約為5 053 kvar。根據(jù)目前光伏設(shè)備廠商提供材料,光伏發(fā)電項(xiàng)目逆變器具備在功率因數(shù)超前0.95~滯后0.95水平運(yùn)行的能力,即逆變器具備一定的發(fā)無(wú)功能力。

        如將逆變器設(shè)定在功率因數(shù)為0.95,25 MWp光伏電站最大可發(fā)無(wú)功約8 225 kvar,此時(shí)光伏電站不但不會(huì)給電力系統(tǒng)帶來(lái)任何無(wú)功負(fù)擔(dān),還可以貢獻(xiàn)部分無(wú)功出力。

        如將逆變器設(shè)定在功率因數(shù)0.98,發(fā)揮無(wú)功調(diào)節(jié)能力,25 MWp光伏電站最大可發(fā)無(wú)功約5 053 kvar,此時(shí)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)基本可以做到與系統(tǒng)零交換無(wú)功。

        工程接入系統(tǒng)后,可以充分利用光伏逆變器自身發(fā)無(wú)功的能力,不配置靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,滿足光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功平衡和電壓穩(wěn)定。

        2 光伏電站接入電網(wǎng)電壓水平影響分析

        考慮光伏電站未投運(yùn)時(shí),冬大負(fù)荷方式下接入點(diǎn)運(yùn)行在年度電壓下邊界;冬小負(fù)荷方式下接入點(diǎn)運(yùn)行在年度電壓上邊界。分別對(duì)光伏電站投運(yùn)前、光伏電站投運(yùn)后逆變器功率因數(shù)為1、光伏電站投運(yùn)后逆變器功率因數(shù)為滯后0.98考慮,分析光伏電站投運(yùn)對(duì)電網(wǎng)電壓水平的影響(見(jiàn)圖2)。

        圖2 冬小負(fù)荷系統(tǒng)電壓動(dòng)態(tài)曲線

        正常方式下上端220 kV變電站電壓穩(wěn)定,66 kV側(cè)電壓基本維持在65.7~70.2 kV。

        光伏電站投運(yùn),逆變器功率因數(shù)設(shè)置為1且不配置靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,光伏電站的投運(yùn),對(duì)系統(tǒng)電壓水平產(chǎn)生一定影響,正常運(yùn)行方式下,220 kV變電站66 kV側(cè)電壓波動(dòng)范圍為65.7~70.3 kV。

        光伏電站投運(yùn),逆變器功率因數(shù)為0.98,從而輸出部分無(wú)功,抵消了電站內(nèi)的無(wú)功損耗。因此,系統(tǒng)無(wú)需向光伏電站輸送無(wú)功容量。此時(shí),220 kV變電站66 kV側(cè)電壓波動(dòng)范圍為65.7~70.5 kV。

        利用BPA模擬仿真系統(tǒng)運(yùn)行50個(gè)周波后電站投入,出力滿發(fā),系統(tǒng)及升壓站電壓水平相比初始狀態(tài)變化,變化過(guò)程中220 kV變電站66 kV母線電壓水平為70.4 kV,光伏側(cè)70.6 kV??紤]在光伏電站加裝2.5 Mvar動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

        光伏電站加裝容量2.5 Mvar動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置后,在光伏機(jī)組突然投入運(yùn)行時(shí),220 kV變電站66 kV母線電壓可以在無(wú)功補(bǔ)償裝置的作用下恢復(fù)到初始水平,但光伏側(cè)66 kV母線電壓高于初始水平0.2 kV。

        綜上所述,根據(jù)光伏電站接入點(diǎn)電網(wǎng)的特性、電壓水平及電網(wǎng)實(shí)際情況,綜合考慮光伏電站投運(yùn)后對(duì)電力系統(tǒng)的影響,同時(shí)避免無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備不能充分發(fā)揮能力,造成投資浪費(fèi),該光伏電站可加裝1臺(tái)2.5 Mvar動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。調(diào)節(jié)范圍為-2.5~+2.5 Mvar。同時(shí),考慮部分廠家逆變器實(shí)際運(yùn)行中并不能滿足功率因數(shù)在超前0.95~滯后0.95的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào),可在升壓站內(nèi)預(yù)留1組電容器位置。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        光伏發(fā)電站無(wú)功系統(tǒng)的設(shè)計(jì),應(yīng)根據(jù)接入點(diǎn)電網(wǎng)的特性、電壓水平及電網(wǎng)實(shí)際情況,立足于利用逆變輸出無(wú)功的原理,能有效減少配置無(wú)功補(bǔ)償裝置,如必需配置無(wú)功補(bǔ)償裝置,也應(yīng)在考慮遠(yuǎn)期規(guī)模的前提下,通過(guò)計(jì)算,合理確定補(bǔ)償裝置的容量,實(shí)現(xiàn)電壓控制目標(biāo),滿足光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功平衡和電壓穩(wěn)定。

        參考文獻(xiàn):

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        [2] 楊 彬,石 松,李 程,等.光伏電站的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)[J].電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償,2016,37(1):51-60.

        [3] 鄭海濤,鄭 昕,吳興全,等.大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站內(nèi)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用技術(shù)分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(16):149-154.

        [4] 孟慶天,李莉美,蒲天驕.光伏電站無(wú)功補(bǔ)償容量分析與計(jì)算[J]. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償, 2012, 33(6): 53-58.

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        [6] 周 林,邵念彬.大型光伏電站無(wú)功電壓控制策略[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2016, 36(4): 116-122.

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