齊亞南，劉保國，魏岱寧，楊文曉

(通用技術(shù)集團工程設(shè)計有限公司，山東 濟南 250031)

2021年6月，國家發(fā)改委下發(fā)《關(guān)于請?zhí)峁├貌擅撼料輩^(qū)受損土地發(fā)展光伏發(fā)電有關(guān)情況的函》[1]，這標志著“光伏+采煤沉陷區(qū)”將成為另一個重要光伏電站形式。采煤沉陷區(qū)光伏電站多采用大容量集中式光伏電站，發(fā)電量大，投資大，對設(shè)計精度要求較高[2-3]。采煤沉陷區(qū)光伏電站的發(fā)電量及功率因數(shù)隨光照等氣候條件影響變化范圍較大，為了節(jié)能及滿足電網(wǎng)調(diào)度要求，各地區(qū)電網(wǎng)對計量點的功率因數(shù)要求也各不相同[4-7]。

因無典型光伏系統(tǒng)無功補償設(shè)計指導，工程上選用動態(tài)無功補償裝置對整個電站進行無功補償，其容量多按15%至25%裝機容量粗略選擇[8-10]。若采煤沉陷區(qū)光伏電站的無功補償容量計算按粗略估算，其容量選擇過大會造成投資偏高，而容量選擇過小則造成損耗過大影響發(fā)電量且不滿足電網(wǎng)并網(wǎng)要求，二者都會影響采煤塌陷區(qū)光伏電站投資收益率[11]。

為提高設(shè)計精度，以便經(jīng)濟合理的選擇符合電網(wǎng)對計量點要求的無功補償裝置，需要對無功補償容量進行精確計算。需通過計算出光伏組件滿發(fā)電及截止發(fā)電兩種情況下光伏電站各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的無功損耗，綜合電網(wǎng)對計量點的功率因數(shù)要求，得出無功補償容量的最優(yōu)配置方案。

本研究利用電力網(wǎng)絡(luò)潮流分析原理[12]，將光伏電站視為開式網(wǎng)絡(luò)，從采煤塌陷區(qū)光伏電站計量點功率因數(shù)要求和箱式逆變變壓器首端功率出發(fā)，分析各環(huán)節(jié)功率平衡。實現(xiàn)采用較簡便且準確的方法計算得中壓母線上的無功功率缺口。此方法不僅適用于計算采煤塌陷區(qū)光伏電站的無功補償容量，還可作為其他各類型光伏電站無功補償容量計算的參考和借鑒。

1 采煤沉陷區(qū)光伏電站基本結(jié)構(gòu)

采煤沉陷區(qū)光伏電站多采用集中式布置，集中式逆變。為減少投資、方便安裝、減少損耗，工程上多使用箱變逆變一體機進行逆變及升壓、在中壓母線上進行無功功率補償。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采煤沉陷區(qū)光伏電站基本結(jié)構(gòu)

2 無無功補償時各節(jié)點功率計算

2.1 箱變逆變一體機出口

當光伏組件發(fā)電電壓大于箱變逆變一體機的截止電壓時，箱變逆變一體機出口功率為實際功率P0+jQ0。當光伏組件發(fā)電電壓小于箱變逆變一體機的截止電壓時，箱變逆變一體機不工作，其出口功率P0=0，Q0=0。

2.2 主變壓器低壓側(cè)出口

當箱變逆變一體機滿發(fā)時集電導線的有功功率損耗可由式(1)求得，無功功率損耗可由式(2)求得[13]。當箱變逆變一體機截止發(fā)電時集電導線的有功功率損耗為0，無功功率損耗可由式(3)求得[14]。

(3)

式中，Pi為流過第i段電纜的有功功率；Qi為流過第i段電纜的無功功率；Ri為第i段電纜的電阻；Xi為第i段電纜的電抗；Bi第i段電纜的電納；U1為變壓器低壓側(cè)的電壓。

則主變壓器低壓側(cè)的有功功率P1可由式(4)、無功功率Q1可由式(5)計算。

P1=P0-ΔP1

(4)

Q1=Q0+ΔQ1

(5)

2.3 主變壓器高壓側(cè)出口

當箱變逆變一體機滿發(fā)時，變壓器的有功功率損耗ΔPT見式(6)，無功功率損耗ΔQT見式(7)。當箱變逆變一體機截止發(fā)電時，變壓器的有功功率損耗ΔPT=0，無功功率損耗ΔQT見式(8)。

式中：ΔP0為變壓器額定空載損耗；ΔPk為變壓器額定負載有功損耗；I0%為空載電流百分比；UK%短路阻抗百分比；Sr為變壓器的額定容量。

則主變壓器高壓側(cè)的有功功率P2可由式(9)、無功功率Q2可由式(10)計算。

P2=P1-ΔPT

(9)

Q2=Q1+ΔQT

(10)

2.4 計量點

當箱變逆變一體機滿發(fā)時，送出線路產(chǎn)生的有功功率損耗ΔP2見式(11)，無功功率損耗ΔQ2見式(12)[15]。當光伏組件發(fā)電電壓小于箱變逆變一體機的截止電壓時，送出線路產(chǎn)生的有功功率損耗ΔPT=0，無功功率損耗ΔQ2見式(13)[16]。

式中，B2為線路對地電納；U2為線路電壓。

則計量點的有功功率P3可由式(14)、無功功率Q3可由式(15)計算。

P3=P2-ΔP2

(14)

Q3=Q2+ΔQ2

(15)

2.5 補償容量計算

1)箱變逆變一體機滿發(fā)時無功補償容量計算。為達到電網(wǎng)一般對計量點要求功率因數(shù)為cosφ1(超前)至cosφ2(滯后)可調(diào)的要求，需補償?shù)臒o功容量為Q1～Q2。Q1為達到功率因數(shù)cosφ1(超前)，需補償?shù)臒o功容量；Q2為達到功率因數(shù)0.95(滯后)，需補償?shù)母行詿o功容量?？砂聪率接嬎悖?/p>

Q1=P3×tan[arccosφ1]-Q3

(16)

Q2=-P3×tan[arccosφ2]-Q3

(17)

2)箱變逆變一體機截止發(fā)電時無功補償容量計算。此時僅補償光伏電站產(chǎn)生的容性無功即可，即安裝-Q3的感性無功即可。

3 實例計算

3.1 廠區(qū)情況

華電臺兒莊伊運60MW并網(wǎng)光伏發(fā)電項目總裝機容量為100MWp，項目分為2個50MWp區(qū)域，各區(qū)域?qū)ν猹毩⑤旊?，現(xiàn)對其中一個50MWp區(qū)域進行分析。

本區(qū)域裝機容量為50.03804MWp，采用集中逆變方式，選用13臺3125kW箱變逆變一體機將本區(qū)域劃分為13個部分。每4到5個箱變逆變一體機接入一回35kV集電線路，共3回集電線路接至項目配套新建的110kV升壓站35kV母線，每回集電線路輸送容量為12.5或16.625MW。項目配套新建的110kV升壓站內(nèi)設(shè)1臺50MVA主變，采用1回110kV架空線路接至上級變電站，計量點為上級站110kV本站進線柜。當?shù)仉娋W(wǎng)要求本塌陷區(qū)光伏電站截止運行時不對電網(wǎng)產(chǎn)生無功，正常運行時計量點功率因數(shù)為0.95(超前)至0.95(滯后)可調(diào)。

箱變逆變一體機額定輸出功率為3125kW，功率因數(shù)(額定功率下)>0.99，功率因數(shù)可調(diào)范圍0.98(超前)至0.98(滯后)。

35kV集電線路采用直埋的敷設(shè)方式，結(jié)合當?shù)貙嶋H環(huán)境情況，考慮到載流量、熱穩(wěn)定性、壓降及經(jīng)濟性，采用ZC-YJLHV22-26/35kV電纜，截面分別為3×95mm2、3×150mm2、3×185mm2，根據(jù)不同輸送容量采用不同截面規(guī)格。其具體參數(shù)見表1，各段母線位置如圖1所示。

表1 35kV集電線路參數(shù)

主變?yōu)?臺SZ11-50000，110±8×1.25%/37kV，YNd11 50000kVA自冷式有載調(diào)壓變壓器，空載損耗38.2kW，負載損耗184.3kW，短路阻抗10.5%，空載電流0.58%。

該工程采用1回110kV架空線路接至上級變電站，線路長度約5km，架空線路型號為LGJ-185/30。其直流電阻為0.1592Ω/km，正序電抗為0.394Ω/km，電納為2.89×10-6S/km。

3.2 使用本文介紹方法計算無功補償容量

3.2.1 箱變逆變一體機截止時

箱變逆變一體機出口處有功功率0kW，無功功率0kvar。由上文所示公式，全廠功率分布及補償容量計算見表2。

表2 箱變逆變一體機截止時全廠功率分布及補償容量計算

3.2.2 計量點所需功率因數(shù)為0.95(超前)時

為滿足計量點功率因數(shù)為0.95(超前)的要求，將箱變逆變一體機的功率因數(shù)調(diào)至0.98(超前)。此時逆箱變逆變一體機額定輸出每臺箱變逆變一體機滿載時有功功率為3125kW，發(fā)出感性無功634kVar。由上文所示公式，全廠功率分布及補償容量計算見表3。

表3 箱變逆變一體機滿載且計量點要求為0.95(超前)時無功補償計算

3.2.3 計量點所需功率因數(shù)為0.95(滯后)時

為滿足計量點功率因數(shù)為0.95(滯后)的要求，將箱變逆變一體機的功率因數(shù)調(diào)至0.98(滯后)。此時逆箱變逆變一體機額定輸出每臺箱變逆變一體機滿載時有功功率為3125kW，發(fā)出感性無功-634kVar。由上文所示公式，全廠功率分布及補償容量計算見表4。

表4 功率因數(shù)為0.95(滯后)時無功補償計算

綜上所述：為滿足當?shù)仉娋W(wǎng)公司對本塌陷區(qū)光伏電站截止運行時不對電網(wǎng)產(chǎn)生無功，正常運行時計量點功率因數(shù)為0.95(超前)至0.95(滯后)可調(diào)的要求，經(jīng)計算，該電站配備-1.4～8.5MVar的自動無功補償裝置即可。若按粗略估算的方式，50MWp的光伏電站按15%～25%配備無功補償，則為配備±7.5～±12.5MVar。若配備±7.5MVar無功補償，則感性無功配備量過大造成投資過大，容性無功配置過小造成計量點功率因數(shù)達不到電網(wǎng)公司要求；若配備±12.5MVar無功補償則會造成投資過大，由市場現(xiàn)價計算約比本文計算結(jié)果造價高出170萬元。

3.3 使用PASAP仿真計算

3.3.1 箱變逆變一體機截止時

使用PASAP軟件編輯，補償感性無功0.66MVar、箱變逆變一體機輸出功率為0+j0時潮流結(jié)果如圖2所示，圖2中數(shù)據(jù)皆為基準容量為1MVA時功率的標幺值。

圖2 箱變逆變一體機截止，無功補償容量為-0.66MVar時潮流結(jié)果

由潮流計算仿真結(jié)果，補償感性無功0.66MVar，即容性無功-0.66MVar時計量點視在功率為0+j0MVA，無功補償可有效平衡線路空載時產(chǎn)生的容性無功，滿足當?shù)仉娋W(wǎng)公司的要求。

3.3.2 計量點所需功率因數(shù)為0.95(滯后)時

使用PASAP軟件進行潮流計算，補償容性無功8.6MVar，每臺箱變逆變一體機輸出有功功率為3.125MW、容性無功功率0.634MVar時，潮流結(jié)果如圖3所示。

圖3 無功補償容量為-1.4MVar時潮流結(jié)果

由潮流計算仿真結(jié)果，補償感性無功1.4MVar，即容性無功-1.4MVar時計量點有功功率為40.25MW，無功功率為13.14MVar，功率因數(shù)為0.95(超前)，滿足當?shù)仉娋W(wǎng)公司的要求。

3.3.3 計量點所需功率因數(shù)為0.95(超前)時

使用PASAP軟件進行潮流計算，補償感性無功1.4MVar，每臺箱變逆變一體機輸出有功功率為3.125MW，感性無功功率為0.634MVar時，潮流結(jié)果如圖4所示。

圖4 無功補償容量為8.5MVar時潮流結(jié)果

由潮流計算仿真結(jié)果，補償容性無功8.5MVar時計量點有功功率為40.26MW，無功功率為13.32MVar，功率因數(shù)為0.95(滯后)，滿足當?shù)仉娋W(wǎng)公司的要求。

4 結(jié) 語

本研究探討了一種采煤塌陷區(qū)光伏項目所需無功補償容量的較精確計算方法，并以一具體項目為例，用PASAP軟件仿真進行驗證。驗證結(jié)果滿足電網(wǎng)的要求，證明本方法誤差較小。可較精確計算出滿足當?shù)仉娋W(wǎng)公司要求的最小無功補償容量，以避免造成設(shè)計浪費減少項目收益率。此方法不僅適用于計算采煤塌陷區(qū)光伏電站的無功補償容量，還可作為其他各類型光伏電站無功補償容量計算的參考和借鑒。