光伏电厂无功补偿的计算与分析

阻率。
20 °C 时 ，铜 的 电 阻 率 为 18. 8 f2 •mm2/km ，招
的 电 阻 率 为 31. 5 n •mm2/km。考 虑 到 交 流 电 的
趋肤效应及多股绞线扭绞导致实际长度比线路长度
略长.电阻率数值相比理论值略大。当环境温度不
为 20 °C 时 ，需 要 加 温 度 修 正 ，修 正 式 为 ：
Keywords：PV Power Generation; Power Plant；Reactive Compensation; Calculation; Analyses
光伏电厂的运行特点是只有在光照等气候条件 满 足 一 定 要 求 时 ，才 能 处 于 并 网 发 电 状 态 [1]。光伏 电厂输出送至电网的有功功率和无功功率会随时间 而 变 化 ，并 且 变 化 范 围 较 大 。 为 了 保 证 电 网 的 输 电 质 量 ，减 小 线 路 损 耗 ，满 足 系 统 调 度 要 求 . 电 网 运 营 方对大中型光伏电站投标都有并网点功率因数要 求 。为 了 满 足 这 一 要 求 ，投 标 方 需 要 计 算 出 整 个 光 伏 电 厂 的 无 功 功 率 分 布 ，并 基 于 此 计 算 出 所 需 配 置 的 无功容量[2]。
n /km 、0.28 Q/km 左 右 。
1 . 2 . 3 等值电纳
在 50 H z 额 定 频 率 下 ，线 路 单 位 lo g (D eq/ r eq)
X
1(T
S
(13)
式 中 ：h 为 单 相 导 线 组 的 等 值 半 径 。
对 于 单 导 线 ，有 ：
况统一*考 虑 。
单台逆变器的输出功率S,为 ：
S, = P, + jQ,
(18)
式中： 为单台逆变器的有功功率为单台逆变
10
器的无功功率。
上海电气技术
2021, 14(2)
式中 ： 为有功功率;G 为无功功率。
图 1 光伏电厂基本结构
若 逆 变 器 出 口 电 压 为 U l2，逆 变 器 数 量 为 单 条 低 压 集 电 线 路 的 电 阻 为 尺 ，电 抗 为 X ,,电纳为 B ,，则 低 压 集 电 线 路 功 率 损 耗 AS12S :
(9)
分 裂 导 线 线 路 的 电 抗 ：r 2 为 ：
x 2 = 0. 144 51og(Deq/D sl, )
(10)
Dvn — \/^12^23^31
(11)
式中为各相分裂导线质心间的几何平均距离；
D 12、D23、D3,为 三 相 导 线 互 相 之 间 的 距 离 ；DS 为单
导 线 的 自 几 何 均 距 ，若 导 线 半 径 为 r。，则 钢 芯 铝 绞
任何无功补偿设备.同时满足并网点所需的无功功
率 缺 口 要 求 。对 于 采 用 组 串 式 逆 变 器 的 电 厂 ，逆变
器 和 低 压 集 电 线 路 的 数 量 较 大 。对 于 采 用 集 中 式 逆
变 器 的 电 厂 ，逆 变器 数量 较 少 . 低 压 集 电 线 路 无 功 功
率 损 耗 近 似 为 零 。笔 者 在 计 算 过 程 中 对 以 上 两 种 情
线 D, 可 取 （0.77〜0.9)〃。；DS|,为 分 裂导 线 的自 几 何
均距。
对 于 三 相 水 平 排 列 的 线 路 ，若 D 12= D23 = D ,
D:il = 2D •则有：
Deq = y 〇D 2D = 1.26D
(12)
虽 然 相 间 距 离 、导 线 截 面 等 与 线 路 结 构 有 关 的
8
上海电气技术
2021, 14( 2)
光伏电厂无功补偿的计算与分析
李洋
上 海 电 气 电 站 集 团 工 程 公 司 上 海 201199
摘 要 ：针 对 光 伏 电 厂 项 目 无 功 补 偿 容 量 计 算 方 式 不 规 范 的 问 题 ，利 用 电 力 网 络 潮 流 分 析 原 理 ，对
光 伏 电 厂 各 处 的 功 率 分 布 进 行 计 算 和 分 析 ，得 到 全 厂 无 功 功 率 的 补 偿 容 量 。针 对 中 东 地 区 某 大 型 光 伏
线 路 电 压 的 二 次 方 成 正 比 ，于 是 有 ：
AS,. = (P 2 + Q2)(i? + jX ,.)/I7 2
(5)
AQb = - ] B U 2/ 2
(6)
式 中 ：K 为 线 路 电 阻 ；X , 为 线 路 电 抗 ；B /2 为线路对
地 导 纳 ；P 为 线 路 上 通 过 的 有 功 功 率 ；<3 为线路上通 过的无功功率;U 为线路电压。
电 厂 项 目 ，采 用 所 介 绍 的 方 法 进 行 了 计 算 和 分 析 。
关 键 词 ：光 伏 发 电 ；电 厂 ；无 功 补 偿 ；计 算 ；分析
中 图 分 类 号 ：T M 714. 3
文 献 标 志 码 ：A 文 章 编 号 ：1674 - 5 4 0 X(2021)02 - 00 8 _ 06
req = r
(14)
式 中 ：r 为 导 线 半 径 。
对 于 二 分 裂 导 线 ，有:
rcq = \fr d
(15)
式中W 为分裂导线的分裂间距。 对 于 三 分 裂 导 线 ，有 ：
req = ^/r d'1 对 于 四 分 裂 导 线 ，有 ：
(16)
rell = 1. 09 \f r d T
参 数 对 电 抗 大 小 有 影 响 ，但 是 这 些 数 值 均 在 对 数 符
号 内 ，所 引 起 的 线 路 电 抗 变 化 不 是 很 大 。 一 般单导 线 线 路 电 抗 为 〇. 4 Q/k m 左 右 ，分 裂 导 线 分 裂 根 数
为 两 根 、三 根 、四 根 时 ，电 抗 依 次 为 0. 33 0 / km 、0. 3
准 获 得 。 由 此 ，箱 式 变 压 器 和 主 变 压 器 的 功 率 损 耗
AST 均 为 ：
ASt = A Pt + jA Q r
(4)
1 . 2 线路功率损耗
电力线路在传输功率时产生的功率损耗包括有
功功率损耗和无功功率损耗。电流通过等值电路中
收 稿 时 间 ：2020-10 作 者 简 介 ：李 洋 （1992 — ），男 ，本 科 • 工 程 师 ，主 要 从 事 大 型 光 伏 电 站 、储 能 电 站 投 标 技 术 工 作 .
ASyi2 = — j-B,LJi2 = —]BnU12
(20)
式中为低压集电线路的电纳。
由 此 ，可 以 将 众 多 长 短 不 一 的 低 压 集 电 线 路 等
效 为 一 条 线 路 .这 条 线 路 的 总 长 等 于 所 有 低 压 集 电
线路长度之和。
在 大 中 型 光 伏 电 厂 中 ，厂 区 面 积 大 ，电 缆 线 路
(17)
由 于 与 线 路 结 构 有 关 的 参 数 在 对 数 符 号 内 ，因
此各电压等级线路的电纳变化不大。单导线线路电
纳 大 约 为 2 . 8 X 1CT6 S/km ,分 裂 导 线 线 路 分 裂 根 数
为 两 根 、三 根 、四 根 时 ，电 纳 依 次 大 约 为 3 . 4 X 10 6
Abstract ：Aiming at the problem of non-standard calculation of reactive power compensation capacity of the photovoltaic power plant project, the principle of power network flow analysis was used to calculate and analyze the power distribution everywhere in the photovoltaic power plant, and obtain the reactive power compensation capacity of the whole plant.For a large-scale photovoltaic power plant project in the Middle East, the introduced method was adopted to carry out the calculation and analysis.
AS12 = 2 P ' ^ Q ' (R , + s X :)
= Ff^ Q r S ( ^ + j x ,)
P? 4- Q l
=
( Rn + jX „)
(19)
式 中 ：私,、^ , 分 别 为 低 压 集 电 线 路 的 电 阻 、电 抗 。 同 理 ，低 压 集 电 线 路 的 充 电 功 率 ASyl2为 ：
长 ，为 节 约 电 缆 长 度 ，箱 式变 压 器 中 压 出 线 采 取 与 其
1 功率损耗计算
1 . 1 变压器功率损耗 变 压 器 有 功 损 耗 A PT 为:
A P t = A P 〇 + A P k/32
( 1)
变 压 器 无 功 损 耗 AQ, 为:
U K% ^ SN
( 2)
100
变压器负载因数为：
/?= S2/S N
(3)
式 中 ：AP。为 额 定 空 载 有 功 损 耗 ；A PK 为 额 定 负 载 有 功 损 耗 ；J。％ 为 空 载 电 流 百 分 比 ；UK% 为 短 路 阻
抗 百 分 比 ；SN 为 变 压 器 额 定 容 量 ；S2 为二次侧实际
负载。 其 中 ，么/\、4 / \ 、7。％ 、17|<% 的 数 据 均 可 以 通 过
查 找 变 压 器 厂 家 样 本 获 得 ，也 可 以 通 过 查 阅 G B /T
6451— 2015《油 浸 式 电 力 变 压 器 技 术 参 数 和 要 求 》标
E -m ail：liyang8 @ shanghai-electric. com
2021, 14( 2 )
上海电气技术
9
串联阻抗时会产生损耗.电压施加于对地导纳也会
产 生 损 耗 。串 联 电 抗 中 的 功 率 损 耗 A S,.与所通 过
电 流 的 二 次 方 成 正 比 ，并 联 电 容 的 充 电 功 率 AQB 与
S/km 、3. 8 X 10 S/km 、4. 1 X 10—6 S/km 。
2 光伏电厂基本结构
光 伏 电 厂 基 本 结 构 如 图 1 所 示 。一个大中型光
伏 电 厂 由 组 件 、逆 变 器 、箱 式 变 压 器 、中 低 压 集 电 线
路 、主 变 压 器 、送 出 线 路 构 成 ，直 流 线 路 对 无 功 功 率
没 有 影 响 ，因 此 不 考 虑 [5]。在 并 网 点 功 率 因 数 要 求
的 范 围 之 内 ，如 需 要 全 厂 的 无 功 功 率 满 足 要 求 ，则需
要 整 体 考 虑 逆 变 器 、无 功 补 偿 装 置 、变 压 器 、电缆所
有 的 无 功 功 率 影 响 :6]。笔 者的 计算 前 提 是 假 设 没 有
由 此 .线 路 功 率 损 耗 为 AS,.+j 2AQB 。
对于 电缆 线路 ，可以根据厂家提供的样本数据获
得 R 、X ,.、B/2。对 于 架空 线 路 ，计算方式如下⑷。
1.2.1 电阻
有色金属导线单位长度的直流电阻f 为：
R' = p/ S
(7)
式 中 ：S 为 导 线 载 流 部 分 的 额 定 截 面 积 ; p 为导线电
r, —
~\~a i t — 20)]
(8)
式 中 d 为 温 度 ；r, 为 f °C 时 的 电 阻 值 ；r2。为 20 °C 时
的 电 阻 值 为 电 阻 温 度 因 数 ，铜 为 0.003 82.铝为
0. 003 6。
1.2.2 等值电抗
单导线线路的电抗1 为：
^1 = 0. 144 51og(Deq/D s)
笔者将光伏电厂视为一个含多级电压的开式 网 络 ，根 据 电 力 网 潮 流 计 算 ，从接 入点 末端功率和逆 变 器 处 首 端 功 率 出 发 ，分 析 各 段 功 率 平 衡 。 当前国 外 大 型 地 面 光 伏 电 厂 设 计 中 ，基 本 都 在 中 压 母 线 上 配 置 集 中 无 功 补 偿 装 置 :3]，笔 者 计 算 的 目 标 即 为 得 到中压母线上的无功功率缺口。