大中型光伏电站夜间无功补偿分析

大中型光伏电站夜间无功补偿分析

发表时间：2019-09-17T11:05:21.907Z 来源：《电力设备》2019年第7期作者：凌绪友罗志红[导读] 摘要:光伏组件白天发电，夜间离网，离网后光伏电站需从电网购电供站内用电。 (国家电力投资集团有限公司湖北分公司湖北荆门 430000) 摘要:光伏组件白天发电，夜间离网，离网后光伏电站需从电网购电供站内用电。光伏电站日常负荷非常小，高压电气设备无功损耗相对较大，功率因数很低，电网公司会因此增收额外力调电费作为惩罚。为了避免功率因数惩罚就必须补偿无功，如果无功补偿设备能耗太大也会提高运营成本，所以如何提高功率因数、降低运营成本成为光伏发电企业必须面对的问题。

关键词：光伏电站；夜间；无功补偿 1实例背景

官垱光伏电站是一座50MWp的大型光伏电站，建有一座110kV的升压站，站内配置有1台±12.5Mvar的SVG无功补偿设备、一台50MV A 的双绕组变压器、40台1MW的箱变和逆变器。光伏组件所发的电能从升压站输出，通过14.74千米110kV架空输电线路接入电网公司220kV 后港变电站。各计量点位置见图1。

图1 官垱光伏电站各计量点位置电费结算以电网公司港01关口表为依据，总电费计算公式为：总电费=实时电费＋力调电费＋代征电费（1）力调电费是供电公司控制功率因数的奖惩电费，按照电力行业专业术语说就是控制功率平衡的，最主要的目的是给广大用电客户提供稳定可靠的供电服务。

功率因数奖、罚规定：每低于标准0.01时，从电费总额罚款0.5%，以此递增，低于0.7每一级提高到1%，低于0.65每级提高到2%；每高于标准0.01时，从电费总额奖0.15%，以此类推，以0.75%封顶。官垱光伏电站夜间未投入无功补偿设备，从而导致功率因数极低，电网公司收取了高达1.2倍的力调电费，给光伏电站的运营带来不小的损失。

2 四象限无功组成

无功功率是有方向的，母线向线路的无功作为正向，反之线路向母线倒送无功就是反向。电能计量四象限功率的定义如图2：

图2 四象限功率定义图

图中：A——有功电能；R——无功电能；RL——感性无功电能；RC——容性无功电能。Ⅰ象限：消耗有功功率 （+A），消耗感性无功功率 （+RL）；Ⅱ象限：发出有功功率 （-A），发出容性无功功率 （+RC）；Ⅲ象限：发出有功功率 （-A），发出感性无功功率 （-RL）；Ⅳ象限：消耗有功功率 （+A），消耗容性无功功率 （-RC）。统计光伏组件离网后港01关口表无功数据及离网时间，电网公司港01计量点无功为IV象限无功，无功功率约-933kVar。

3 无功损耗计算

（1）本光伏电站110kV线路长14.74km，采用LGJ-240导线，通过查表电抗率为0.388Ω/km，电阻率为0.13Ω/km，计算出电抗Ω，电阻Ω。

主要线路无功损耗公式：

（2）

主要线路有功损耗公式：

（3）

据可得，由于R与X均较很小，故线路电抗产生的无功损耗可以忽略，所以线路主要无功损耗为线路并联电容产生的容性无功功率消耗，即线路充电无功，其大小与电压有关。

表1 输电线路充电无功功率表

根据表1，计算,110kV线路无功损耗约。

（2）查阅施工图纸，官垱光伏站内35kV系统集电线路电缆主要为FS-YJY23-26/35-120和FS-YJY23-26/35-70型号的电缆，各约4.8km和7.5km的两种电缆。

电缆线路空载充电功率计算公式：

夜间电缆荷载可以忽略，35kV系统母线电压为36.5kV，计算得出电缆无功功率为-761Kvar。

（3）1台主变和40台箱变为站内主要无功损耗源（SVG设备未投入）。

计算变压器两侧计量表数据得出：主变无功功率为118kVar；40台箱变无功功率244kVar。

综上数据和计算结果分析得出，光伏组件离网后，光伏电站呈感性无功输出状态，无功功率为-905Kvar，接近关口表计算值。 4补偿方式

（1）无功补偿量分析计算

尝试用SVG补偿夜间升压站内35kV母线无功，即补偿35kV母线无功功率约为-517Kva，补偿无功功率约=520Kvar，则主变低压侧=520-517=3Kvar，港01处520-933=-413Kvar。主变低压侧302关口表和港01处数据计算负荷为44kW，134kW，得出站内35kV系统功率因数=1>0.9，港01处功率因数=0.31<0.9；事实数据302处=0.98，港01处实际功率因数为=0.3。所以仅补偿站内35kV无功不能满足功率因数要求，鉴于：

①夜间轻载时的无功损耗可视为固定值；

②要满足功率因数为0.9的要求，需补偿容性无功功率约878kVar-988kVar；

③光伏电站内SVG没有采集110kV对侧的功率因数值。

故光伏电站夜间宜采用恒功率补偿878kVar-988kVar容性无功。

（2）补偿方式分析

方法一：SVG补偿无功

假设组合SVG设备单元无功功率输出900Kvar，此时SVG变压器有功损耗约为15KW，SVG有功损耗约为11KW，由此可知SVG补偿后会增加约26kW的有功损耗，补偿后计算出港01处功率因数=0.98>0.9，实际功率因数=0.95>0.9，满足要求。按一个月夜间360小时计算，一个月能耗约9360度，夜间电价0.5093元/度，代征电价0.0645元/度，约增加电费5371元。方法二：采用逆变器补偿

目前市场上的逆变器均有夜间SVG功能，官垱光伏逆变器单台最大无功补偿容量为±400kVar，补偿容性无功900kVar需三台逆变器，能耗约10.2kW。补偿后计算出港01处功率因数=0.97>0.9，实际功率因数=0.93>0.9，满足要求。

按一个月夜间360小时计算，一个月能耗约3672度，夜间电价0.5093元/度，代征电价0.0645元/度，总电费约2107元。运行经济比较：逆变器补偿比SVG补偿平均月节省电费约3264元；

运行可靠性比较：SVG补偿设备仅一台，SVG故障或检修时不能补偿无功；逆变器有40台，逆变器补偿可靠性高；可行性比较：SVG和逆变器补偿原理相同，逆变器是电能转换和调节无功的多功能设备，逆变器一般白天工作，夜间“休眠”，开启夜间SVG无功补偿的功能可能存在光伏组件PID效应的风险，需配合带防反功能的汇流箱使用，技术可行；SVG是无功补偿专用设备，有恒功率补偿功能。

通过比较可知，逆变器补偿经济效益和可靠性较高，但逆变器补偿可能导致光伏组件PID效应，有加快光伏组件衰减的风险，须配合有效防护措施使用；SVG补偿需人工控制补偿方式，不宜整组频繁投退或切换方式，对运行维护管理要求高，且频繁操作容易造成设备损坏，不利于安全稳定运行和运营成本控制。

5结论

（1）对于35kV及以上电压等级接入线路且线路较长的大中型光伏电站，由于光伏组件离网后站内负荷很小，架空线路和电缆线路较长，导致容性无功损耗远大于感性无功损耗，仅补偿站内无功损耗不能满足要求，还需补偿架空线路的容性无功损耗。对于线路无功损耗较小的光伏电站补偿站内无功即可；

（2）通过对SVG和逆变器两种补偿方式的计算分析，大中型光伏电站夜间可采用逆变器夜间SVG功能进行无功补偿。但需要采取行之有效的光伏组件PID效应防范措施。

参考文献：

［1］孟庆天, 李莉美. 光伏电站无功补偿容量分析与计算[J]. 电力电容器与无功补偿, 2012, 33(6):53-58.