摘 要：近年來，隨著并網(wǎng)光伏電站數(shù)量及并網(wǎng)裝機容量的迅速激增，光伏發(fā)電對電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運行造成了較大影響，為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定性，無功補償裝置成為光伏電站必備設(shè)備之一。但在實際運行中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)光伏電站存在無功補償容量配置過剩的問題，導(dǎo)致項目投資成本增加。針對典型復(fù)雜山地光伏電站的無功補償容量配置問題，考慮到匯集線路及送出線路工程的特殊性，結(jié)合光伏電站建設(shè)的經(jīng)濟性，通過理論計算分析的方式，在線路工程設(shè)計環(huán)節(jié)對無功補償容量的計算方式進行了改進，并進行了對比計算。研究結(jié)果表明：1）增加送出線路的電纜敷設(shè)長度、降低送出線路架空線路長度、匯集線路負載分段計算均可以降低光伏電站無功補償容量配置；2）采用改進后的計算方式可使光伏電站前期投資額節(jié)約數(shù)十萬元，提升了光伏電站的整體收益。

關(guān)鍵詞：無功補償容量；線路工程；山地光伏電站；工程計算改進；架空線路；匯集線路；變壓器

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

目前，光伏電站確定其配置的無功補償容量時，一般是委托接入系統(tǒng)設(shè)計單位進行計算或估算。由于項目前期的輸入資料欠缺，大多數(shù)接入系統(tǒng)設(shè)計單位在確定無功補償容量時，會采用估算或放大裕量的方式；更有甚者，有些項目配置的無功補償容量超過了裝機容量的40%，遠大于GB 50227—2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》[1]要求的上限值（30%），直接導(dǎo)致光伏電站投資成本增加，影響其整體收益。已有較多進行了相關(guān)研究的文獻：文獻[2]對比分析了逆變器參與和不參與無功補償容量配置時，組合型無功補償裝置的容量；文獻[3]以采煤沉陷區(qū)光伏電站為例，通過計算電力網(wǎng)絡(luò)潮流得出了無功補償容量的配置方案；文獻[4]在考慮逆變器參與無功調(diào)節(jié)的同時，計及母線電壓變化情況，給出了靜止無功發(fā)生器容量配置建議。但現(xiàn)階段仍缺少對山地光伏電站無功補償容量配置的探討。

針對典型復(fù)雜山地光伏電站的無功補償容量配置問題，本文考慮到匯集線路及送出線路工程的特殊性，結(jié)合光伏電站建設(shè)的經(jīng)濟性，通過理論計算分析的方式，在線路工程設(shè)計環(huán)節(jié)對無功補償容量計算方式進行改進，以提高項目前期設(shè)計方案的準確性、合理性。

1" 光伏電站的無功需求

1.1" 無功補償原則

根據(jù)電網(wǎng)運行要求，電網(wǎng)的無功補償實行“分層分區(qū)、就地平衡”的原則。GB/T 19964—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[5]規(guī)定了“通過110（66） kV及以上電壓等級并網(wǎng)的光伏電站，無功容量配置應(yīng)滿足下列要求：1）容性無功容量能夠補償光伏電站滿發(fā)時站內(nèi)匯集線路、主變壓器的感性無功容量及光伏電站送出線路的一半感性無功容量之和；2）感性無功容量能夠補償光伏電站自身的容性充電無功功率及光伏電站送出線路的一半充電無功功率之和”。

根據(jù)GB/T 19964—2012可得到光伏電站感性無功損耗QL_PV、光伏電站容性無功損耗QC_PV的計算式，分別表示為：

（1）

（2）

式中：QL_T為變壓器的感性無功損耗，kVar；QL_CL為匯集線路的感性無功損耗，kVar；QL_OL為送出線路的感性無功損耗，kVar；QC_CL為匯集線路的容性無功損耗，kVar；QC_OL為送出線路的容性無功損耗，kVar。

光伏電站的無功源包括站內(nèi)低壓母線配置的動態(tài)無功補償裝置和光伏逆變器。由于太陽輻射具有隨機性、波動性等特點，為充分利用太陽能、提高光伏電站收益，光伏逆變器通常以最大功率點跟蹤（MPPT）的方式運行。本文暫不對光伏逆變器的無功補償進行分析。

1.2" 光伏電站的感性無功損耗

光伏電站的感性無功損耗主要涉及變壓器和架空線路。其中，變壓器包括箱式變壓器和主變壓器；架空線路包括匯集線路和送出線路的架空線路部分。

變壓器的感性無功損耗的計算式為：

（3）

式中：QL_MT為主變壓器的感性無功損耗，kVar；QL_BT為箱式變壓器的感性無功損耗，kVar；i為變壓器不同型號；L為變壓器型號總類別；ni為第i種型號變壓器的數(shù)量，臺；I0，i為第i種型號變壓器的空載電流，%；Uk，i為第i種型號變壓器的短路阻抗，%；β為負載率，表征為實際負荷與額定負荷的比值；SN_T，i為第i種型號變壓器的額定容量，kVA。

架空線路的感性無功損耗的計算式為：

（4）

式中：j為架空線路回數(shù)，回；J為架空線路總回數(shù)，回；SN_L， j為第j回架空線路的額定容量，kVA；xj為第j回架空線路單位長度的電抗，Ω/km；lj為第j回架空線路的計算長度，km，當此處的架空線路為送出線路時，計算長度取其實際長度的1/2；UN， j為第j回架空線路的額定電壓，kV。

光伏電站感性無功損耗的計算式為：

（5）

式中：Xj為第j回架空線路的電抗，Ω；

從式（5）可以看出，光伏電站的感性無功損耗與負載率的平方β2呈正相關(guān)，且光伏電站的感性負載存在固定損耗，因此β取值為0、1（即光伏電站空載或滿載）時，可以計算出光伏電站感性無功損耗的最大、最小值。

1.3" 光伏電站的容性無功損耗

光伏電站的容性無功損耗主要涉及站內(nèi)匯集線路、送出線路的電纜及架空線路部分（下文簡稱為“電纜+架空線”）。

光伏電站容性無功損耗的計算式為：

（6）

式中：k為“電纜+架空線”回數(shù)，回；K為“電纜+架空線”總回數(shù)，回；qk為第k回“電纜+架空線”單位長度的容性充電功率，kVar/km；ω為交流電的圓頻率；ck為第k回“電纜+架空線”單位長度的對地電容，μF/km；lk為第k回“電纜+架空線”的計算長度，km；UN，k為第k回“電纜+架空線”的額定電壓，kV。

由式（6）可知，光伏電站的容性無功損耗與其負載率無關(guān)，與線路側(cè)電壓相關(guān)。

2" 工程案例分析

以陜西省榆林市某300 MW山地光伏電站為算例進行分析。該光伏電站所在地的海拔高度為1200～1400 m，場址地塊較為分散，地形條件復(fù)雜，所涉及區(qū)域可分為風沙灘區(qū)、黃土梁峁?jié)緟^(qū)及丘陵溝壑區(qū)，可視為典型的復(fù)雜山地光伏電站。

該光伏電站包括54個裝機容量為3.125 MW的光伏方陣，每個光伏方陣由1臺3125 kVA的箱式變壓器升壓至35 kV；9個裝機容量為2.5 MW的光伏方陣，每個光伏方陣由1臺2500 kVA的箱式變壓器升壓至35 kV；68個裝機容量為1.6 MW的光伏方陣，每個光伏方陣由1臺1600 kVA的箱式變壓器升壓至35 kV。每8～12臺箱式變壓器在高壓側(cè)并聯(lián)為1回匯集線路，該項目共12回匯集線路，通過“電纜+架空線”的組合方式接入110 kV升壓站35 kV母線側(cè)，每6回匯集線路經(jīng)1臺150 MVA主變壓器升壓至110 kV后送至對側(cè)站。該光伏電站的變壓器設(shè)備參數(shù)如表1所示。

電纜電容值可通過查詢廠家產(chǎn)品手冊或相關(guān)規(guī)范得到。架空線路的電容c的計算式為：

（7）

式中：dm為架空線的相間平均距離，m；rφ為架空線的自幾何均距，m。

該光伏電站線路采用的電纜和架空線的長度及電容參數(shù)如表2所示。

由于線路設(shè)計階段存在邊界未明確等原因?qū)е碌脑O(shè)計深度不足的問題，造成前期設(shè)計方案中無功損耗按全線路等負載進行計算。光伏電站空、滿載時的無功損耗參數(shù)的取值如表3所示。

根據(jù)就地平衡的原則[6]，結(jié)合表3中數(shù)據(jù)可計算得出：該光伏電站應(yīng)配置容性無功補償容量為99.83 MVar，感性無功補償容量為5.20 MVar。

3" 改進無功補償容量的計算方式

3.1" 送出線路

在建設(shè)階段，該光伏電站受對側(cè)站前已建成的園區(qū)影響，送出線路形式發(fā)生變更，由原架空線路變更為“電纜+架空線”的方式，即由23.4 km架空線路變更為15.6 km架空線路與4.6 km電纜結(jié)合的方式送至對側(cè)站。

送出電纜的型號為ZR-YJLW03-64/110kV- 1×2000 mm2，電纜單位長度電容為0.327 μF/km，因此變更后光伏電站送出線路容性無功損耗的一半為-6.89 MVar。由于架空線路長度的減少，其最大感性無功損耗減少至18.16 MVar（即β=1時的1/2QL_OL值）。

送出線路變更后，光伏電站應(yīng)配置容性無功補償容量為87.29 MVar，感性無功補償容量為8.19 MVar。由式（6）可知，當送出線路電纜電壓較高時，其具有較大的容性功率，能有效降低光伏電站的感性無功損耗。但高壓電纜造價相對昂貴，該項目通過增加電纜長度來降低無功補償容量配置的費用約為直接增加無功補償容量配置費用的50倍，大型光伏電站難以采用通過增加送出線路電纜長度占比的方式來降低無功補償容量的配置。因此，在光伏電站線路工程初步設(shè)計時，應(yīng)避免出現(xiàn)送出線路電纜長度增加而造成無功補償容量超配的情況，導(dǎo)致增加不必要的投資。

3.2" 匯集線路

該項目光伏場區(qū)土地類型屬于復(fù)雜山地，受山地陰影遮擋、坡度、方位角等因素的影響，光伏方陣的分布呈碎片化，布置于多個地塊。單個地塊的光伏組件裝機容量不足以支持1整條匯集線路的容量需求，且架空線路存在較多T接情況。但在項目前期設(shè)計深度不夠的情況下，僅以工程物料清單中線路全段等負載進行計算，由于線路的容性無功損耗與其負載率無關(guān)，而線路的感性無功損耗與負載率平方成正比[7-8]，因此該方法計算得到的感性無功損耗結(jié)果與實際值偏差較大，對光伏電站無功補償容量配置的選擇有重要影響。

從該光伏電站中選出3條典型匯集線路（匯集線11#、匯集線2#、匯集線4#），每臺箱式變壓器通過電纜出線，接至下一臺箱式變壓器或架空線路，接線系統(tǒng)圖如圖1所示。其中：粗實線表示匯集線路的架空線路部分；細實線表示匯集線路的電纜線路部分；箱變指箱式變壓器。

結(jié)合圖1可知，在負載率為1時，匯集線11#的架空線路處于滿載工作狀態(tài)；匯集線2#的若干光伏方陣可通過箱式變壓器直接串接后T接，T接點較少。匯集線2#的分段負載分布如表4所示。

匯集線4#中箱式變壓器的布置位置分散，導(dǎo)致其T接點較多，全線路的工作電流從48#箱式變壓器至58#箱式變壓器T接點處逐步增大。匯集線4#的分段負載分布如表5所示。

第p回匯集線路的感性無功損耗修正值Q*L_CL， p可表示為：

（8）

結(jié)合式（8）可知，該復(fù)雜山地光伏電站的匯集線路感性無功損耗計算值（當β=1時）由25.68 MVar減至17.72 MVar，充電功率不變。因此通過匯集線路負載分段精細計算可以提高光伏電站線路工程無功損耗計算的準確度，從而提升光伏電站整體收益。

3.3" 無功補償容量計算方式改進后的結(jié)果

根據(jù)本文計算結(jié)果可知，增加送出線路的電纜敷設(shè)長度、降低送出線路架空線路長度、匯集線路負載分段計算均可以降低光伏電站無功補償容量配置。線路工程計算方式改進后，該光伏電站應(yīng)配置的無功補償容量如表6所示。

結(jié)合表6數(shù)據(jù)計算得出：該光伏電站應(yīng)配置容性無功補償容量為79.84 MVar，感性無功補償容量為7.89 MVar，與原光伏電站無功補償容量配置相比，改進后該光伏電站能夠節(jié)約前期投資額達數(shù)十萬元，提升了光伏電站的整體收益。

4" 建議

在進行大型山地光伏電站前期工程設(shè)計時，項目所配置的無功補償容量對光伏電站后期運行的安全性和經(jīng)濟性具有重要影響。項目設(shè)計初期，在對無功補償裝置進行容量選型時，應(yīng)重點關(guān)注以下兩點，以確保配置的無功補償容量既能滿足項目需求，又可以避免超配過多導(dǎo)致投資與運維成本的增加。

1）在光伏電站中，送出線路的規(guī)劃與設(shè)計尤為重要，應(yīng)特別注意是否采用電纜作為送出線路的部分線路。由于送出線路的電壓等級較高，使用電纜在項目運行期間能夠提供較大的容性無功功率，可有效降低光伏電站的感性無功損耗。然而，在考慮使用電纜的同時，應(yīng)適當降低無功補償容量配置，避免無功補償容量出現(xiàn)超配的問題，從而造成不必要的成本費用增加。

2）在針對復(fù)雜山地光伏電站的匯集線路感性無功損耗的計算時，應(yīng)考慮實際項目的分散程度、光伏方陣布局、線路負載分布等具體因素，對計算結(jié)果進行系數(shù)修正。修正后能夠更準確地反映復(fù)雜山地地形對光伏電站匯集線路設(shè)計的影響，進而優(yōu)化無功補償容量的管理，提高光伏電站運行的經(jīng)濟效益。

5" 結(jié)論

本文針對典型復(fù)雜山地光伏電站的無功補償容量配置問題，考慮到匯集線路及送出線路工程的特殊性，結(jié)合光伏電站建設(shè)的經(jīng)濟性，通過理論計算分析的方式，在線路工程設(shè)計環(huán)節(jié)對無功補償容量的計算方式進行了改進，并進行了對比計算，得到以下結(jié)論：

1）增加送出線路的電纜敷設(shè)長度、降低送出線路架空線路長度、匯集線路負載分段計算均可以降低光伏電站無功補償容量配置；

2）采用改進后的計算方式可使光伏電站前期投資額節(jié)約數(shù)十萬元，提升了光伏電站的整體收益。

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Research on Improving Calculation Method of Reactive Power Compensation Capacity in the Line Engineering Design of Mountain PV Power Station

Han Jianmin，Zhang Xiaofeng，Zhang Mao

（Xi'an Longji Clean Energy Co.，Ltd，Xi'an 710000，China）

Abstract：In recent years，with the rapid increase in the number and installed capacity of grid connected PV power stations，PV power generation has had a significant impact on the stability and safe operation of the power grid. In order to ensure the stability of the power grid，reactive power compensation devices have become one of the essential equipment for PV power stations. However，in actual operation，it has been found that most PV power stations have the problem of excessive allocation of reactive power compensation capacity，leading to an increase in project investment costs. This paper focuses on the configuration of reactive power compensation capacity for typical complex mountain PV power stations. Considering the special nature of the collection and transmission line projects，combined with the economic feasibility of PV power station construction，the calculation method of reactive power compensation capacity has been improved in the line engineering design stage through theoretical calculation and analysis，and comparative calculations are conducted .The research results show that：1） Increasing the cable laying length of the transmission line，reducing the length of the overhead transmission line，and segmenting the load calculation of the collection line can all reduce the reactive power compensation capacity configuration of the PV power station. 2） By adopting the improved calculation method，the PV power station can save hundreds of thousands of yuan in initial investment and increase the overall revenue of the PV power station.

Keywords：reactive power compensation capacity；line project；mountain PV power station；engineering calculation optimization；overhead line；collection line；transformer

通信作者：韓健民（1997—），男，碩士，主要從事光伏電站設(shè)計方面的工作。1260983249@qq.com