光伏電站無功補償容量選擇與討論

摘 要：光伏發電作為一種新型能源，正在被人們所認識與接受。2013年，全國各地均出現了光伏電站的搶裝潮，隨著光伏電站并網比例的不斷升高，光伏電站中無功補償的投入與建設成本成為學者及設計人員關注的焦點。文章通過對大型光伏電站無功損耗的計算，選擇出合理的補償容量，與使用傳統的無功補償容量配置計算方法進行比較，得出無功補償容量的最優配置原則。

關鍵詞：光伏發電；無功補償

引言

隨著全球能源消耗的不斷增長，正當石油天然氣能源漸見拮據、煤炭能源污染加劇、電供應日益成為"卡脖頸"問題的時候，太陽能引起了人們更多的關注。近年來，由于全國各地新的光伏政策的不斷出臺，各類有關于光伏發電產業的利好消息日漸增多，各地出現了一片光伏電站的搶裝熱潮，與此同時也帶動了光伏相關行業的發展。靜止無功發生器（SVG）作為靜止無功補償器（SVC）的更新換代產品越來越多的應用在各光伏電站中。文章選取青海當地1座20MW光伏電站為項目案例，對該電站的無功損耗進行計算，得出該電站無功補償裝置的容量配置，并與傳統無功補償裝置容量配置進行比較，得出光伏電站無功補償裝置容量最優配置方案。

1 光伏電站無功損耗

光伏電站無功損耗計算主要為線路無功損耗計算、變壓器無功損耗計算。可通過計算以上損耗之和得出無功補償所需配置容量。

1.1 線路無功損耗計算

QL=3I2X

QL-線路電抗產生的無功損耗，kvar；I-線路額定功率下電流，A

I=P/（√3 U cos ？椎）

P-線路額定功率，kW；U-線路額定線電壓kv；cos -功率因數；X-線路等值電抗；

X=xL

x-導線單位長度電抗，Ω/km；L-線路長度，km。

1.2 單臺變壓器無功損耗計算

-變壓器無功損耗，kvar； -變壓器短路電壓百分比； -變壓器空載電流百分比； -負載系數； -變壓器額定容量，kvA.

1.3 系統無功功率損耗

Q=QL+QT

2 典型光伏電站無功損耗計算

文章選取青海當地1座20MW光伏電站為項目案例，該電站裝機容量為20MW，分為20個1MW光伏發電單元，20個發電單元通過方陣內匯流箱進行1級匯流后，經20個逆變升壓單元逆變升壓后，由3個集電回路將電能送入到開閉站3個高壓開關柜中，最終送入到公網以實現電站并網。

2.1 電站集電線路無功損耗計算

由于光伏并網電站為電源端，在一般情況下只給電網提供有功電能，即將太陽能光伏陣列的直流電能轉換為與電網同頻率、同相位的交流電能虧送給電網，故光伏方針內低壓集電電纜不作為光伏電站線纜無功損耗的主要因素，本次對光伏電站集電電纜無功損耗的計算主要為35kv集電電纜的無功損耗、200米35kv送出線纜無功損耗、6km架空線路無功損耗。

2.1.1 35kv集電線路產生無功損耗

由于該電站使用YJV22-35kv-3x70電纜作為集電電纜，3個回路集電電纜用量如表1所示：

表1

各集電回路電流為表2所示：

表2

查表3得YJV22-35kv-3x70電纜單位長度電抗為x=0.132 Ω/km

集電回路無功損耗為表3所示：

表3

2.1.2 光伏電站至站外桿塔電纜無功損耗

本站35kv送出電纜使用YJV22-35kv-3x240電纜，電纜單位長度電抗為x=0.0916 Ω/km

35kv送出線路無功損耗為表4所示：

表4

2.1.3 架空線路無功損耗

本站架空線路使用LGJ-240鋼芯鋁絞線，鋼芯鋁絞線單位長度電抗為x=0.386 Ω/km

架空線路無功損耗為表5所示：

表5

綜上，線纜無功損耗為：20.8+5+625.32=651.12 kvar

2.2 變壓器無功損耗計算

該電站共計20個光伏發電單元，每個光伏發電單元裝機容量為1MW，1MW光伏發電單元系統圖如圖1：

如圖1，每個光伏發電單元由若干匯流箱組成1級匯流單元，由2臺直流柜構成2級匯流單元，由2臺0.5MW逆變器及1臺S11-1000kvA，35/0.3-0.3kv組成逆變升壓單元。光伏發電單元中，由于逆變器本身具有無功補償效果，故只需計算20臺箱式變壓器無功損耗。

箱式變壓器參數：

型號：S11-1000kvA，35/0.3-0.3kv

容量：1000kvA 短路阻抗：6.5%

變壓器空載電流比：0.31% 變壓器臺數：20

下列計算方法為單臺變壓器無功損耗計算方法

則，該電站20臺箱式變壓器無功損耗計算方法為：

可得出變壓器在不同負荷情況下所產生的無功損耗，如表6：

通過對變壓器各負載情況下的無功損耗計算可以得出，變壓器最小負荷情況下所消耗的無功損耗為62kvar，滿負荷情況下所消耗的無功損耗為1362kvar。根據對青海當地已建成部分光伏電站的平均發電負荷的統計得知，20MW光伏電站的平均發電負荷約為70%左右，即變壓器在70%負荷情況下無功損耗為699kvar，此時系統無功功率損耗

Q=QL+QT=651.12+699=1350.12kvar

通過以上計算，可為該電站配置補償容量為1.4MVar的無功補償裝置。依據傳統無功補償容量的算法可得出，20MW光伏電站需配置的無功補償容量約為電站裝機容量的的10%左右，即2MVar，通過對比可以看出，如依據傳統算法對無功補償裝置的容量進行計算，以一個20MW的電站為例，大約會造成月700kvar的裝置容量浪費，多余補償容量約占總配置容量的35%。

3 補償容量過大的危害

無功補償裝置容量配置過大不但會增加項目的投資成本，造成項目投入的浪費，而且可能會出現過補償情況，造成站端電壓升高，引起過電壓情況的發生。近年來，大量光伏電站中的無功補償裝置多為降壓式成套無功補償裝置，其物理結構由降壓變壓器及無功補償成套控制柜組成，降壓變壓器的容量及大小多與無功補償裝置的容量成正比，即補償裝置容量越大，變壓器的安裝容量及尺寸越大，相應的變壓器基礎也越大，如不合理配置無功補償裝置的容量，造成補償容量配置過大，則會造成補償裝置變壓器的空載損耗及裝置冷卻損耗的增加，降低設備使用效率及經濟效益。

4 結束語

國家能源局發布的《國家能源局關于下達2014年光伏發電年度新增建設規模的通知》中提到2014年國內新增總規模1400MW，由此可以看出在未來1年甚至多年中，光伏發電仍舊是國家所扶持的新興能源行業，盡管光伏電站中的逆變器早已實現了無功調節的功能，但光伏電站需具備一定的無功備用容量用以在電網故障或異常時，向電網提供無功支持，防止電壓崩潰已成為光伏電站設備配置的硬性要求，合理地計算光伏電站的無功損耗，得出合理的無功補償容量配置可避免依靠傳統算法配置過大容量的無功補償裝置，致使光伏電站無功補償裝置的投資浪費，從側面加大光伏電站的投資回報。

參考文獻

[1]姚天亮，鄭昕，楊德洲，等.打捆并網方式下光伏電站無功補償及諧波問題[J].電力建設，2011，32（8）：24-28

[2]（日）太陽光發電協會.太陽能光伏發電系統的設計與施工[M].北京：科學出版社，2006，13-72.

[3]GB/T29321-2012，光伏發電站無功補償技術規范[S]，2011（20）.

作者簡介：劉剛（1985-），男（漢族），陜西西安，本科，電氣工程及其自動化，主要從事光伏系統集成的電氣系統的設計和研究。

摘 要：光伏發電作為一種新型能源，正在被人們所認識與接受。2013年，全國各地均出現了光伏電站的搶裝潮，隨著光伏電站并網比例的不斷升高，光伏電站中無功補償的投入與建設成本成為學者及設計人員關注的焦點。文章通過對大型光伏電站無功損耗的計算，選擇出合理的補償容量，與使用傳統的無功補償容量配置計算方法進行比較，得出無功補償容量的最優配置原則。

關鍵詞：光伏發電；無功補償

引言

隨著全球能源消耗的不斷增長，正當石油天然氣能源漸見拮據、煤炭能源污染加劇、電供應日益成為"卡脖頸"問題的時候，太陽能引起了人們更多的關注。近年來，由于全國各地新的光伏政策的不斷出臺，各類有關于光伏發電產業的利好消息日漸增多，各地出現了一片光伏電站的搶裝熱潮，與此同時也帶動了光伏相關行業的發展。靜止無功發生器（SVG）作為靜止無功補償器（SVC）的更新換代產品越來越多的應用在各光伏電站中。文章選取青海當地1座20MW光伏電站為項目案例，對該電站的無功損耗進行計算，得出該電站無功補償裝置的容量配置，并與傳統無功補償裝置容量配置進行比較，得出光伏電站無功補償裝置容量最優配置方案。

1 光伏電站無功損耗

光伏電站無功損耗計算主要為線路無功損耗計算、變壓器無功損耗計算。可通過計算以上損耗之和得出無功補償所需配置容量。

1.1 線路無功損耗計算

QL=3I2X

QL-線路電抗產生的無功損耗，kvar；I-線路額定功率下電流，A

I=P/（√3 U cos ？椎）

P-線路額定功率，kW；U-線路額定線電壓kv；cos -功率因數；X-線路等值電抗；

X=xL

x-導線單位長度電抗，Ω/km；L-線路長度，km。

1.2 單臺變壓器無功損耗計算

-變壓器無功損耗，kvar； -變壓器短路電壓百分比； -變壓器空載電流百分比； -負載系數； -變壓器額定容量，kvA.

1.3 系統無功功率損耗

Q=QL+QT

2 典型光伏電站無功損耗計算

文章選取青海當地1座20MW光伏電站為項目案例，該電站裝機容量為20MW，分為20個1MW光伏發電單元，20個發電單元通過方陣內匯流箱進行1級匯流后，經20個逆變升壓單元逆變升壓后，由3個集電回路將電能送入到開閉站3個高壓開關柜中，最終送入到公網以實現電站并網。

2.1 電站集電線路無功損耗計算

由于光伏并網電站為電源端，在一般情況下只給電網提供有功電能，即將太陽能光伏陣列的直流電能轉換為與電網同頻率、同相位的交流電能虧送給電網，故光伏方針內低壓集電電纜不作為光伏電站線纜無功損耗的主要因素，本次對光伏電站集電電纜無功損耗的計算主要為35kv集電電纜的無功損耗、200米35kv送出線纜無功損耗、6km架空線路無功損耗。

2.1.1 35kv集電線路產生無功損耗

由于該電站使用YJV22-35kv-3x70電纜作為集電電纜，3個回路集電電纜用量如表1所示：

表1

各集電回路電流為表2所示：

表2

查表3得YJV22-35kv-3x70電纜單位長度電抗為x=0.132 Ω/km

集電回路無功損耗為表3所示：

表3

2.1.2 光伏電站至站外桿塔電纜無功損耗

本站35kv送出電纜使用YJV22-35kv-3x240電纜，電纜單位長度電抗為x=0.0916 Ω/km

35kv送出線路無功損耗為表4所示：

表4

2.1.3 架空線路無功損耗

本站架空線路使用LGJ-240鋼芯鋁絞線，鋼芯鋁絞線單位長度電抗為x=0.386 Ω/km

架空線路無功損耗為表5所示：

表5

綜上，線纜無功損耗為：20.8+5+625.32=651.12 kvar

2.2 變壓器無功損耗計算

該電站共計20個光伏發電單元，每個光伏發電單元裝機容量為1MW，1MW光伏發電單元系統圖如圖1：

如圖1，每個光伏發電單元由若干匯流箱組成1級匯流單元，由2臺直流柜構成2級匯流單元，由2臺0.5MW逆變器及1臺S11-1000kvA，35/0.3-0.3kv組成逆變升壓單元。光伏發電單元中，由于逆變器本身具有無功補償效果，故只需計算20臺箱式變壓器無功損耗。

箱式變壓器參數：

型號：S11-1000kvA，35/0.3-0.3kv

容量：1000kvA 短路阻抗：6.5%

變壓器空載電流比：0.31% 變壓器臺數：20

下列計算方法為單臺變壓器無功損耗計算方法

則，該電站20臺箱式變壓器無功損耗計算方法為：

可得出變壓器在不同負荷情況下所產生的無功損耗，如表6：

通過對變壓器各負載情況下的無功損耗計算可以得出，變壓器最小負荷情況下所消耗的無功損耗為62kvar，滿負荷情況下所消耗的無功損耗為1362kvar。根據對青海當地已建成部分光伏電站的平均發電負荷的統計得知，20MW光伏電站的平均發電負荷約為70%左右，即變壓器在70%負荷情況下無功損耗為699kvar，此時系統無功功率損耗

Q=QL+QT=651.12+699=1350.12kvar

通過以上計算，可為該電站配置補償容量為1.4MVar的無功補償裝置。依據傳統無功補償容量的算法可得出，20MW光伏電站需配置的無功補償容量約為電站裝機容量的的10%左右，即2MVar，通過對比可以看出，如依據傳統算法對無功補償裝置的容量進行計算，以一個20MW的電站為例，大約會造成月700kvar的裝置容量浪費，多余補償容量約占總配置容量的35%。

3 補償容量過大的危害

無功補償裝置容量配置過大不但會增加項目的投資成本，造成項目投入的浪費，而且可能會出現過補償情況，造成站端電壓升高，引起過電壓情況的發生。近年來，大量光伏電站中的無功補償裝置多為降壓式成套無功補償裝置，其物理結構由降壓變壓器及無功補償成套控制柜組成，降壓變壓器的容量及大小多與無功補償裝置的容量成正比，即補償裝置容量越大，變壓器的安裝容量及尺寸越大，相應的變壓器基礎也越大，如不合理配置無功補償裝置的容量，造成補償容量配置過大，則會造成補償裝置變壓器的空載損耗及裝置冷卻損耗的增加，降低設備使用效率及經濟效益。

4 結束語

國家能源局發布的《國家能源局關于下達2014年光伏發電年度新增建設規模的通知》中提到2014年國內新增總規模1400MW，由此可以看出在未來1年甚至多年中，光伏發電仍舊是國家所扶持的新興能源行業，盡管光伏電站中的逆變器早已實現了無功調節的功能，但光伏電站需具備一定的無功備用容量用以在電網故障或異常時，向電網提供無功支持，防止電壓崩潰已成為光伏電站設備配置的硬性要求，合理地計算光伏電站的無功損耗，得出合理的無功補償容量配置可避免依靠傳統算法配置過大容量的無功補償裝置，致使光伏電站無功補償裝置的投資浪費，從側面加大光伏電站的投資回報。

參考文獻

[1]姚天亮，鄭昕，楊德洲，等.打捆并網方式下光伏電站無功補償及諧波問題[J].電力建設，2011，32（8）：24-28

[2]（日）太陽光發電協會.太陽能光伏發電系統的設計與施工[M].北京：科學出版社，2006，13-72.

[3]GB/T29321-2012，光伏發電站無功補償技術規范[S]，2011（20）.

作者簡介：劉剛（1985-），男（漢族），陜西西安，本科，電氣工程及其自動化，主要從事光伏系統集成的電氣系統的設計和研究。

摘 要：光伏發電作為一種新型能源，正在被人們所認識與接受。2013年，全國各地均出現了光伏電站的搶裝潮，隨著光伏電站并網比例的不斷升高，光伏電站中無功補償的投入與建設成本成為學者及設計人員關注的焦點。文章通過對大型光伏電站無功損耗的計算，選擇出合理的補償容量，與使用傳統的無功補償容量配置計算方法進行比較，得出無功補償容量的最優配置原則。

關鍵詞：光伏發電；無功補償

引言

隨著全球能源消耗的不斷增長，正當石油天然氣能源漸見拮據、煤炭能源污染加劇、電供應日益成為"卡脖頸"問題的時候，太陽能引起了人們更多的關注。近年來，由于全國各地新的光伏政策的不斷出臺，各類有關于光伏發電產業的利好消息日漸增多，各地出現了一片光伏電站的搶裝熱潮，與此同時也帶動了光伏相關行業的發展。靜止無功發生器（SVG）作為靜止無功補償器（SVC）的更新換代產品越來越多的應用在各光伏電站中。文章選取青海當地1座20MW光伏電站為項目案例，對該電站的無功損耗進行計算，得出該電站無功補償裝置的容量配置，并與傳統無功補償裝置容量配置進行比較，得出光伏電站無功補償裝置容量最優配置方案。

1 光伏電站無功損耗

光伏電站無功損耗計算主要為線路無功損耗計算、變壓器無功損耗計算。可通過計算以上損耗之和得出無功補償所需配置容量。

1.1 線路無功損耗計算

QL=3I2X

QL-線路電抗產生的無功損耗，kvar；I-線路額定功率下電流，A

I=P/（√3 U cos ？椎）

P-線路額定功率，kW；U-線路額定線電壓kv；cos -功率因數；X-線路等值電抗；

X=xL

x-導線單位長度電抗，Ω/km；L-線路長度，km。

1.2 單臺變壓器無功損耗計算

-變壓器無功損耗，kvar； -變壓器短路電壓百分比； -變壓器空載電流百分比； -負載系數； -變壓器額定容量，kvA.

1.3 系統無功功率損耗

Q=QL+QT

2 典型光伏電站無功損耗計算

文章選取青海當地1座20MW光伏電站為項目案例，該電站裝機容量為20MW，分為20個1MW光伏發電單元，20個發電單元通過方陣內匯流箱進行1級匯流后，經20個逆變升壓單元逆變升壓后，由3個集電回路將電能送入到開閉站3個高壓開關柜中，最終送入到公網以實現電站并網。

2.1 電站集電線路無功損耗計算

由于光伏并網電站為電源端，在一般情況下只給電網提供有功電能，即將太陽能光伏陣列的直流電能轉換為與電網同頻率、同相位的交流電能虧送給電網，故光伏方針內低壓集電電纜不作為光伏電站線纜無功損耗的主要因素，本次對光伏電站集電電纜無功損耗的計算主要為35kv集電電纜的無功損耗、200米35kv送出線纜無功損耗、6km架空線路無功損耗。

2.1.1 35kv集電線路產生無功損耗

由于該電站使用YJV22-35kv-3x70電纜作為集電電纜，3個回路集電電纜用量如表1所示：

表1

各集電回路電流為表2所示：

表2

查表3得YJV22-35kv-3x70電纜單位長度電抗為x=0.132 Ω/km

集電回路無功損耗為表3所示：

表3

2.1.2 光伏電站至站外桿塔電纜無功損耗

本站35kv送出電纜使用YJV22-35kv-3x240電纜，電纜單位長度電抗為x=0.0916 Ω/km

35kv送出線路無功損耗為表4所示：

表4

2.1.3 架空線路無功損耗

本站架空線路使用LGJ-240鋼芯鋁絞線，鋼芯鋁絞線單位長度電抗為x=0.386 Ω/km

架空線路無功損耗為表5所示：

表5

綜上，線纜無功損耗為：20.8+5+625.32=651.12 kvar

2.2 變壓器無功損耗計算

該電站共計20個光伏發電單元，每個光伏發電單元裝機容量為1MW，1MW光伏發電單元系統圖如圖1：

如圖1，每個光伏發電單元由若干匯流箱組成1級匯流單元，由2臺直流柜構成2級匯流單元，由2臺0.5MW逆變器及1臺S11-1000kvA，35/0.3-0.3kv組成逆變升壓單元。光伏發電單元中，由于逆變器本身具有無功補償效果，故只需計算20臺箱式變壓器無功損耗。

箱式變壓器參數：

型號：S11-1000kvA，35/0.3-0.3kv

容量：1000kvA 短路阻抗：6.5%

變壓器空載電流比：0.31% 變壓器臺數：20

下列計算方法為單臺變壓器無功損耗計算方法

則，該電站20臺箱式變壓器無功損耗計算方法為：

可得出變壓器在不同負荷情況下所產生的無功損耗，如表6：

通過對變壓器各負載情況下的無功損耗計算可以得出，變壓器最小負荷情況下所消耗的無功損耗為62kvar，滿負荷情況下所消耗的無功損耗為1362kvar。根據對青海當地已建成部分光伏電站的平均發電負荷的統計得知，20MW光伏電站的平均發電負荷約為70%左右，即變壓器在70%負荷情況下無功損耗為699kvar，此時系統無功功率損耗

Q=QL+QT=651.12+699=1350.12kvar

通過以上計算，可為該電站配置補償容量為1.4MVar的無功補償裝置。依據傳統無功補償容量的算法可得出，20MW光伏電站需配置的無功補償容量約為電站裝機容量的的10%左右，即2MVar，通過對比可以看出，如依據傳統算法對無功補償裝置的容量進行計算，以一個20MW的電站為例，大約會造成月700kvar的裝置容量浪費，多余補償容量約占總配置容量的35%。

3 補償容量過大的危害

無功補償裝置容量配置過大不但會增加項目的投資成本，造成項目投入的浪費，而且可能會出現過補償情況，造成站端電壓升高，引起過電壓情況的發生。近年來，大量光伏電站中的無功補償裝置多為降壓式成套無功補償裝置，其物理結構由降壓變壓器及無功補償成套控制柜組成，降壓變壓器的容量及大小多與無功補償裝置的容量成正比，即補償裝置容量越大，變壓器的安裝容量及尺寸越大，相應的變壓器基礎也越大，如不合理配置無功補償裝置的容量，造成補償容量配置過大，則會造成補償裝置變壓器的空載損耗及裝置冷卻損耗的增加，降低設備使用效率及經濟效益。

4 結束語

國家能源局發布的《國家能源局關于下達2014年光伏發電年度新增建設規模的通知》中提到2014年國內新增總規模1400MW，由此可以看出在未來1年甚至多年中，光伏發電仍舊是國家所扶持的新興能源行業，盡管光伏電站中的逆變器早已實現了無功調節的功能，但光伏電站需具備一定的無功備用容量用以在電網故障或異常時，向電網提供無功支持，防止電壓崩潰已成為光伏電站設備配置的硬性要求，合理地計算光伏電站的無功損耗，得出合理的無功補償容量配置可避免依靠傳統算法配置過大容量的無功補償裝置，致使光伏電站無功補償裝置的投資浪費，從側面加大光伏電站的投資回報。

參考文獻

[1]姚天亮，鄭昕，楊德洲，等.打捆并網方式下光伏電站無功補償及諧波問題[J].電力建設，2011，32（8）：24-28

[2]（日）太陽光發電協會.太陽能光伏發電系統的設計與施工[M].北京：科學出版社，2006，13-72.

[3]GB/T29321-2012，光伏發電站無功補償技術規范[S]，2011（20）.

作者簡介：劉剛（1985-），男（漢族），陜西西安，本科，電氣工程及其自動化，主要從事光伏系統集成的電氣系統的設計和研究。