光伏發(fā)電站并網(wǎng)逆變器代替SVG集中式無功補(bǔ)償裝置探討

王 賓， 張 健

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州 611231；2.四川省電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610072)

1 概 述

2019年，我國(guó)光伏已經(jīng)正式進(jìn)入“平價(jià)時(shí)代”，在建設(shè)成本方面，目前國(guó)內(nèi)光伏每瓦建設(shè)成本已從最初的40～50元降低至4～5元；在上網(wǎng)電價(jià)方面，光伏領(lǐng)跑基地項(xiàng)目通過競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的上網(wǎng)電價(jià)，較當(dāng)?shù)毓夥暇W(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)每千瓦時(shí)下降0.19～0.31元，平均下降0.24元，其中最低電價(jià)為青海格爾木光伏領(lǐng)跑者基地0.31元/kWh，已低于當(dāng)?shù)厝济簶?biāo)桿電價(jià)。光伏電站建設(shè)的“降本增效”成為光伏投資企業(yè)的首要考慮問題。

光伏建設(shè)的“降本”包括生產(chǎn)降本和技術(shù)降本兩個(gè)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)降本包括降低組件、逆變器等主要設(shè)備的生產(chǎn)成本，技術(shù)降本包括應(yīng)用新技術(shù)、新工藝等減少光伏發(fā)電的中間環(huán)節(jié)、可替代的設(shè)備等；“增效”包括提高組件、逆變器等設(shè)備的利用效率、減少電站的無功損失等方面。

本文要論述的主要問題就是在光伏電站的技術(shù)降本方面，即應(yīng)用新技術(shù)、新工藝等減少光伏發(fā)電的中間環(huán)節(jié)，節(jié)省設(shè)備的投資。

2 光伏發(fā)電站的要求

我們先論述光伏發(fā)電站對(duì)無功補(bǔ)償裝置的配置和無功電源有些什么要求，再論述光伏發(fā)電站對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器無功調(diào)節(jié)能力的要求。

2.1 光伏發(fā)電站對(duì)無功補(bǔ)償配置的要求

根據(jù)《光伏電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/T 19964-2012)的規(guī)定：

(1)光伏發(fā)電站的無功容量應(yīng)按照分層和分區(qū)基本平衡的原則進(jìn)行配置，并滿足檢修備用的要求[1]；

(2)通過10～35 kV電壓等級(jí)并網(wǎng)的光伏發(fā)電站功率因數(shù)應(yīng)能在超前0.98～滯后0.98范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，有特殊要求時(shí)，可做適當(dāng)調(diào)整以穩(wěn)定電壓水平；

(3)對(duì)于通過110(66)kV及以上電壓等級(jí)并網(wǎng)的光伏發(fā)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(bǔ)償光伏發(fā)電站滿發(fā)時(shí)站內(nèi)匯集線路、主變壓器的感性無功及光伏發(fā)電站送出線路的一半感性無功之和；

② 感性無功容量能夠補(bǔ)償光伏電站自身的容性充電無功功率及光伏發(fā)電站送出線路的一半充電無功之和。

(4)對(duì)于通過220kV(或330kV)光伏發(fā)電匯集系統(tǒng)升壓至500kV(或750kV)電壓等級(jí)接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站群中的光伏發(fā)電站，無功容量配置宜滿足下列要求：

①容性無功容量能夠補(bǔ)償光伏發(fā)電站滿發(fā)時(shí)匯集線路、主變壓器的感性無功及光伏發(fā)電站送出線路的全部感性無功之和；

②感性無功容量能夠補(bǔ)償光伏電站自身的容性充電無功功率及光伏發(fā)電站送出線路的全部充電無功之和。

一般而言，光伏發(fā)電站中，變壓器的無功將占到整個(gè)電站無功的70%以上[2]，變壓器的無功損耗計(jì)算公式為：

式中QT為變壓器消耗的無功，S≈SN為變壓器的額定容量，UK%為變壓器的短路阻抗，I0%為變壓器的空載電流。

根據(jù)以上公式，計(jì)算出光伏發(fā)電站內(nèi)，包括箱變和升壓主變的無功損耗值約為變壓器額定容量的16%左右，再加上光伏發(fā)電站內(nèi)匯集線路、并網(wǎng)送出線路一半的無功損耗，站內(nèi)需要補(bǔ)償?shù)娜菪詿o功大約占并網(wǎng)容量的20%～30%左右，感性無功包括匯集線路充電無功功率及光伏發(fā)電站送出線路的一半充電無功之和，一般光伏發(fā)電站內(nèi)所需補(bǔ)償?shù)母行詿o功小于需要補(bǔ)償?shù)娜菪詿o功。

由以上簡(jiǎn)易計(jì)算可知，一個(gè)裝機(jī)容量為100 MWp的光伏發(fā)電站，所需要配置的SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償容量約為20～30 Mvar。

2.2 光伏發(fā)電站對(duì)無功電源的要求

根據(jù)《光伏發(fā)電站無功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范》(GB/T 29321-2012)的規(guī)定：

(1)光伏發(fā)電站的無功電源包括光伏并網(wǎng)逆變器和光伏發(fā)電站集中無功補(bǔ)償裝置；

(2)光伏發(fā)電站應(yīng)充分利用并網(wǎng)逆變器的無功容量及其調(diào)節(jié)能力，當(dāng)并網(wǎng)逆變器的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓與無功調(diào)節(jié)需要時(shí)，應(yīng)在光伏發(fā)電站配置集中無功補(bǔ)償裝置，并綜合考慮光伏發(fā)電站各種出力水平和接入系統(tǒng)后各種運(yùn)行工況下的暫態(tài)、動(dòng)態(tài)過程，配置足夠的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償容量；

(3)光伏發(fā)電站的無功電源應(yīng)能夠跟蹤光伏出力的波動(dòng)及系統(tǒng)電壓控制要求并快速響應(yīng)；

(4)光伏發(fā)電站的無功調(diào)節(jié)需求不同，所配置的無功補(bǔ)償裝置不同，其響應(yīng)時(shí)間應(yīng)根據(jù)光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)后電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)需求后確定。光伏發(fā)電站動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于30 ms。

以上4條規(guī)定了光伏發(fā)電站對(duì)無功電源的無功電壓控制的要求和動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)時(shí)間的要求。

2.3 光伏發(fā)電站對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器無功調(diào)節(jié)能力的要求

根據(jù)《光伏發(fā)電站無功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范》(GB/T 29321-2012)的規(guī)定：

(1)光伏發(fā)電站安裝的并網(wǎng)逆變器應(yīng)滿足額定有功出力下功率因數(shù)在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)，并應(yīng)滿足在圖1中所示矩形框內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)。

圖1 逆變器無功出力范圍

(2)光伏發(fā)電站要充分利用并網(wǎng)逆變器的無功容量及其調(diào)節(jié)能力；當(dāng)逆變器的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要時(shí)，應(yīng)在光伏發(fā)電站集中配置適當(dāng)容量的無功補(bǔ)償裝置，必要時(shí)加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

2.4 光伏發(fā)電站對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器無功控制的要求

根據(jù)《光伏發(fā)電站無功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范》(GB/T 29321-2012)的規(guī)定：

(1)光伏發(fā)電站并網(wǎng)逆變器應(yīng)具有多種控制模式，包括恒電壓控制、恒功率因數(shù)控制和恒無功功率控制等，具備根據(jù)運(yùn)行需要手動(dòng)/自動(dòng)切換模式的能力[3]。

(2)光伏發(fā)電站并網(wǎng)逆變器應(yīng)在其無功調(diào)節(jié)范圍內(nèi)按光伏發(fā)電站無功電壓控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)要求進(jìn)行無功/電壓控制[4]。

3 光伏并網(wǎng)逆變器的無功調(diào)節(jié)功能

3.1 光伏并網(wǎng)逆變器的無功輸出能力

大部分光伏逆變器具備功率因數(shù)在超前0.9～滯后0.9連續(xù)可調(diào)的無功調(diào)節(jié)能力[5]。以某個(gè)光伏逆變器廠500 kW集中式并網(wǎng)光伏逆變器為例，在輸出500 kW有功功率的同時(shí)，可輸出大約最大242 kVar的無功功率，并在-242 kVar～+242 kVar范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

圖2 光伏并網(wǎng)逆變器的無功輸出能力

500 kW光伏并網(wǎng)逆變器最大可發(fā)242 kVar的無功，逆變器最大無功達(dá)額定容量48.4%(242/500=48.4%)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光伏電站通常配置20～30%集中式無功補(bǔ)償(SVG)的容量，具有更好的電網(wǎng)無功調(diào)節(jié)能力。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，逆變器無功輸出可達(dá)設(shè)定值242 kVar的90%以上，滿足國(guó)標(biāo)GB/T 19964并網(wǎng)逆變器應(yīng)滿足額定有功出力下功率因數(shù)在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)要求。

3.2 光伏并網(wǎng)逆變器的無功調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間[6]

該逆變器運(yùn)行于恒電壓方式時(shí)，可根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)電壓，按照Q～U曲線輸出相應(yīng)的無功功率，響應(yīng)時(shí)間小于30 ms，滿足《光伏發(fā)電站無功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范》(GB/T 29321-2012)對(duì)動(dòng)態(tài)無功電源響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于30 ms要求[7](經(jīng)測(cè)試，單臺(tái)500 kW逆變器無功動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為27.733 ms)。

4 SVG集中式無功補(bǔ)償方式與并網(wǎng)逆變器無功補(bǔ)償技術(shù)方案比較

目前，電站現(xiàn)場(chǎng)采用的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVG，容量配比為總?cè)萘康?0～30%，即100 MW需要配置20～30 Mvar的SVG，技術(shù)方案如下圖3所示。單臺(tái)500 kW逆變器的無功輸出可達(dá)-242 kVar到+242 kVar，對(duì)于100 MW的光伏電站，所有逆變器可輸出的無功功率達(dá)-48 Mvar～+48 Mvar，滿足光伏電站的無功需求，因此，可利用光伏逆變器替代SVG裝置，技術(shù)方案如下圖3、圖4所示。

圖3 SVG集中無功補(bǔ)償技術(shù)方案

圖4 并網(wǎng)逆變器無功補(bǔ)償技術(shù)方案

表1 無功補(bǔ)償技術(shù)參數(shù)比較表

由以上技術(shù)參數(shù)的比較來看，并網(wǎng)逆變器的無功補(bǔ)償能力是優(yōu)于SVG集中無功補(bǔ)償裝置的，再加上用并網(wǎng)逆變器替代SVG集中無功補(bǔ)償裝置后，能節(jié)省SVG設(shè)備的投資(目前，主流SVG設(shè)備價(jià)格大約在150～200/kVar，僅SVG設(shè)備一項(xiàng)就能節(jié)省約數(shù)百萬的費(fèi)用)和設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，并且也節(jié)省了光伏升壓站部分的占地面積(升壓站土地使用性質(zhì)與光伏發(fā)電站本體土地不同，升壓站屬于永久性建設(shè)用地，光伏發(fā)電站本體用地屬于臨時(shí)租賃用地)。

目前，光伏并網(wǎng)逆變器取代取代傳統(tǒng)SVG無功補(bǔ)償裝置的測(cè)試工作已在部分光伏電站陸續(xù)展開，測(cè)試過程中，光伏電站原本配置的SVG裝置退出運(yùn)行，所有無功指令要求全部由具備SVG功能的光伏逆變器來實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果均驗(yàn)證了電站的無功控制能力，無功控制精度、無功響應(yīng)時(shí)間、電網(wǎng)電壓控制精度及響應(yīng)時(shí)間等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)標(biāo)的要求。這標(biāo)志著在光伏電站中，不用配置傳統(tǒng)的 SVG 設(shè)備，光伏電站同樣可以通過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用光伏逆變器內(nèi)置的無功發(fā)生功能替代傳統(tǒng)SVG設(shè)備是一種技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié) 語

單臺(tái)逆變器無功可達(dá)最大無功調(diào)節(jié)范圍達(dá)到逆變器額定功率的48.5%左右(即滿足超前0.9～滯后0.9連續(xù)可調(diào))，滿足《光伏電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/T 19964-2012)的要求。單臺(tái)逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間滿足《光伏發(fā)電站無功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范》(GB/T 29321-2012)動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)時(shí)間不大于30 ms要求逆變器具備恒無功功率、恒電壓、恒功率因數(shù)三種控制模式，可手動(dòng)/自動(dòng)切換更改控制模式。未來具有無功調(diào)節(jié)功能的并網(wǎng)逆變器替代SVG集中式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，是我國(guó)光伏發(fā)電“平價(jià)上網(wǎng)”強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

在光伏電站的設(shè)計(jì)中，為滿足接入電網(wǎng)的相關(guān)要求，一般按照光伏電站并網(wǎng)容量的20%～30%配置SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，如果并網(wǎng)逆變器所具有的連續(xù)無功調(diào)節(jié)能力能滿足光伏電站并網(wǎng)的要求，那我們?cè)诠夥娬镜慕ㄔO(shè)中能節(jié)省數(shù)百萬的SVG動(dòng)態(tài)無功設(shè)備的投資及數(shù)十萬的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，并且可以減少升壓站永久性建設(shè)用地的占地面積，無疑在光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的今天帶來更好的電站效益。