某地面集中式光伏發電項目的P/Q分析

摘 要：在光伏發電項目的前期規劃設計過程中，項目的裝機規模及無功補償容量配置往往會存在偏差，導致工作量大幅增加。提出對光伏發電系統進行有功功率/無功功率（P/Q）分析的方法，以求有效確定光伏發電項目裝機容量和無功補償容量。以境外某地面集中式光伏發電項目為例，在確保其能夠滿足并網點的功率要求，且具備調整功率因數的能力的前提下，進行P/Q分析，將基于項目損耗計算得到的并網點功率與實測值進行對比后發現，此方法得到的結果的精準率接近99.5%，證明了項目配置的合理性和準確性。

關鍵詞：光伏發電；裝機容量；無功補償容量；有功功率/無功功率分析

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

目前，國內外光伏發電項目在前期的規劃設計流程方面存在一定的差異。中國的光伏發電項目通常是根據項目備案時的裝機容量配置光伏組件裝機規模，未明確并網點功率的要求，但在可行性研究設計階段又必須對接入系統進行研究，并完成接入系統報告和電能質量分析報告的審批工作。在對地面集中式光伏發電項目進行規劃設計時，除了依據接入系統報告及電能質量分析報告作為設計輸入內容外，有功功率/無功功率（P/Q）分析也是不可或缺的步驟。

目前，電網公司對光伏發電項目發電量和發電效率的考核愈加重視。因此，在光伏發電項目規劃設計過程中，應先對各類損耗的取值進行詳細的計算，再進行發電量及發電效率的計算。以PVsyst軟件為例，在進行光伏發電系統建模時，需設置光伏發電系統的直流及交流回路線損，其設置界面如圖1所示。

相比之下，國外光伏發電項目通常依據并網點要求的項目功率及功率因數來配置項目的裝機容量，并與業主協商后再確定，這一協商過程即為初步的P/Q分析審查，各項損耗的取值均需得到業主認可。與國內項目不同，國外項目在前期通常不以電網研究結果作為設計輸入內容，因此，需根據項目自身要求擬定光伏組件裝機容量，利用項目紅線范圍內場地的情況完成光伏組件布置，再通過P/Q分析驗證裝機容量的合理性，進而對系統配置進行優化。

本文針對國外某地面集中式光伏發電項目，根據電網公司要求通過P/Q分析計算出項目各項損耗的數值，初步確定項目配置，并對計算結果進行驗證。

1" P/Q分析流程

P/Q分析是光伏發電項目規劃和設計過程中的關鍵步驟，具體包括以下幾個步驟。

1）分析并網點的要求：對并網點要求的項目功率和功率因數進行細致分析，目的是明確并網點對光伏發電項目的最低性能要求，為光伏發電項目的規劃和設計提供基準。

2）項目設想：在并網點要求分析的基礎上，或根據業主對線損和變壓器效率的具體要求，假定一個合理的項目配置方式，從而進行有功功率和無功功率損耗的計算。

3）有功功率和無功功率損耗計算：包括線路損耗、變壓器損耗等。

4）確定項目的裝機容量及無功功率補償容量：在項目滿足并網點要求的情況下，反推光伏發電系統最低規模配置。

2" 損耗計算

損耗計算是光伏發電項目P/Q分析中重要的步驟，其中，有功功率損耗主要涉及光伏組件至逆變器的直流電纜、逆變器至中壓箱式變壓器的動力電纜、中壓箱式變壓器、中壓集電線路電纜或架空線、光伏電站升壓站主升壓變壓器、全場輔助用電電源、送出線路的有功功率損耗；無功功率損耗主要包括逆變器至中壓箱式變壓器的動力電纜、中壓箱式變壓器、中壓集電線路電纜或架空線、光伏電站升壓站主升壓變壓器、送出線路的無功功率損耗。

由于P/Q分析是對光伏發電項目交流部分的分析，因此直流電纜損耗不納入分析計算，但在項目發電量及發電效率計算中需對直流電纜損耗進行計算。交流線路的有功功率損耗主要受電纜或架空線的電阻的影響，電阻值通常根據電纜或架空線的導體溫度為90 ℃時對應的最大交流電阻值確定，但取值相對保守，因此實際項目可根據具體情況適當降低電阻值。線路的無功功率損耗及充電功率主要受電纜或架空線的感抗及正序電容的影響，其中無功功率損耗由電感產生，充電功率由電容產生。運行中的送電線路，既是無功負荷也是無功電源，其產生的無功功率與運行電壓的平方成正比，其消耗的無功功率與其導線通過電流的平方成正比。通常，相較于架空線電纜的無功功率損耗偏低、充電功率偏高，電纜線路可作為無功電源參與無功功率平衡，不進行電抗補償[1]。

然而，在實際光伏發電項目中，小電流送電線路經常出現無功功率損耗極低，但充電功率相對較大的情況，因此需對電纜線路多余的充電功率補償。變壓器的有功功率和無功功率損耗主要依據國家現行的GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》要求，選取適合項目的負載損耗、空載損耗、阻抗電壓、空載電流等參數即可進行計算。

電纜及架空線的功率損耗計算式[1]為：

ΔPL=∑（3I2RL×10-3） " " " " " " "（1）

ΔQL=∑（3I2XL×10-3） " " " " " " "（2）

式中：ΔPL為電纜或架空線的有功功率損耗，kW；ΔQL為電纜或架空線的無功功率損耗，kVar；I為相電流，A；R為每相電纜或架空線單位長度的電阻，Ω/km；X為每相電纜或架空線單位長度的電抗，Ω/km；L為線路計算長度，km。

需要注意的是，上述兩式僅計算了發熱導致的功率損耗，若線路電壓等級為330 kV及以上，還應考慮電暈功率損耗[1]。

變壓器損耗的計算式[1]為：

ΔPT=ΔP0+ΔPk " " " " " " " " " " " " " （3）

ΔQT=+ " " " " " " " " " " " " " （4）

式中：ΔPT為變壓器有功功率損耗，kW；ΔQT為變壓器無功功率損耗，kVar；ΔP0為變壓器空載損耗，kW；ΔPk為變壓器負載損耗，kW；Se為變壓器計算負荷，kVA；SN為變壓器額定容量，kVA；I0為變壓器空載電流百分數，%；uk為變壓器阻抗電壓百分數，%。

3" P/Q分析實例

3.1" 項目概況

以緬甸吉榮吉瓦地區某實際光伏發電項目為例進行分析，該項目并網計量點位于光伏電站對側的水電站電壓等級為132 kV的母線上，并網點要求的項目功率為30 MW，要求的項目功率因數具備±0.85范圍內的可調能力。

3.2" 項目設置

本項目擬定采用148臺容量為215 kW的組串式并網逆變器，在設計溫度（即環境溫度）為40 ℃的條件下，項目額定裝機容量為30.192 MW、最大裝機容量為31.82 MW；光伏場區設置4臺規格為33kV/3264kVA的雙繞組中壓箱式變壓器和3臺規格為33kV/6120kVA的雙分裂中壓箱式變壓器。項目需建設1座132 kV光伏電站升壓站，升壓站內132 kV主變壓器容量選擇為34 MVA；設置1套±10 MVar動態無功功率補償裝置；132 kV接線形式采用變壓器線路組接線；項目最終以1回132 kV架空線路送出至并網點，架空線路全長約為10 km，導線截面面積按240 mm2選擇。

3.3" 項目配置合理性驗證

經過與參建各機構單位及緬甸電網公司溝通后，明確了光伏電站在最大輸出功率情況下，其在并網點功率達到30 MW，即可滿足項目設計要求。由于逆變器的輸出功率與環境溫度相關，通常環境溫度不超過30 ℃時，逆變器的輸出功率可達到最大；當環境溫度超過30 ℃時，逆變器的輸出功率會按降容曲線輸出[2]。逆變器在不同環境溫度下的降容特性如表1所示。

緬甸電網公司對項目功率因數提出的要求為：光伏電站的功率因數能夠在±0.85范圍內進行調整。經過了解得知：本項目不要求同時滿足并網點達到30 MW輸出功率時功率因數還要達到±0.85的極端工況，僅滿足光伏電站功率因數具備±0.85范圍內可調的能力即可。

通常，逆變器具備功率因數在±0.80范圍內可調的能力，足以滿足電網的要求。假如，某時刻電網對光伏發電有較大的無功功率需求，可通過自動發電控制/自動電壓控制（AGC/AVC）調節逆變器輸出的有功和無功功率，以滿足電網的需求[2-3]。同時，為了最大限度的提供有功功率輸出，電站內及送出線路的無功功率損耗及充電功率由動態無功補償裝置進行補償。

綜上，當逆變器處于最大輸出功率（即項目處于最大裝機容量31.82 MVA）時，不考慮逆變器輸出無功功率，即逆變器輸出功率全部為有功功率，光伏發電輸出功率經升壓站及送出線路送至并網點后需達到30 MW。通過光伏電站升壓站配置的動態無功功率補償裝置，補償電站內部和送出線路的無功功率損耗及充電功率，并通過逆變器的功率因數調節能力來滿足并網點對功率因數的要求。

4" P/Q計算及結果分析

4.1" 計算過程

本項目計算P/Q時的損耗包括：動力電纜損耗、箱式變壓器損耗、集電線路電纜損耗、主變壓器損耗、全場輔助用電電源消耗、送出線路損耗。

4.1.1" 動力電纜損耗

本項目擬采用95、150、300 mm2這3種標稱截面面積的3 kV動力電纜，分別對應近、中、遠處的逆變器交流電纜，常用動力電纜的電氣參數如表2所示。

根據光伏組件布置情況，P/Q分析按以下條件進行計算：1）電纜采用截面面積為150 mm2的三芯鋁電纜進行估算；2）每根電纜平均長度按210 m進行估算；3）電纜輸送容量為215 kVA，最大輸出電流為155 A；4）共計148根電纜進行分析。根據式（1）和式（2）計算可得動力電纜的有功功率損耗為593.62 kW，無功功率損耗為172.49 kVar，線路充電功率合計為21.53 kVar。

4.1.2" 箱式變壓器損耗

本項目中箱式變壓器采用高壓側33 kV、低壓側0.8 kV的雙繞組和雙分裂變壓器，其中包含4臺3264 kVA雙繞組中壓箱式變壓器和3臺6120 kVA雙分裂中壓箱式變壓器，基本參數如表3所示。通常光伏電站的箱變效率不低于99%，有功功率損耗由銅損、鐵損、風機（若有）損耗組成。

根據式（3）和式（4）計算可得，在額定工況下，所有箱式變壓器的有功功率損耗為287.1 kW，無功功率損耗為2555.5 kVar。

4.1.3" 集電線路電纜損耗

本項目擬采用95、240、400 mm2 這3種標稱截面面積電纜變徑設計的33 kV集電線路，并聯3臺或4臺箱式變壓器后最終以2回集電線路接入132 kV升壓站，線路1（UL1）的輸送容量為17.32 MVA，線路2（UL2）的輸送容量為14.50 MVA，所用的各型號電纜長度如表4所示，常用的集電線路電纜電氣參數如表5所示。

根據式（1）和式（2）計算可得，集電線路有功功率損耗為30.7 kW，無功功率損耗為17.6 kVar，充電功率合計為3.8 kVar。本項目集電線路較短，因此線損率低。在光伏組件布置較為分散的項目中，存在光伏場區跨度大、電纜及架空線混合敷設等情況，此類項目的壓降宜控制在5%以內，若對線損率有另外具體要求，應做詳細的計算分析，可通過增加導線截面和優化路徑來控制線損率。

4.1.4" 主變壓器損耗

本項目主變壓器擬采用高壓側132 kV，低壓側33 kV雙繞組有載調壓變壓器，主變壓器額定容量為34 MVA，光伏發電項目主變壓器的能效等級通常按不低于GB 20052—2020中要求的3級能效選擇，損耗由銅損、鐵損、風機（若有）損耗組成，本項目主變壓器的基本參數如表6所示。根據式（3）和式（4）計算可得，在額定工況下主變壓器的有功功率總損耗為150 kW，無功功率總損耗為3746.8 kVar。

4.1.5" 全場輔助用電電源消耗

光伏電站全場輔助用電電源主要包含升壓站內開關設備電源、主變壓器電源、靜態無功發生器（SVG）電源、直流系統電源、加熱與照明電源、生活區電源、箱變輔助供電電源等。全場輔助用電電源的有功功率總損耗為150 kW。

4.1.6" 送出線路損耗

光伏電站最終以1回132 kV線路將電力送出至并網點，線路長度約為10 km，架空線型號按JL/G1A-240/30考慮，常用架空線的電氣參數如表7所示。

根據式（1）和式（2）計算可得，送出線路的有功功率損耗為84.6 kW，無功功率損耗為248.6 kVar，充電功率合計為343 kVar。

4.2" 結果統計

本項目中的有功功率損耗合計為1296.02 kW，無功功率損耗合計為6740.99 kVar，充電功率合計為368.3 kVar，各項損耗匯總如表8所示。

4.3" 結果驗證

本項目并網點要求功率需達到30 MW，根據P/Q分析得出整個光伏發電系統有功功率損耗合計為1.2960 MW，則光伏逆變器總裝機容量不應低于31.2960 MW；項目采用最大發電功率為215 kW的組串式逆變器，則最少應配置146臺此類逆變器；綜合考慮直流側裝機規模、容配比、箱式變壓器低壓側輸入回路數，本項目共配置148臺215 kW組串式逆變器，總裝機容量取31.82 MVA較為合理。光伏發電系統無功功率總損耗為6.741 MVar，總充電功率約為0.37 MVar，則升壓站配置的無功補償裝置對無功功率的吸收能力應不低于6.741 MVar，補償能力不低于0.37 MVar；本項目配置的±10 MVar的SVG動態無功補償裝置雖然略有超出實際需求，但綜合考慮電網潮流變化和未來可能的光伏發電系統改造等因素，這一配置是合理的。

本項目全部并網后，光伏電站上位機監控系統截圖如圖2所示，按以上項目配置方式，當光照條件較好時，在升壓站132 kV側計量點光伏電站日輸出功率可達到30.7672 MW，送出至并網點后能夠滿足30 MW的要求。對比P/Q分析結論，在逆變器最大輸出功率時，132 kV升壓站計量點處光伏電站日輸出功率理論值可達到30.608 MW（光伏發電最大輸出功率–全站損耗合計+送出線路損耗），計算值略低于計量點處實測值，精準率接近99.5%。

因為在P/Q分析過程中全場用電電源損耗取值及導體電阻取值均較為保守，所以光伏電站實際運行過程中，輔助用電電源中的生活區用電電源、直流系統用電電源、SVG用電電源等用電電源均處于未滿載的工況；且由于電纜的導體溫度可能未達到90 ℃，導致電阻取值偏大。因此，以P/Q分析的方式計算得到的損耗值理論上偏大，這為項目后續設計工作留出了適當的裕量。綜上分析，按本文通過采用P/Q分析得到的項目配置結果完全可以滿足工程前期規劃設計對項目配置的要求。

5" 結論

本文以緬甸某地面集中式光伏發電項目為實例，根據電網公司對項目的具體要求，利用P/Q分析，計算項目中的各項損耗后，初步確定項目配置方式；并將計算結果進行驗證后發現，利用P/Q分析計算得到的項目損耗值相較于實測值略微偏大，但精準率可達99.5%，在滿足并網點要求的同時，可為項目留出安全裕量。因此，建議未來國內光伏發電項目在前期規劃設計過程中，也采用P/Q分析，完成各類損耗計算后再進行項目發電量及效率的計算，可對光伏發電項目配置進行優化。

[參考文獻]

[1] 電力工業部電力規劃設計總院. 電力系統設計手冊[M]. 北京：中國電力出版社，1998.

[2] 國家能源局. 光伏發電工程電氣設計規范：NB/T 10128—2019[S]. 北京：中國水利水電出版社，2019.

[3] 國家市場監督管理總局， 國家標準化管理委員會. 電力系統電壓和無功電力技術導則：GB/T 40427—2021[S]. 北京：中國標準出版社，2021.

P/Q ANALYSIS OF A GROUND CENTRALIZED PV POWER GENERATION PROJECT

He Qilin，Li Yinmu，Wang Guanying

（PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming 650000，China）

Abstract：In the early planning and design process of PV power generation projects，there are often deviations in the installed capacity and reactive power compensation capacity configuration，resulting in a significant increase in workload. This paper proposes a method for analyzing the active power/reactive power （P/Q） of PV power generation systems，in order to effectively determine the installed capacity and reactive power compensation capacity of PV power generation projects. Taking a centralized PV power generation project overseas as an example in this paper，while ensuring that it can meet the power requirements of the grid-connected point and has the ability to adjust the power factor，P/Q analysis is conducted. After comparing the grid-connected point power calculated based on project losses with the measured values，it is found that the accuracy of the results obtained by this method is close to 99.5%，proving the rationality and accuracy of the project configuration.

Keywords：PV power generation；installed capacity；reactive power compensation；P/Q analysis