并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率發(fā)電和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)

袁明文

摘 要：本文從太陽(yáng)能電池的輸出特性和并網(wǎng)逆變器的輸出電壓、輸出電流分析光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率發(fā)電的條件，得出并網(wǎng)逆變器按功率因數(shù)為1設(shè)計(jì)的原因。以逆變器功率因數(shù)為1為基礎(chǔ)，分析光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的情況，找到電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低的原因，并提出提高電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的措施。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；輸出特性；最大功率發(fā)電；功率因數(shù)；措施

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）07-0138-02

1 引言

據(jù)2001年“世界能源會(huì)議”資料，世界化石能源可開(kāi)采年數(shù)為：石油39年，天然氣57年，煤223年，鈾67年。2001年到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去17年，這些不可再生能源在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)將被開(kāi)采殆盡，人類已經(jīng)面臨嚴(yán)峻的能源危機(jī)。同時(shí)，由于大量使用化石燃料導(dǎo)致的霧霾、酸雨、全球溫度上升、水資源污染、土地污染等環(huán)境問(wèn)題，制約著社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，積極研究、開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、生物質(zhì)能等新能源迫在眉睫。太陽(yáng)能是儲(chǔ)量巨大、不會(huì)枯竭、不受地域限制的清潔能源，優(yōu)點(diǎn)突出。近幾年，太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)容量在世界范圍內(nèi)穩(wěn)步增長(zhǎng)，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量的增速在世界上名列前茅。

2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率發(fā)電的條件

人們期望光伏發(fā)電系統(tǒng)能高效地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，盡可能多發(fā)電。我們衡量發(fā)電量的多少指的是發(fā)出有功電量的多少，不是指無(wú)功電量。如何才能使光伏系統(tǒng)高效地運(yùn)行，這要從太陽(yáng)能電池的特性說(shuō)起。

圖1是測(cè)試單體太陽(yáng)能電池輸出特性的接線原理圖。在穩(wěn)定的光照和穩(wěn)定的電池溫度條件下，按圖1接線，在開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，讀取電池開(kāi)路電壓UOC，然后閉合開(kāi)關(guān)S，將可調(diào)電阻RP由最大逐漸減小到0，在減小RP阻值的過(guò)程中從電流表和電壓表讀取多組電池的輸出電流和電壓，并根據(jù)P=UI計(jì)算對(duì)應(yīng)的電池輸出功率。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)即可繪制出太陽(yáng)能電池的的輸出電流、輸出電壓、輸出功率之間的關(guān)系曲線。

圖2是太陽(yáng)能電池的輸出電流、輸出電壓、輸出功率特性曲線。圖中ISC為電池輸出端短路時(shí)的短路電流。從圖2可以看出，在一定的光照和電池溫度條件下，太陽(yáng)能電池的輸出功率隨輸出電壓、輸出電流而變化，不是固定不變的。輸出功率最大時(shí)，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率最高，這時(shí)的電壓Umax稱為最大功率點(diǎn)電壓，輸出電流Imax稱為最大功率點(diǎn)電流。當(dāng)光照條件和環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，太陽(yáng)能電池內(nèi)等效電流源的電流發(fā)生變化，電池輸出的最大功率發(fā)生變化，最大功率點(diǎn)的電壓、電流均發(fā)生改變。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了使太陽(yáng)能電池輸出最大功率，使用最大功率點(diǎn)跟蹤控制系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能電池陣列的輸出進(jìn)行控制，使陣列能在不同的日照和溫度環(huán)境下都能使輸出功率最大。

使用最大功率跟蹤控制系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出電流和電壓進(jìn)行控制，使太陽(yáng)能電池在不同條件下均能輸出此條件下的最大功率，只是滿足了光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率發(fā)電的一個(gè)條件，另外還要看將太陽(yáng)能電池輸出的直流電逆變?yōu)榻涣麟姷哪孀兤鞯墓ぷ髑闆r。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立運(yùn)行的光伏系統(tǒng)和與電網(wǎng)并列運(yùn)行的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。獨(dú)立運(yùn)行的光伏系統(tǒng)逆變器為電壓型逆變器，其輸出的交流電的功率因數(shù)由負(fù)載的性質(zhì)決定。如果負(fù)載不是純電阻性，逆變器的功率因數(shù)小于1，就意味著太陽(yáng)能電池輸出的電流不能全部逆變?yōu)橛泄﹄娏?，系統(tǒng)的發(fā)電功率沒(méi)有達(dá)到最大。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的逆變器為電流型逆變器，逆變器輸出電壓跟蹤電網(wǎng)電壓，逆變器對(duì)輸出電流進(jìn)行控制。為了將太陽(yáng)能電池的輸出電流全部逆變?yōu)橛泄﹄娏?，逆變器的輸出電壓和輸出電流要同相，也就是逆變器功率因?shù)為1。

可見(jiàn)，太陽(yáng)能電池輸出最大功率和逆變器功率因數(shù)為1是光伏系統(tǒng)最大功率發(fā)電的條件。

3 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的影響

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)是否允許通過(guò)變壓器向主電網(wǎng)饋電，分為有倒流系統(tǒng)和無(wú)倒流系統(tǒng)。有倒流系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生剩余電力時(shí)，將剩余電能送入電網(wǎng)，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)電力不夠時(shí)，由電網(wǎng)供電。無(wú)倒流系統(tǒng)的光伏發(fā)電功率始終小于或等于負(fù)載功率，光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)向負(fù)載供電。

圖3是有倒流并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖。圖中P、Q、是負(fù)載的有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)，P1、Q1、是光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)，P2、Q2、是電網(wǎng)側(cè)斷路器QF2處的潮流有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了最高效地發(fā)揮光伏陣列的輸出能力，并網(wǎng)逆變器一般按=1進(jìn)行設(shè)計(jì)。《國(guó)家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》規(guī)定，大型和中型光伏電站的功率因數(shù)超前0.98至滯后0.98范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)?！豆夥l(fā)電站無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范（GB/T 29321-2012）》規(guī)定，光伏并網(wǎng)逆變器功率因數(shù)在超前0.95至滯后0.95范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)?？梢?jiàn)，并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)在1附近的較小范圍內(nèi)變化，光伏逆變器輸出的無(wú)功功率Q1很小，光伏發(fā)電系統(tǒng)一般情況下只輸出有功電能，即將太陽(yáng)能光伏陣列的直流電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻同相的交流電能送給電網(wǎng)，并保證有較高的功率因數(shù)。

交流電的有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)三者之間的關(guān)系為：

式中 P—交流電有功功率，單位kW；

Q—交流電無(wú)功功率，單位kvar；

—功率因數(shù)。

在圖3所示的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，負(fù)載的功率因數(shù)由負(fù)載的特性決定，是固定值。如果負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)載所需的有功功率和無(wú)功功率也是穩(wěn)定不變的。在逆變器功率因數(shù)為1時(shí)，分3種情況分析電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的變化情況。

（1）光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的有功功率小于負(fù)載所需要的有功功率，即P1

如果P1的值越接近P的值，則P2的值越小，這時(shí)電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)越低。這就是有的業(yè)主安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng)后，由于電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低于0.85而被加收功率因數(shù)調(diào)節(jié)費(fèi)的原因。

（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的有功功率大于負(fù)載所需要的有功功率，即P1>P。這時(shí)P2=P1-P，Q2=Q。這時(shí)，負(fù)載所需的無(wú)功電能仍然全部由電網(wǎng)提供。電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)為：

如果P1的值越接近P的值，則P2的值越小，電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)越低。

（3）光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的有功功率等于負(fù)載所需有功功率，即P1=P。此時(shí)P2=0，=0。

從以上分析可以看出，由于負(fù)載的無(wú)功電能全部由電網(wǎng)提供，光伏發(fā)電系統(tǒng)只發(fā)出有功電能。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電后，電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)下降，光伏系統(tǒng)發(fā)出的有功功率越接近負(fù)載所需的有功功率，電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)越低。

4 提高電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的措施

要解決電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)隨光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的有功功率變化而變化，功率因數(shù)偏低的問(wèn)題。一種方法是在圖3所示光伏系統(tǒng)母線上進(jìn)行集中無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償容量接近負(fù)載無(wú)功需量，補(bǔ)償裝置所需功率因數(shù)信號(hào)取自斷路器QF2處。另外一種辦法是采用功率因數(shù)可調(diào)的并網(wǎng)逆變器，通過(guò)逆變器輸出無(wú)功功率來(lái)提高電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。這是以減小發(fā)電量為代價(jià)來(lái)提高電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的一種方法。這個(gè)方法存在一個(gè)問(wèn)題，主要是會(huì)出現(xiàn)逆變器輸出的無(wú)功功率不能滿足負(fù)載無(wú)功要求的情況。所以，最有效的方法是采用自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置在母線上進(jìn)行集中無(wú)功補(bǔ)償。

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