光伏電站并網(wǎng)后功率因數(shù)變化分析及解決措施

宗軍智

摘要：研究企業(yè)內(nèi)供配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償現(xiàn)狀，分析光伏電站并網(wǎng)后對(duì)功率因數(shù)的影響，提出4種解決方式，解決光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)原有供配電系統(tǒng)功率因數(shù)的影響，并給出經(jīng)濟(jì)型對(duì)比表。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電、并網(wǎng)、功率因數(shù)

配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償現(xiàn)狀

目前我國對(duì)用戶尚未要求按照經(jīng)濟(jì)原則進(jìn)行無功補(bǔ)償，即在最大負(fù)荷方式時(shí)，要求用戶基本不受系統(tǒng)供給的無功（功率因數(shù)達(dá)到0.98～1）;在非最大負(fù)荷方式時(shí)，用戶應(yīng)及時(shí)調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償容量，不向系統(tǒng)送無功。

對(duì)用戶的補(bǔ)償容量在《全國供電規(guī)則》中規(guī)定，用戶在當(dāng)?shù)毓╇娋忠?guī)定的電網(wǎng)高峰時(shí)的功率因數(shù)應(yīng)在0.9以上。用戶側(cè)無功補(bǔ)償主要采用并聯(lián)電容器的補(bǔ)償方式，有以下幾種方式：

方式一：大多數(shù)國內(nèi)用戶在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)充分考慮用戶的無功補(bǔ)償問題，補(bǔ)償后功率因數(shù)均不小于0.9。補(bǔ)償原理如下圖1.1所示。

從上圖1.1看出，無功補(bǔ)償裝置主要通過采集進(jìn)線側(cè)電流互感器電流，母線電壓，計(jì)算出功率因數(shù)，然后控制器K根據(jù)設(shè)定的功率因數(shù)，計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)娜萘浚肚胁⒙?lián)的電容器組，以滿足功率因數(shù)的要求。

方式二：對(duì)無功電量需求較少的用戶，未考慮設(shè)置補(bǔ)償裝置，利用電網(wǎng)的無功電量進(jìn)行補(bǔ)充。

方式三：特殊情況 ，如無功補(bǔ)償電流采樣點(diǎn)不在進(jìn)線側(cè)互感器、針對(duì)于特殊設(shè)備設(shè)就地補(bǔ)償?shù)取?/p>

光伏電站接入后對(duì)無功補(bǔ)償?shù)挠绊?/p>

自發(fā)自用模式下：

用戶側(cè)無功補(bǔ)償采用方式一的情況下，未增設(shè)光伏電站時(shí)，企業(yè)所需電量均由電網(wǎng)提供，所需有功功率為P，無功功率為Q。由于設(shè)有低壓側(cè)自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)了解，功率因數(shù)可設(shè)為1，故僅需從電網(wǎng)獲取有功功率P，無功功率由低壓側(cè)無功補(bǔ)償裝置提供。無功功率監(jiān)測(cè)點(diǎn)為變壓器低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)處電流互感器。

增設(shè)光伏電站后，企業(yè)所需電量由電網(wǎng)和光伏發(fā)電共同提供。電網(wǎng)提供有功功率為P1，電網(wǎng)提供的無功功率為Q1。隨著光伏發(fā)電功率的提升，電網(wǎng)提供的有功功率P1減少，但無功補(bǔ)償裝置投入的判定條件仍為COSφ=1。根據(jù)下式1.1得出，電網(wǎng)提供的無功功率Q1仍等于0。不會(huì)造成原有系統(tǒng)功率因數(shù)的降低。

用戶側(cè)無功補(bǔ)償采用方式二的情況下，未增設(shè)光伏電站時(shí)，企業(yè)所需電量均由電網(wǎng)提供，所需有功功率為P，無功功率為Q。低壓側(cè)未設(shè)無功補(bǔ)償裝置，可從電網(wǎng)獲取的最大無功功率為Q=P*tanφ，考慮電網(wǎng)要求最低功率因數(shù)最低為COSφ=0.9，故從電網(wǎng)取得的無功功率最多為Q=P*tanφ=0.48*P。

增設(shè)光伏電站后，企業(yè)所需電量由電網(wǎng)和光伏發(fā)電共同提供。電網(wǎng)提供有功功率為P1，隨著光伏發(fā)電功率的提升，電網(wǎng)提供的有功功率P1減少，用戶負(fù)荷未發(fā)生變化，電網(wǎng)提供的無功功率仍為Q。根據(jù)下式1.1得出，

經(jīng)計(jì)算，COSφ是關(guān)于P1的單調(diào)遞增函數(shù)，及隨著P1減少，功率因數(shù)COSφ是逐漸減小的。光伏接入后，用戶從電網(wǎng)獲取的有功功率P1小于光伏接入前有功功率P，因此造成原有系統(tǒng)功率因數(shù)降低。

方式三情況較少，需根據(jù)具體情況具體分析。

余電上網(wǎng)模式下：

用戶側(cè)無功補(bǔ)償采用方式一的情況下，增設(shè)光伏電站后，企業(yè)所需電量由光伏發(fā)電全部提供，多余電量送往電網(wǎng)，余電上網(wǎng)有功功率為P2。一般規(guī)定，有功功率或無功功率由母線流向線路或設(shè)備側(cè)為正，電流由母線流向線路或設(shè)備側(cè)為正。

從下圖2.1看出，當(dāng)無余電上網(wǎng)時(shí)，原有無功補(bǔ)償控制器采集到的信息如下圖所示，有功功率P和無功功率Q均為負(fù)值，表示電能由電網(wǎng)流向低壓母線。無功電量需求為Q，電流方向處于第三象限，電流滯后于電壓相位154°（功率因數(shù)為0.9）。符合電網(wǎng)要求。當(dāng)存在余電上網(wǎng)時(shí)，電流方向與正常運(yùn)行時(shí)方向相反，電流的大小根據(jù)運(yùn)行情況各有不同。無功電量需求仍未Q，隨著上網(wǎng)電量的變化，電流電壓的相位角在第二象限不斷變化，如無外部補(bǔ)償?shù)那闆r下，功率因數(shù)難以滿足大于0.9的要求。

用戶側(cè)采用方式二的情況下，功率因數(shù)如圖2.2所示，無法滿足電網(wǎng)要求。

方式三需根據(jù)具體情況分析。

光伏電站接入后對(duì)欠補(bǔ)償?shù)慕鉀Q方案

用戶側(cè)補(bǔ)償為方式一的情況下，自發(fā)自用不存在功率因數(shù)問題，余電上網(wǎng)模式時(shí)，有功功率P方向發(fā)生變化，原有系統(tǒng)無功補(bǔ)償控制器判定依據(jù)發(fā)生變化，判定為用戶側(cè)向電網(wǎng)輸送無功功率，因此切除原有用戶側(cè)的無功補(bǔ)償裝置，造成用戶側(cè)功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)。解決方法有以下兩種：

并網(wǎng)點(diǎn)選擇在進(jìn)線柜，在進(jìn)線柜至主母線之間增加電流互感器，原無功補(bǔ)償?shù)碾娏鞑蓸狱c(diǎn)更改為此互感器，如下圖3.1所示。

調(diào)整用戶原有控制器的的控制邏輯，在發(fā)生余電上網(wǎng)的工況下，無功補(bǔ)償系統(tǒng)不切除，仍按照恒功率因數(shù)的模式下進(jìn)行補(bǔ)償。

整合廠家資源，聯(lián)合無功設(shè)備廠家，將現(xiàn)有控制器改造為適用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用的控制器。將只采集原有系統(tǒng)進(jìn)線側(cè)電流互感器改造為采集進(jìn)線側(cè)電流互感器及光伏進(jìn)線側(cè)電流互感器，并將兩處電流求矢量和，根據(jù)電流的矢量和進(jìn)行無功補(bǔ)償。

用戶側(cè)補(bǔ)償為方式二的情況下，可選擇將逆變器設(shè)置為恒功率因數(shù)0.9（滯后）的模式下運(yùn)行或增加無功補(bǔ)償裝置。無功補(bǔ)償裝置的安裝容量根據(jù)功率因數(shù)為0.9反推，計(jì)算簡單，暫不做論述。

用戶側(cè)補(bǔ)償為方式三的情況下，需根據(jù)具體情況具體分析。

另外，由于各個(gè)用戶無功補(bǔ)償分組容量有差別，存在不投入1組無法滿足功率因數(shù)要求，投入之后存在過補(bǔ)償?shù)膯栴}。此類問題需要收集用戶側(cè)無功補(bǔ)償系統(tǒng)的詳細(xì)配置進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)原有無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行改造。