自發(fā)自用光伏發(fā)電項(xiàng)目功率因數(shù)問題淺析

王子健　劉永革　李德育

（天津津能濱海新能源有限公司 天津 300384）

引言

分布式光伏發(fā)電作為一種清潔無污染的綠色能源得到了國家政策大力支持，其中采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的電能消納方式，具有初期建設(shè)投資相對較少，就近消納電能，線路損失小等優(yōu)點(diǎn)，成為許多大用電用戶分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目消納的首選[1]。然而，部分用戶在接入分布式光伏電能之后，其自身的功率因數(shù)顯示降低，并由此受到電網(wǎng)企業(yè)的考核，此種情況使光伏電能利用的用戶受到了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，降低了用戶使用分布式電能的積極性和經(jīng)濟(jì)性，不利用分布式光伏發(fā)電的推廣應(yīng)用。本文結(jié)合具體光伏項(xiàng)目案例從功率因數(shù)的基本理論，及光伏發(fā)電引入后對其影響等方面闡述了此現(xiàn)象的成因，并提出了相應(yīng)的解決方案。

1　光伏電站投運(yùn)前后功率因數(shù)變化情況及分析

1.1　功率因數(shù)考核指標(biāo)

本文中我們以某自發(fā)自用、余電上網(wǎng)光伏項(xiàng)目為例，項(xiàng)目所在地屬天津市電力公司東麗供電分公司的供電范圍。

本項(xiàng)目用戶廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀有1座35kV用戶變電站，該站現(xiàn)狀主變規(guī)模2×20MVA（1#、2#），電壓等級35/10kV，雙電源供電，35kV側(cè)為內(nèi)橋接線，10kV側(cè)為1組單母線分段接線。該站兩回電源分別為35kV 1#、2#線，來自上一級220kV變電站，按照屬地供電公司的要求該用戶用電類型屬于大工業(yè)用電，其功率因數(shù)考核指標(biāo)為不低于0.9。

1.2　光伏項(xiàng)目投運(yùn)前后用戶的功率因數(shù)變化

光伏項(xiàng)目投運(yùn)前用戶功率因數(shù)情況如下表：

表1　光伏項(xiàng)目投運(yùn)前用戶功率因數(shù)情況表

從上表中來看該公司的功率因數(shù)受生產(chǎn)影響較大，3月份處于考核的臨界狀態(tài)。部分時(shí)間受到過功率因數(shù)考核，但大多數(shù)時(shí)間能夠滿足電力公司功率因數(shù)不小于0.9的要求。

我們對光伏發(fā)電投入前后用戶的功率因數(shù)變化做了對比記錄如下表所示：

表2　光伏發(fā)電投入前后功率因數(shù)變化表

1.3　功率因數(shù)降低原因分析

根據(jù)功率因數(shù)公式：

式中P、Q為用戶的瞬時(shí)有功功率和無功功率，cpsφ為該瞬時(shí)的功率因數(shù)[2]。

按照電力公司現(xiàn)行的考核計(jì)算方式其中P、Q為用戶從公共電網(wǎng)獲取的即時(shí)有功功率和無功功率。由于光伏項(xiàng)目所產(chǎn)生的電能全部為有功電能，故在光伏項(xiàng)目投入后，用戶實(shí)際的有功功率不變，但消納了光伏發(fā)出的有功功率，用戶從電網(wǎng)吸收的有功功率減少，但是吸收的無功功率不變。

因此用戶1#、2#線功率因數(shù)較光伏項(xiàng)目投運(yùn)前有所減小，白天基本處于電力公司功率因數(shù)考核范圍。鑒于該項(xiàng)目屬于自發(fā)自用余電上網(wǎng)的項(xiàng)目，當(dāng)向電網(wǎng)供電時(shí)，由于有功方向發(fā)生變化功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)有可能出現(xiàn)負(fù)數(shù)更增加了功率因數(shù)不合格點(diǎn)的數(shù)量[3]。

我們對某一瞬時(shí)從電網(wǎng)取電的有功功率P1、無功功率Q、光伏發(fā)電有功功率P2進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，并按照不計(jì)光伏發(fā)電有功（P=P1）的功率因數(shù)cosφ1和計(jì)及光伏發(fā)電有功（P=P1+P2）的功率因數(shù)cosφ2進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如下表所示：

表4　光伏發(fā)電對功率因數(shù)影響

從表4中可以看出若不計(jì)光伏發(fā)電的有功用戶功率因數(shù)小于0.9不合格，若計(jì)及光伏發(fā)電的有功則功率因數(shù)合格。

2　解決方案

此類問題在其他光伏電站也有發(fā)生。針對這種情況光伏發(fā)電項(xiàng)目的用戶可以從以下幾種解決方案入手，解決功率因數(shù)考核問題。目前解決功率因數(shù)降低問題的幾種建議整改方案：

2.1　利用現(xiàn)有無功補(bǔ)償設(shè)備提高功率因數(shù)

大功率用電的工廠企業(yè)用戶，按照電力公司的要求，基本均配有就地的無功補(bǔ)償設(shè)備，通過無功補(bǔ)償設(shè)備的投入，調(diào)節(jié)企業(yè)的即時(shí)無功消耗，保證功率因數(shù)處于較高水平，但是大量投入無功補(bǔ)償設(shè)備會使得用戶側(cè)的母線電壓升高，不利用用電安全，例如該項(xiàng)目用戶目前使用的35KV/10KV變壓器是無載調(diào)節(jié)型，10KV有非自動調(diào)節(jié)型無功補(bǔ)償設(shè)備，由于目前區(qū)域電網(wǎng)電壓較高，為了保證用電安全用戶的無功補(bǔ)償設(shè)備并未投入，在此問題出現(xiàn)用戶對35KV/10KV變壓器分接頭進(jìn)行調(diào)節(jié)，并投入了部分10KV無功補(bǔ)償設(shè)備，功率因數(shù)有所提高，但該設(shè)備并非自動調(diào)節(jié)設(shè)備。從目前用戶實(shí)際的無功需求情況來看，如加強(qiáng)對賽瑞公司無功情況的監(jiān)控，并適時(shí)調(diào)整10KV側(cè)的無功補(bǔ)償投入容量，可以減少功率因數(shù)降低的情況，避免功率因數(shù)受到考核。

此種方案無需增加設(shè)備投入，但需要變電站值班人員加強(qiáng)對無功情況的實(shí)時(shí)監(jiān)視，及時(shí)對無功補(bǔ)償進(jìn)行操作（從目前的情況看主要在白天），會增加值班人員的工作量。

2.2　采用SVG設(shè)備提高功率因數(shù)

SVG是典型的電力電子設(shè)備，由三個(gè)基本功能模塊構(gòu)成：檢測模塊、控制運(yùn)算模塊及補(bǔ)償輸出模塊。其工作原理為由外部CT檢測系統(tǒng)的電流信息，然后經(jīng)由控制芯片分析出當(dāng)前的電流信息、如PF、S、Q等；然后由控制器給出補(bǔ)償?shù)尿?qū)動信號，最后由電力電子逆變電路組成的逆變回路發(fā)出補(bǔ)償電流。

SVG靜止無功發(fā)生器采用可關(guān)斷電力電子器件（IGBT）組成自換相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流。迅速吸收或者發(fā)出所需的無功功率，實(shí)現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)無功的目的。作為有源形補(bǔ)償裝置，不僅可以跟蹤沖擊型負(fù)載的沖擊電流，而且可以對諧波電流也進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。

采用SVG設(shè)備改善功率因數(shù)是目前比較先進(jìn)的方案，此種方案已有成功應(yīng)用的案例方便考察，無需人員頻繁操作。通過原有設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造加裝SVG達(dá)到滿足功率因數(shù)的目的。

此方案可以有效解決用戶無功補(bǔ)償設(shè)備不能自動投切的問題，在不增加人員監(jiān)控操作工作量的情況下，避免了人為投切無功補(bǔ)償設(shè)備而引起的無功補(bǔ)償不及時(shí)和過補(bǔ)償問題，減少了不必要的功率因數(shù)考核。

3　方案的經(jīng)濟(jì)性分析

光伏發(fā)電項(xiàng)目主要的發(fā)電月份為四月至九月。按照文中所述項(xiàng)目用戶公司七月份功率因數(shù)受到電力方面考核罰款金額為12萬元。考慮到7月份并非光伏電站發(fā)電最高的月份，結(jié)合項(xiàng)目地區(qū)各月光照情況我們對該光伏項(xiàng)目的發(fā)電量情況進(jìn)行了預(yù)計(jì)，從下表來看光伏電站在四月、五月、六月發(fā)電量最高。

圖1　項(xiàng)目各月發(fā)電量預(yù)估

考慮到此種情況，我們按照四月到九月每月平均考核罰金為10萬元計(jì)算。

通過多方咨詢和調(diào)研，結(jié)合光伏項(xiàng)目預(yù)計(jì)發(fā)電情況。我們對以上兩種方案的經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比如下表所示：

表5　兩種方案經(jīng)濟(jì)性對比

從上表中可以看出方案一無需設(shè)備投入，方案二考慮到對于其考核費(fèi)用的情況，50萬的設(shè)備投入，1年可以回收投資。

結(jié)語

本文闡述了自發(fā)自用、余電上網(wǎng)光伏項(xiàng)目接入后用戶實(shí)際功率因數(shù)降低的現(xiàn)象，分析了此種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，提出了兩種解決方案，并做出了兩方案的經(jīng)濟(jì)性對比分析。得出了以下結(jié)論：

（1）功率因數(shù)降低是由于光伏電站引入后，消納電網(wǎng)有功降低的原因引起的，與電網(wǎng)公司現(xiàn)行的功率因數(shù)考核計(jì)算方法有關(guān)，并非實(shí)際功率因數(shù)降低；

（2）采用人工調(diào)整或采用自動調(diào)整無功補(bǔ)償?shù)膬煞N方式均可有效減少功率因數(shù)降低現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性。經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上均具有可行性。

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