淺析分布式光伏電站用戶側(cè)并網(wǎng)無功補償方案

張勝紅

目前，我國的能源70%左右由煤炭供給，而化石能源過度使用已經(jīng)造成了較大的環(huán)境、經(jīng)濟和社會負面影響。為轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，國家大力發(fā)展清潔能源，推進能源綠色發(fā)展。自2005年起我國先后制定和發(fā)布了一系列針對可再生能源的政策法規(guī)來規(guī)范和引導(dǎo)可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。為響應(yīng)國家能源發(fā)展政策，近年來光伏發(fā)電發(fā)展迅猛，根據(jù)國務(wù)院印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014～2020年）》，戰(zhàn)略目標是，到2020年，非化石能源占一次能源消費比重達到15%，煤炭消費比重控制在62%以內(nèi)，光伏裝機達到1億千瓦左右，在電力結(jié)構(gòu)中占比7%～8%。

光伏電站分集中式光伏電站和分布式光伏電站，集中式光伏電站占用大量土地資料，主要集中在西部地區(qū)，但由于項目過于集中、電網(wǎng)不易消納、輸送困難等原因，經(jīng)常出現(xiàn)棄光現(xiàn)象，在局部地區(qū)棄光率甚至達20%～30%[1]。分散發(fā)電、就近并網(wǎng)、就地消納正是分布式光伏發(fā)電的特點，也是分布式光伏電站的優(yōu)勢。因此，分布式光伏電站在我國用電負荷大、供電緊張的中、東部地區(qū)大力發(fā)展。分布式光伏發(fā)電，一般又分為全額上網(wǎng)模式和自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式。其中自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式是由光伏電站直接接入用戶側(cè)配電房，光伏所發(fā)電能大部分由用戶自我消納，剩余電量通過原有線路返回電網(wǎng)，對電網(wǎng)帶來的沖擊相對較小，投資成本低、收益高，更令用戶青睞。

1 分布式光伏電站用戶側(cè)接入特點

典型的分布式光伏電站用戶側(cè)接入電氣主接線圖如圖1所示。光伏電站經(jīng)逆變、升壓后就近接入用戶變電站，實行光伏電能優(yōu)先自用，余電上傳電網(wǎng)供給周邊用戶。并網(wǎng)電能表和關(guān)口電能表分開設(shè)置，用戶與電網(wǎng)公司結(jié)算、考核點在關(guān)口表處。

圖1 分布式光伏電站用戶側(cè)接入電氣主接線圖

根據(jù)文獻[2]和文獻[3]，大中型電站均應(yīng)配置無功功率和電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中光伏發(fā)電站無功補償容量主要考慮匯集線路、變壓器和送出線路無功損耗和充電功率等因素。規(guī)范主要針對集中式光伏電站，而用戶側(cè)并網(wǎng)的公布式光伏項目，無功補償容量除了要考慮上述因素外，更為重要的是對用戶側(cè)用電負荷情況與并網(wǎng)容量作對比分析。

光伏電站接入用戶側(cè)之后，對用戶側(cè)的負荷來說，相當于增加了一個第二電源點。在沒有利用光伏逆變器發(fā)無功功率的情況下，光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能基本為純有功電能。用戶側(cè)負荷再利用完光伏電能之后，不足的部分繼續(xù)由電網(wǎng)提供，含部分有功功率（=-）和全部無功功率（=）。如圖2所示，接入用戶變電站后，從電網(wǎng)獲取的有功功率減少，而從電網(wǎng)獲取的無功功率基本不變，這對用戶變電站總進線處的功率因數(shù)造成很大影響，由cosφ變成cosφ'。因此，無功補償容量計算時，應(yīng)充分考慮用戶側(cè)并網(wǎng)后，從電網(wǎng)獲取的有功功率減少對功率因數(shù)造成的影響。

圖2 分布式光伏電站用戶側(cè)接入模型

2 工程案例

本文以某20MW分布光伏電站為例進行分析，項目建設(shè)地點位于江西景德鎮(zhèn)某工廠內(nèi)，廠內(nèi)建有110kV用戶專用變電站。主變規(guī)模：遠期1×16MVA+1×20MVA+1×40MVA；本期1×16MVA+1×20MVA；本20MWp分布式光伏項目分2期建設(shè)，其中一期10MWp接入1#主變10kV側(cè)備用間隔，二期10MWp接入2#主變10kV側(cè)備用間隔。變壓站采用低壓電容器分散補償，并網(wǎng)前1#主變白天有功負荷基本在10MW左右，功率因數(shù)約0.94。光伏電站接入后，勢必造成關(guān)口處功率因數(shù)降低，需考慮設(shè)置無功補償裝置。無功主要分兩部分：一是光伏系統(tǒng)本身產(chǎn)生的無功，二是電站內(nèi)部用電負荷產(chǎn)生的無功。

（1）光伏電站本身產(chǎn)生無功損耗的部分主要有變壓器、低壓電纜、高壓電纜等，共計0.65Mvar。

（2）電站正常運行時，用電負荷產(chǎn)生的無功功率約3.4Mvar；

光伏電站綜合效率約80%，最大有功出力約8MW。關(guān)口處功率因數(shù)按0.95實時控制，光伏出力最大時，需最大無功補償3.43Mvar。

3 解決方案

根據(jù)文獻[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。當逆變器的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要時，應(yīng)集中加裝適當容量的無功補償裝置，必要時加裝動態(tài)無功補償裝置。

本期光伏發(fā)電站共設(shè)有9個1MW單元，共配置18臺500kW集中式逆變器，逆變器功率因數(shù)可在0.9（超前）～0.9（滯后）范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)方式為手動調(diào)節(jié)或通過通訊接口進行調(diào)節(jié)。計算可得，500kW逆變器單臺無功調(diào)節(jié)最大范圍-242～+242 kvar，18臺逆變器最大補償容量為4.35Mvar。可見，從補償容量上來看，采用逆變器來調(diào)節(jié)無功容量，是可以滿足要求的。同時，也可以考慮設(shè)置一臺4Mvar SVG靜止型動態(tài)無功補償裝置。下面，對逆變器靜態(tài)無功調(diào)節(jié)、逆變器動態(tài)無功調(diào)節(jié)、SVG靜止型動態(tài)無功補償裝置等幾種無功補償方案進行對比分析。

3.1 逆變器靜態(tài)調(diào)節(jié)

逆變器靜態(tài)調(diào)節(jié)是將逆變器輸出功率因數(shù)設(shè)定為某一固定值，由逆變器出口的有功功率檢測值和指定的功率因數(shù)計算得出相應(yīng)的缺少無功功率，人工投切無功補償裝置內(nèi)的電容設(shè)備組，以達到調(diào)整并網(wǎng)功率因數(shù)的目的。補償?shù)男Ч坏c目標功率因數(shù)的設(shè)置有關(guān)，還受用戶側(cè)負荷的變化影響很大，容易出現(xiàn)過補。需要運行人員根據(jù)運行數(shù)據(jù)來手動調(diào)節(jié)逆變器的功率因數(shù)，調(diào)節(jié)不靈活。優(yōu)點是操作簡單，成本低。適用于負荷比較恒定的場合。

3.2 逆變器動態(tài)調(diào)節(jié)

為了解決逆變器靜態(tài)調(diào)節(jié)的一系列問題，光伏監(jiān)控系統(tǒng)廠家通過采集關(guān)口處的功率因數(shù)，跟設(shè)定的總進線處功率因數(shù)進行比較，然后根據(jù)接線、負荷和光伏發(fā)電情況，計算得出逆變器需提供的無功功率、需設(shè)定的功率因數(shù)，通過監(jiān)控系統(tǒng)與逆變器通信，發(fā)出功率因數(shù)的調(diào)節(jié)命令，實現(xiàn)了對總進線處功率因數(shù)的控制。

目前已有部分廠家研制出這種專用的無功控制器，可實現(xiàn)自動實時調(diào)節(jié)功率因數(shù)，靈活性好，成本較低。但無功控制的過程需要通過485及光纖與多臺設(shè)備進行通訊，上傳及下發(fā)，各設(shè)備本身的處理時間及通訊速率等都將影響響應(yīng)時間。調(diào)查分析可知，當無功控制器所連接的逆變器超過一定數(shù)量、傳輸距離較長、接入數(shù)量越多時響應(yīng)越慢，響應(yīng)性較差。同時單臺控制器對接入的逆變器數(shù)量及通訊協(xié)議也有限制，大多廠家的控制器只能接入本品牌產(chǎn)品的逆變器，而對于不同品牌的逆變器存在無法兼容的問題，兼容性較差。

3.3 SVG靜止型動態(tài)無功補償裝置

SVG的基本原理是利用可關(guān)斷大功率電力電子器件（如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?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，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。SVG可同時對無功功率和諧波進行補償，且補償無功功率可做到連續(xù)平滑雙向調(diào)節(jié)。具有響應(yīng)速度快、安全性高、動態(tài)性好的優(yōu)點，但是成本相當較高，同時需要占用一定的配電房空間。

4 結(jié)語

綜上所述，分布式光伏電站用戶側(cè)接入時，應(yīng)根據(jù)用戶負荷情況來確定無功補償容量。同時，應(yīng)根據(jù)項目具體情況，結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟等多個方面進行綜合分析，確定無功補償方案。本文首先從理論上分析分布式光伏電站用戶側(cè)并網(wǎng)后原配電網(wǎng)絡(luò)關(guān)口處功率因數(shù)降低的原因，從工程實例出發(fā)，列舉無功功率補償容量的計算方法以及常用的解決方案，并對各種解決方案進行優(yōu)缺點分析。希望本文對以后同類型光伏電站的無功補償方案研究有一定的幫助。