分布式光伏并網(wǎng)后對功率因數(shù)的影響和解決方案

李雪松

延鋒汽車飾件系統(tǒng)有限公司

引言

分布式光伏發(fā)電遵循因地制宜、清潔高效、分散布局和就近利用的原則，充分利用當?shù)靥柲苜Y源替代和減少化石能源消費。分布式光伏發(fā)電一般是利用企業(yè)既有建筑的屋頂資源，運行方式以用戶側(cè)自發(fā)自用為主、多余電量上網(wǎng)。分布式光伏系統(tǒng)由光伏組件、逆變器組成。逆變器跟蹤光伏電池最大功率點、控制并網(wǎng)電流的波形和功率，將光伏電池所發(fā)出的電能逆變成正弦電流并入電網(wǎng)中，使向電網(wǎng)傳送的功率與光伏陣列所發(fā)的最大功率電能相平衡。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的傳輸能量來源于光伏電池，由電池的特性決定其輸出的電壓和電流曲線為非線性，受光照和溫度的影響，輸出功率跟隨變化。光伏系統(tǒng)通過電力電子變換器將直流電變換為交流電并入電網(wǎng)。

1 分布式光伏并網(wǎng)后對電網(wǎng)功率因數(shù)的影響

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在為企業(yè)提供清潔能源的同時，其并網(wǎng)運行后也會干擾企業(yè)供電網(wǎng)絡無功補償裝置的運行，而且光伏電站的發(fā)電功率越接近于企業(yè)用電負荷，對無功補償裝置的影響越大，甚至會引起無功補償裝置的停運，最終造成功率因數(shù)不合格。通過對分布式光伏在不同發(fā)電功率時對企業(yè)供配電網(wǎng)絡的影響進行分析，提出解決方案。

1.1 功率因數(shù)

功率因數(shù)是供電公司衡量用戶電氣設備效率高低的一個系數(shù)，功率因數(shù)過低會降低電網(wǎng)的運行效率。功率因數(shù)的計算通過用戶有功電量和無功電量的數(shù)值取得，一般而言，無功電量比例越高則功率因數(shù)越低，所以，提高功率因數(shù)的一個重要手段就是加裝無功補償裝置，以降低無功功率。

1.2 力調(diào)電費

為提高電能使用效率，原水利電力部、國家物價局于1983年出臺了《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》(水電財字215號文件)，辦法規(guī)定容量在100 kVA及以上的電力用戶均須進行功率因數(shù)考核，未達到考核標準將加收功率因數(shù)調(diào)節(jié)費(即力調(diào)電費)，超過考核標準的按超過比例進行獎勵。用戶功率因數(shù)考核標準為0.85或0.90，若功率因數(shù)遠低于標準，不僅會造成電網(wǎng)運行負擔，同時力調(diào)罰款數(shù)量也會十分巨大。由于用戶負荷與負荷性質(zhì)在每天的不同時段不一定一致，用戶一般會加裝帶有自動投切功能的無功補償(多為電容性設備)裝置，自動調(diào)整補償力度。

關于無功電能四象限測量的定義在《多功能電能表通信協(xié)議》（DL/T645-2007）中做出了規(guī)定，如圖1所示。

圖1 有功和無功功率的幾何示意圖

電能表的正、反向與電能的受（送）相關，一般情況用戶接受系統(tǒng)的電能定義為正向；用戶內(nèi)部發(fā)電向系統(tǒng)送電定義為反向。

(1)當系統(tǒng)向用戶輸送有功和無功時，電能表工作在第I象限，電能表顯示有功是正值，無功也是正值；這是用戶的正常用電模式，即有功電能和無功電能全部來自電網(wǎng)；

(2)當系統(tǒng)向用戶輸送無功，用戶向系統(tǒng)反送有功時，電能表工作在第Ⅱ象限，電能表顯示有功是負值（反向有功），無功是正值；這時用戶負荷無法全部消納分布式光伏發(fā)電，余電上網(wǎng)的情況，有功電能倒送回電網(wǎng)，而負載所需無功仍然來自電網(wǎng)；

(3)當用戶向系統(tǒng)反送有功和無功時，電能表工作在第Ⅲ象限，電能表顯示有功是負值，無功也是負值；有些自發(fā)電的用戶在內(nèi)部沒有負荷時，出現(xiàn)和專業(yè)電廠一樣，有功和無功全部向網(wǎng)上輸送；

(4)當系統(tǒng)向用戶輸送有功，用戶向系統(tǒng)反送無功時，電能表工作在第Ⅳ象限，電能表顯示有功是正值，無功是負值；這時用戶從系統(tǒng)取有功，但用戶的電容補償處于過補償狀態(tài)，向系統(tǒng)反送無功。；

《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》中規(guī)定用戶功率因數(shù)的計算公式為：

式中容性無功Qc和感性無功QL的方向相反，關口表在計算功率因數(shù)時采用正反向無功的絕對值相加。而有功只取正向有功電能，反向有功電能是不參與功率因數(shù)計算的。即當用戶分布式光伏向電網(wǎng)倒送有功時（電能表工作在第II或第III象限），關口表的功率因數(shù)會降低。

2 分布式光伏接入前、后對用戶功率因數(shù)的影響

2.1 用戶電網(wǎng)未接入分布式光伏

某工廠市電供電變壓器容量為1 250kVA，用戶0.4kV母線通過檢測變壓器低壓總開關的電流來控制無功補償裝置投切補償電容器，從而保證功率因數(shù)控制在0.9以上。

用戶所需的有功功率P負載=P電網(wǎng)；

用戶側(cè)所需的無功功率Q負載=Q電網(wǎng)+q補；

功率因數(shù)

可以看到，無功補償越接近負載無功，即用戶整體負載屬性趨近于純電阻，功率因數(shù)越接近1。

2.2 用戶電網(wǎng)接入分布式光伏

用戶電網(wǎng)接入分布式光伏的一般方式如圖2所示，即光伏并網(wǎng)點B1為用戶0.4kV母排上。此時負載的有功由電網(wǎng)和光伏共同提供，且由于光伏逆變器的設置，光伏供電優(yōu)先于電網(wǎng)供電。負載的無功則由電網(wǎng)、補償電容器和光伏提供，國家標準GB29321-2012《光伏發(fā)電站無功補償技術規(guī)范》中提出“光伏逆變器功率因數(shù)應能在超前0.95～滯后0.95范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)”，因此光伏發(fā)電本身的功率因數(shù)都較高，其吸收和發(fā)出的無功功率由于光伏逆變器的功率因數(shù)基本設置在0.98以上，所以基本可以認為逆變器輸出的是純有功，負載無功基本是由電網(wǎng)和補償電容器提供。

圖2 常規(guī)分布式光伏并網(wǎng)接入示意圖

用戶所需的有功功率P負載=P電網(wǎng)+P光；

用戶所需的無功功率Q負載=Q電網(wǎng)+q補+q光；

功率因數(shù)

由于光伏的發(fā)電量受太陽輻射大小的變化而變化，從而影響到整個供配電網(wǎng)絡的變化，主要現(xiàn)象如下：

0.4 kV母線補償電容的投切更為頻繁；并且在同樣負載情況下，電容投切數(shù)量大于光伏并網(wǎng)前；

光伏發(fā)電量大于負載用電量時，電容補償全部退出運行；此時無功補償控制器顯示為負值；

關口表的功率因數(shù)隨光伏發(fā)電量的增加而降低。

2.3 分布式光伏并網(wǎng)后功率因數(shù)變化的原因分析

針對光伏發(fā)電并網(wǎng)后所產(chǎn)生的一系列問題，有必要對配電系統(tǒng)各類電參數(shù)的變化進行深入分析。下文的分析基于用戶負載一定時（負載有功、無功基本維持不變）的條件，對不同光伏發(fā)電功率情況下進行分析：

2.3.1 分布式光伏發(fā)電功率小于用戶負載功率時，P光＜P負

當光伏發(fā)電功率小于負載功率時，此時P電網(wǎng)=P負載-P光＞0；Q電網(wǎng)=Q負載-q補。0.4kV母線無功補償控制器所檢測到的有功電量減少，而負載無功不變情況下，功率因數(shù)與光伏發(fā)電量成反比例關系。關口表的功率因數(shù)與無功補償控制器情況一致，關口表工作在第I象限。

當負載維持一定時，由于K2計量點有功功率P電網(wǎng)隨著光伏發(fā)電功率P光的增加而減小，而無功功率Q電網(wǎng)由于光伏逆變器基本沒有無功q光輸出基本不變。造成功率因數(shù)下降。無功補償控制器發(fā)出指令增加電容補償容量，減少無功功率Q電網(wǎng)的輸入。

所以，當P光＜P負時，我們會發(fā)現(xiàn)用戶0.4kV母線無功補償裝置會隨著光伏發(fā)電功率的增加而投入更多的補償電容。這是由于光伏輸出有功電能P光的增加造成P電網(wǎng)的減少，而來自電網(wǎng)的無功電能基本不變，此時功率因數(shù)隨著P光的增加而下降，無功補償裝置會投運更多的補償電容以維持功率因數(shù)在設定值。造成功率因數(shù)下降的實質(zhì)是由于K2檢測點有功功率的減小，而不是無功的變化。

2.3.2 分布式光伏發(fā)電功率等于用戶負載功率時，P光=P負

當光伏發(fā)電功率接近負載功率時，此時P電網(wǎng)=P負載-P光≈0；Q電網(wǎng)=Q負載-q補。0.4kV母線無功補償控制器K2所檢測到的有功電量處于時而正向，時而反向。當K2檢測到反向有功時，無功補償電容器全部退出；當K2檢測到正向有功時，補償電容會因為功率因數(shù)很低而全部投運。造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。關口表在第I象限和第II象限之間轉(zhuǎn)換。

2.3.3 分布式光伏發(fā)電功率大于用戶負載功率時，P光＞P負

當光伏發(fā)電功率大于負載功率時，此時P電網(wǎng)=P負載-P光＜0；Q電網(wǎng)=Q負載-q補。0.4kV母線無功補償控制器K2所檢測到的有功電量為負值，無功補償電容器全部退出（由于無功補償控制器所檢測電流是單方向的），q補=0。此時負載無功功率全部來自于電網(wǎng)Q電網(wǎng)=Q負載。關口表的正向有功P電網(wǎng)=0（此時反向有功＞0），無功功率由于補償電容的退出，無功全部來自電網(wǎng)，因此Q電網(wǎng)將大幅增加，力率下降。關口表工作在第II象限。此時的功率因數(shù)已不能真實反映用戶的實際無功情況。

2.4 分析結論

（1）0.4KV母線無功補償控制器K2只具有單方向控制功能。當K2檢測到電流為正向時（P光＜P負），能夠根據(jù)功率因數(shù)控制無功補償電容的投切；當K2檢測到電流為反向時，無功補償控制器不能正常工作，補償電容全部切除。

（2）關口表的功率因數(shù)不能反映用戶的實際無功情況。關口表功率的計算時受電計量點處的有功P取用戶下受的正向有功，而無功Q取正反向無功絕對值之和。只取正向有功電能，無功電能正反向都計算。這種計算方式?jīng)Q定了只要有功反向，關口表的功率因數(shù)會因有功功率隨時間積分而下降。

3 解決方案

方案1：調(diào)整光伏逆變器輸出功率因數(shù)

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司關于印發(fā)分布式電源并網(wǎng)相關意見和規(guī)范(修訂版)的通知(國家電網(wǎng)辦[2013]1781號)》，分布式電源接入配電網(wǎng)相關技術規(guī)范中第十一條，逆變器類型分布式電源接入10 kV配電網(wǎng)技術要求為：分布式電源功率因數(shù)應在0.95(超前)～0.95(滯后)范圍內(nèi)可調(diào)。一般情況下逆變器無功控制方式設置為恒功率運行，通常情況下功率因數(shù)恒定設為0.99，逆變器不向電網(wǎng)提供無功容量。但如果逆變器的容量大于光伏組件的容量，則可以將逆變器無功輸出，調(diào)節(jié)范圍為超前0.8～0.9，向電網(wǎng)輸出一定量的容性無功。

此種方案調(diào)節(jié)能力有限，只適用于光伏并網(wǎng)后功率因數(shù)略有下降，且光伏逆變器的容量大于光伏組件容量的情況下。通過調(diào)整逆變器的功率因數(shù)，向電網(wǎng)輸出一定量的無功，從而提高電網(wǎng)功率因數(shù)。投入費用少，操作簡單。

方案2：更換無功補償控制器并加裝SVG裝置

無功補償控制器的單方向性（二象限無功檢測）以及普通電容器組容量跨級大導致補償精度不夠。更換無功補償控制器支持四象限無功檢測，能夠正確識別系統(tǒng)的四種運行方式，準確地控制電容器組投切。同時加裝有源無功發(fā)生器SVG裝置，由于無功發(fā)生器SVG可連續(xù)輸出，配合投切電容器后就能消除原有的輸出臺階誤差(斷續(xù)補償)，達到整機容量快速連續(xù)輸出的目的?？梢詫崿F(xiàn)裝置具有連續(xù)無級可調(diào)、快速響應、無涌流等特點。由動態(tài)無功補償控制器作為主控制器檢測系統(tǒng)所需的無功功率，指令下發(fā)給原無功補償裝置投切電容器，同時也下發(fā)給SVG，SVG控制器按接收到的無功指令控制自身逆變器產(chǎn)生所需的無功功率，電容補償裝置實現(xiàn)大容量的粗調(diào)，SVG實現(xiàn)小容量的細調(diào)。

這種方案是目前企業(yè)分布式光伏項目普遍采用的一種解決方案，在光伏發(fā)電量小于企業(yè)負載用電量時，能夠部分解決光伏低壓并網(wǎng)后功率因數(shù)不穩(wěn)定的問題。但由于系統(tǒng)沒有解決無功補償器的采樣問題，所以無法正確反映功率因數(shù)。

方案3：改變光伏主接線并網(wǎng)點方式

目前0.4kV低壓并網(wǎng)一般都是并接在母排上（如圖1所示并網(wǎng)點B1），這樣造成低壓無功補償控制器的檢測點K2無法檢測到光伏的發(fā)電量，所以無功補償控制器不能正確反映該配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，也就不能正確控制補償電容的投切。為了能夠正確反映功率因數(shù)，可以將并網(wǎng)點改到B2點（如圖3所示）。這時K2檢測點流過的電流是市電與光伏的合并電流，P負=P市+P光，無功補償控制器能夠正確反映系統(tǒng)的功率因數(shù)。

此方案適用于低壓總開關柜有空間，光伏并網(wǎng)主電纜可以直接并接在電流互感器與總開關之間。這種改變并網(wǎng)點的接線方式，配合更換無功補償控制器為雙向無功補償控制器，能夠直接解決無功補償器采樣不完整造成的功率因數(shù)降低的問題。當企業(yè)節(jié)假日休息或停產(chǎn)時，光伏發(fā)電量遠大于負載用電量，長時間處于光伏發(fā)電倒送回電網(wǎng)時，需要密切關口表的力率。

方案4：改變無功補償控制器的監(jiān)測回路接線方式

系統(tǒng)原無功補償控制器的電量只采樣市電的電量信息，在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，如果控制器不對光伏電量進行采樣，就會造成控制器的誤判。因此在無功補償控制器中加入光伏的發(fā)電量信息進行修正，即在光伏并網(wǎng)處設置監(jiān)測點K3，增設一套與無功補償裝置原監(jiān)測點K2同型號、同參數(shù)的電流互感器。兩套電流互感器二次繞組同向并接后接入無功補償控制器回路，使無功補償裝置能根據(jù)用電負荷實際需要的總無功功率調(diào)整投入的電容器組數(shù)量，保證母線功率因數(shù)滿足標準的要求。改造后的無功補償控制器監(jiān)測回路示意圖如圖3所示（K2、K3取樣點）。

本方案與方案3有著同樣的效果和缺陷，方案3是通過改變一次接線的方式，而本方案是通過改變二次接線的方式。當然在受主接線空間受限的情況下，該方案更為簡便。

4 結論

圖3 改善無功補償分布式光伏并網(wǎng)接入方式示意圖

通過對分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)后的功率因數(shù)變化以及四種解決方案的分析發(fā)現(xiàn)，企業(yè)應根據(jù)實際情況，靈活采用一種或多種方案并行的解決方案。通過實踐應用，我們建議企業(yè)在實施分布式光伏后，無功補償控制器必須更換為具有雙向檢測功能控制器，光伏并網(wǎng)接線方式宜采用第三種或第四種方案（見圖3），SVG裝置可以作為電容補償?shù)臄U展，以平抑功率因數(shù)的波動。

采用上述解決方案后，能夠滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)功率隨光照和溫度變化特點的情況下正確補償無功功率的需求，解決了系統(tǒng)處于任何四象限狀態(tài)時功率因數(shù)低的電能質(zhì)量問題，滿足光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)后功率因數(shù)的技術要求。但是無論何種解決方案，都不能解決關口表的力率計費問題。當企業(yè)節(jié)假日休息或停產(chǎn)時，長時間處于光伏發(fā)電倒送回電網(wǎng)時，需要密切關注關口表的力率。這也是目前關口表功率因數(shù)考核計算公式所造成的，有待國家相關部門出臺新的考核辦法。