含光伏發(fā)電的配電網(wǎng)無功補(bǔ)償策略研究

中車株洲時代電氣股份有限公司 郭積晶 劉玉柱

隨著工業(yè)廠區(qū)出現(xiàn)的高溫限電問題日益突出，廠區(qū)光伏發(fā)電的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。此外，分布式電源（DG）在節(jié)能調(diào)度規(guī)則下享受優(yōu)先調(diào)度權(quán)利[1]。合理的光伏發(fā)電接入配網(wǎng)的位置和無功容量配置不僅能保證電壓質(zhì)量，還能有效降低有功損耗和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性特別是電壓的穩(wěn)定性[2]。

1 不同方案潮流分析

配電網(wǎng)潮流計算是對配電網(wǎng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)，本文采用穩(wěn)態(tài)分析方法[3]推導(dǎo)了兩種4節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)方案的潮流分布。兩種方案的區(qū)別為光伏電源和補(bǔ)償裝置的接入點(diǎn)位置不同。光伏發(fā)電采用就地消納的方式供附近的工業(yè)負(fù)載使用；由于工業(yè)負(fù)載功率因數(shù)較低且變化范圍大，故配置一套SVG 裝置。假設(shè)各段線路阻抗相同，節(jié)點(diǎn)2的注入潮流功率因數(shù)cosφ2為電力部門考核指標(biāo)。

1.1 方案一

如圖1所示，節(jié)點(diǎn)2為SVG 裝置補(bǔ)償裝置接入點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)3為光伏電源接入點(diǎn)，方案中無功補(bǔ)償點(diǎn)位于大電網(wǎng)近端。

圖1 方案一配電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

實(shí)際上的負(fù)載的功率可以值表示為式（1）：P4+jQ4=S4cosφ+jS4sinφ，則線路3-4上的壓降為式（2）：節(jié)點(diǎn)上3的電壓為式（3）：線路3-4上的功率損失為式（4）：從而流出節(jié)點(diǎn)3的功率為式（5）考慮到光伏的有功出力PPV，由線路2-3流入節(jié)點(diǎn)3的功率為式（6）：同理可以求得流出節(jié)點(diǎn)2的功率為式（7）于是，流入節(jié)點(diǎn)2的功率為式（8）：

1.2 方案二

如圖2所示，節(jié)點(diǎn)3為SVG 補(bǔ)償裝置接入點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)2為光伏電源接入點(diǎn)，方案中無功補(bǔ)償點(diǎn)位于負(fù)載近端。潮流推導(dǎo)同樣如同于公式（1）～（5），考慮SVG 裝置的無功出力，由線路2-3流入節(jié)點(diǎn)3的功率為式（9）流出節(jié)點(diǎn)2的功率同式（7），考慮到光伏電源的有功出力PPV，由線路1-2流入節(jié)點(diǎn)2的功率為式（10）：

圖2 方案二配電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2 算例分析

以上述等效4節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的兩個方案為例，廠區(qū)負(fù)載為額定2MVA 的工業(yè)感性負(fù)載，功率因數(shù)長期變化于0.5～1，接入系統(tǒng)的光伏逆變器容量1MW，系統(tǒng)已有SVG 裝置容量1MVar。為了簡化計算，假設(shè)系統(tǒng)拓?fù)渲懈鞫尉€路等長。

2.1 僅SVG 裝置參與補(bǔ)償?shù)男Ч治?/h3>

此處光伏電源以純有功模式滿功率發(fā)電運(yùn)行，系統(tǒng)SVG 裝置設(shè)定補(bǔ)償目標(biāo)為其接入母線的功率因數(shù)達(dá)0.95。隨著負(fù)載功率因數(shù)cosφ的變化，SVG裝置補(bǔ)償量QC、的功率因數(shù)cosφ3和的功率因數(shù)cosφ2分別呈現(xiàn)不同的水平。

圖3表明：當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)低于0.75時，兩種方案的SVG 裝置均處于最大出力狀態(tài)，考核點(diǎn)功率因數(shù)基本一致；當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)處于0.75～0.83區(qū)間時，方案一的SVG 裝置持續(xù)保持全額出力，而方案二的SVG 裝置出力卻存在下降趨勢，故方案一在區(qū)間內(nèi)考核點(diǎn)功率因數(shù)cosφ2明顯高于方案二；當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)高于0.83時，方案一在區(qū)間內(nèi)考核點(diǎn)功率因數(shù)cosφ2處于0.95以上，而方案二幾乎都不達(dá)標(biāo)。

圖3 功率因數(shù)及無功補(bǔ)償量變化趨勢

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因包括：一是SVG 裝置的補(bǔ)償目標(biāo)是基于該補(bǔ)償裝置的接入母線功率因數(shù)；二是兩個方案中光伏和SVG 裝置接入位置存在差異，造成SVG 裝置的容量利用率完全不同。顯然，從補(bǔ)償效果來看方案一優(yōu)于方案二。

2.2 SVG 裝置和光伏逆變器均參與補(bǔ)償?shù)男Ч治?/h3>

根據(jù)國標(biāo)GB/T19964-2012的要求，光伏發(fā)電站安裝的并網(wǎng)逆變器應(yīng)滿足額定有功出力下功率因數(shù)在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)[4-6]，目前行業(yè)中各廠家的并網(wǎng)逆變器基本都具備額定有功出力下功率因數(shù)在超前0.9～滯后0.9動態(tài)無功功率調(diào)節(jié)能力。

本文的分析計算結(jié)果表明，在負(fù)載功率因數(shù)cosφ較低（0.75以下）時，兩個接入方案中的SVG裝置均滿功率出力仍無法提供足夠的無功補(bǔ)償量。為了進(jìn)一步提升無功補(bǔ)償效果，可充分利用光伏逆變器的無功支撐能力，設(shè)定光伏逆變器無功補(bǔ)償目標(biāo)保證逆變器接入點(diǎn)的功率因數(shù)為0.95以上。

隨著負(fù)載功率因數(shù)cosφ的變化，當(dāng)cosφ低于0.75時，兩個接入方案中SVG 裝置和光伏逆變器同時提供最大的無功出力；當(dāng)cosφ高于0.75時，SVG裝置和光伏逆變器協(xié)調(diào)出力，綜合補(bǔ)償后均可保證考核點(diǎn)功率因數(shù)cosφ2保持在0.95以上?？己它c(diǎn)功率因數(shù)cosφ2、的功率因數(shù)cosφ3、SVG 裝置補(bǔ)償量QC和光伏逆變器補(bǔ)償量QPV隨負(fù)載功率因數(shù)變化而變化，如圖4所示。

圖4 兩個方案的功率因數(shù)及補(bǔ)償量對比

圖4表明，光伏并網(wǎng)逆變器參與無功調(diào)節(jié)后，兩種方案中SVG 裝置和光伏逆變器無功補(bǔ)償總量基本一致，兩種方案考核點(diǎn)功率因數(shù)cosφ2變化趨勢也基本一致。在無功出力的分配上，兩種接入方案有所區(qū)別。方案一優(yōu)先發(fā)揮光伏逆變器的無功補(bǔ)償能力，其次發(fā)揮SVG 裝置的能力，與國標(biāo)GB/T29321-2012中5.1.2條款是一致的；方案二優(yōu)先發(fā)揮SVG裝置的無功補(bǔ)償能力，其次發(fā)揮光伏逆變器的動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力。因此，從補(bǔ)償效果來看，兩種方案無明顯差異；從投資規(guī)劃的成本來看方案一優(yōu)于方案二。

2.3 經(jīng)濟(jì)型補(bǔ)償方案

為了節(jié)省昂貴的SVG 裝置，將固定電容與光伏逆變器結(jié)合，形成兼顧成本和動態(tài)性能的綜合補(bǔ)償方案。這種綜合補(bǔ)償方式主要適用于方案二，即在節(jié)點(diǎn)3用固定電容設(shè)備代替SVG 裝置進(jìn)行無功初次補(bǔ)償，節(jié)點(diǎn)2的光伏逆變器發(fā)電的同時，對考核點(diǎn)處的潮流進(jìn)行二次動態(tài)補(bǔ)償。根據(jù)本系統(tǒng)負(fù)載特性，配置固定電容1.2MVar，補(bǔ)償效果如圖5所示。

圖5 固定電容和光伏逆變器綜合補(bǔ)償效果

負(fù)載功率因數(shù)低于0.7時，系統(tǒng)對感性無功需求較大，除了固定電容提供的無功功率，光伏逆變器也最大限度地提供無功支撐；負(fù)載功率因數(shù)處于0.7～0.92時，光伏逆變器發(fā)出的感性無功功率逐步降低至0；負(fù)載功率因數(shù)高于0.92時，由于固定電容提供的感性無功功率過大，逆變器發(fā)出容性無功以保證考核點(diǎn)功率因數(shù)達(dá)標(biāo)。

顯然，采用固定電容與光伏逆變器的綜合補(bǔ)償方式可滿足大部分負(fù)載情況的無功需求，使考核點(diǎn)功率因數(shù)大部分保持在0.95以上。只要固定電容容量合適，這種綜合補(bǔ)償方式可同時兼顧成本與性能。

2.4 工程案例

選取位于湖南地區(qū)地點(diǎn)A 和地點(diǎn)B 的兩個光伏電站為研究對象，這兩個項(xiàng)目的光伏電站均接入工業(yè)廠區(qū)配電網(wǎng)，他們均包含典型的低功率因數(shù)工業(yè)負(fù)載，系統(tǒng)均配備靜止無功補(bǔ)償裝置SVC。通過對比二者的系統(tǒng)拓?fù)?，兩系統(tǒng)中的靜止無功補(bǔ)償設(shè)備接入位置不同，A 項(xiàng)目和B 項(xiàng)目系統(tǒng)拓?fù)浞謩e等效于本文所述方案一和方案二。在實(shí)際運(yùn)行中B 項(xiàng)目業(yè)主因考核點(diǎn)功率因數(shù)過低而面臨罰款，A 項(xiàng)目的實(shí)測卻無此類問題。排查設(shè)備的設(shè)置并無異常，光伏逆變器均以純有功模式運(yùn)行，無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償目標(biāo)均為功率因數(shù)0.95。

為了提高B 項(xiàng)目的考核點(diǎn)功率因數(shù)，提出三種改造方案。表1列出了三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到項(xiàng)目已有的無功補(bǔ)償裝置容量較大，用戶允許中斷供電，為了徹底解決功率因數(shù)問題，最終采取方案c。經(jīng)過幾個月的運(yùn)行考核，項(xiàng)目B 的考核點(diǎn)平均功率因數(shù)均達(dá)標(biāo)，滿足電力公司要求。

表1 B 項(xiàng)目的三種改造方案

3 結(jié)語

光伏發(fā)電的接入需要重視接入方案的選擇和對用戶無功補(bǔ)償方案的影響。在無功補(bǔ)償接入方案選擇上，無功補(bǔ)償源優(yōu)先接入電網(wǎng)近端。為了充分利用光伏電源的無功控制特性，可將光伏電源接入負(fù)載近端以減小無功補(bǔ)償專用設(shè)備的無功出力需求，既提高了發(fā)電設(shè)備利用率也降低了系統(tǒng)成本。在無功補(bǔ)償設(shè)備選擇上，可根據(jù)用戶的負(fù)載特性配置適當(dāng)?shù)墓潭娙菅b置，利用固定電容的低成本容量優(yōu)勢，結(jié)合光伏電源的動態(tài)跟蹤優(yōu)勢，共同實(shí)現(xiàn)負(fù)載無功功率的綜合實(shí)時補(bǔ)償，形成性價比最優(yōu)的系統(tǒng)綜合補(bǔ)償方案。