關于接入企業內網的分布式光伏電站對功率因數的影響分析

常州天合光能有限公司系統事業部 楊正剛 于 哲

江蘇省分布式光伏及應用工程中心 陳 維 趙鳳閣 栗 娜

關于接入企業內網的分布式光伏電站對功率因數的影響分析

常州天合光能有限公司系統事業部 楊正剛 于 哲

江蘇省分布式光伏及應用工程中心 陳 維 趙鳳閣 栗 娜

為解決分布式光伏電站接入企業內網而導致企業關口計量點功率因數降低的問題，采用理論分析和長期實際系統運行數據統計研究，提出解決方向。比對多種類型無功補償方案，綜合考慮性價比和可操作性，選擇采用具有抗諧波功能的低壓無功補償設備。方案實施并對改造后的系統運行數據進行統計分析。研究結果表明，在企業低壓側母線接入384kVar具有抗諧波功能的低壓無功補償設備，企業關口計量點功率因數能達到0.9以上，從而避免了供電公司對企業的罰款，對促進分布式光伏發電應用具有現實意義。

分布式光伏電站；關口計量點；功率因數；抗諧波；無功補償

0　引言

隨著社會發展和工業化進程加快，能源危機和環境危機加劇，采用化石能源所產生的環境污染與人們的低碳生活相矛盾，利用可再生能源成為人們追求的目標，其中，太陽能作為清潔能源，取之不盡用之不竭，成為理想的選擇，以晶體硅基為主流的光伏電池和組件得到工業化發展，技術成熟，配套政策完善，國家鼓勵和支持光伏發電應用。近年來，我國光伏發電產業呈現飛速發展，西部地區光照資源豐富，因此大量的集中型電站在西部建設，然而西部市場消納困難，特高壓線路配套失衡，富余電力無法外送，光伏電站棄光現象嚴重，成為制約西北地區光伏新能源進一步發展的最大瓶頸［1］。而分布式光伏發電主要建設在企業、居民、公共建筑屋頂或其它用電負荷附近區域，所發電力就近消納，適合企業和居民較多的中東部地區，分布式光伏電站具有環保、經濟、投資省、發電方式靈活、與環境兼容等特點［2］，依據國家能源局發布的光伏十三五規劃意見稿顯示，十三五分布式光伏電站規劃累計將達到70GW，分布式光伏具有廣闊的發展空間。

隨著分布式光伏電站的發展，所帶來的問題也日益凸顯，分布式光伏電站通常采用380V或10KV電壓等級接入企業內網或公共配電網［3］，由于用電企業本身的設備，例如高頻爐、中頻爐等可能會產生嚴重諧波［4］，干擾光伏電站的正常運行，同時，光伏電站一般通過逆變器將直流轉化為交流電后直接接入電網或通過升壓變接入電網［5］，這類電力電子器件的頻繁開通和關斷，容易產生諧波污染［6-7］，其中尤其是分布式光伏電站采用自發自用、余電上網、就近消納接入企業內網，導致用電企業功率因數下降［8］，甚至低于電力系統門檻值而遭到供電公司罰款［9］，嚴重影響了分布式光伏電站的應用和投資回報。

本文針對采用自發自用，余電上網，就近消納接入企業內網的典型分布式光伏電站案例進行研究，理論分析導致企業關口計量點功率因數下降的原因，對實際運行數據進行統計分析，優化解決方案，對優化后數據統計分析總結。

1. 光伏接入對功率因數的影響分析

1.1主系統圖

光伏接入的企業為35kV廠區進線，共三臺變壓器，其中兩臺35kV/400V，容量1600kVA電力變壓器及2200kVA電爐專用變壓器1臺。光伏電站以380V電壓等級接入380V廠區用電系統，兩臺電力變壓器低壓側均有電容無功補償，系統主接線，如圖1所示：

圖1 系統主接線圖Fig.1 Main system connecting diagram

其中，光伏電站裝機容量1.33MW，采用37臺規格為30KW的組串式逆變器和10臺規格為20KW的組串式逆變器。

1.2理論分析

1.2.1光伏接入前功率因數的分析

在光伏接入電網之前，用電企業所需的有功全部來自電網，即：

而用電企業所需的無功一部分來自電網，當功率因數不滿足要求時，企業的無功補償設備自動投運補償［10-13］，即：

所以其功率因數：

1.2.2光伏接入后功率因數的分析

光伏接入企業內網后，用電企業消耗的有功優先來自光伏電力，當光伏電力不能滿足用電負荷要求時，電網補充供電，即：

而用電企業所需的無功包括兩方面［14］，用電企業負載所需的無功和變壓器運行時所需消耗的無功，則：

所以其功率因素：

通過光伏接入前后的理論比較與分析，可以得出：當用戶的負載保持相對穩定時（即Pf、Qf一定），隨著光伏的接入，系統提供給用電企業的有功功率降低，而此時逆變器不提供無功容量，在這種情況下，會導致用電企業關口計量點功率因數降低［15］。

1.3光伏接入前后數據分析

光伏電站裝機容量1.33MW，采用組串式逆變器，380V電壓等級接入，于2015年4月中旬投入運行，針對供電公司電費清單數據統計，如圖2所示：

圖2 光伏接入對功率因數與有功消耗影響Fig.2 The impact of PV operation to Power Factor & Active energy consumption

由圖2可見，2015年4月中旬投入運行后，企業負載從公網獲得的有功減少，關口計量點功率因數下降。

針對用電企業負荷不均進而可能影響功率因數的情況進行分析，統計用電企業白天和晚上負載消耗有功情況，如圖3所示：

圖3 企業白天和晚上用電情況對比Fig.3 Electricity usage comparison for day and night

由圖3可見，該企業晚上用電量明顯大于白天用電量，且11月和12月為用電量較多月份。

由于光伏電站只在白天發電，而光伏電站所發電力占企業用電的比例多少，將影響企業關口計量點功率因數大小。本文統計分析2015年8月份至2016年3月份，光伏發電量占企業用電量比例和企業關口計量點功率因數，如圖4所示：

圖4 光伏發電占比與功率因數的關系

Fig.4 Electricity usage Relation between Proportion of PV energy & usage and Power Factor由圖4可見，光伏發電占企業用電比例越大，關口計量點功率因數越低，兩者成反向趨勢。

2. 方法

2.1企業現有無功補償裝置及主變配置

表1 企業無功補償及主變現狀Table 1 Static Var Compensator Condition of Enterpris

針對分布式光伏電站接入企業內網導致企業關口計量點功率因數下降的理論和實際數據的分析，影響功率因數降低的主要原因是用電企業用電量白天和晚上分布不均衡，晚上比白天用電量多，且光伏電站只在白天發電，加上企業無功補償存在缺口，進而導致企業關口點功率因數下降。

2.2無功補償缺口

根據電費清單統計分析，按照極限功率因數1為基準，無功補償缺口最高達320kVar，由圖5所示：

圖5 無功補償缺口Fig.5 Lack of Static Var Compensation

由圖5可見，無功功率和功率因數從4月份開始有所下降，可能與企業季節用電負荷有關。

2.3方法選擇

基于上述理論和數據的研究，解決分布式光伏電站接入企業內網，造成功率因數下降的問題，擬增加無功補償裝置，考慮企業中頻爐等特種設備的影響，要求無功補償設備具有抗諧波干擾能力。

表2 無功補償方案Table 2 Static Var Compensation

綜合考慮各種方案的經濟性和可行性，采用第3種方案。

2.4方案實施

采用兩臺無功功率補償柜拼接至配電房低壓側母線，具體單臺無功功率補償柜配置如表3所示：

表3 無功補償柜組成Table 3 Component of Static Var Compensation cabinet

新增無功功率補償柜接入如圖6所示：

圖6 無功功率補償柜接入圖Fig.6 Connection of Static Var Compensation cabinet

3. 結果分析

2015年12月進行無功補償改造，對供電公司2015年1月至2016年2月電費清單進行統計，如圖7所示：

圖7 無功補償改造前后結果比較Fig.7 Results comparison before and after Static Var Compensation improvement

由圖7可見，12月份進行無功補償改造后，功率因數達到0.9以上，滿足供電公司要求。

對2015年8月至2016年3月的每天用電企業白天功率因數和晚上功率因數的情況進行統計，同時，統計無功補償改造前后的功率因數改善情況，如圖8所示。

由圖8可見，經過2015年12月無功補償改造后，2016年1月開始，企業關口計量點功率因數較之前有明顯提高，超過0.9，達到供電公司要求，驗證了無功補償改造的效果，而且晚上的功率因數整體高于白天的功率因數，這也驗證了白天光伏發電對功率因數的不良影響。

圖8 無功補償改造前后功率因數改善Fig.8 Power factor improvement before and after Static Var Compensation improvement

4. 結論

（1） 針對典型的分布式光伏電站，接入企業內網，采用自發自用、余電上網、就近消納的模式，通過理論分析以及長期數據采集分析，可知光伏發電會導致企業關口計量點功率因數下降，甚至會遭到供電公司罰款，對分布式光伏電站的發展不利。

（2） 很多用電量大的企業，負載容易對企業本身的無功補償設備產生干擾和危害，針對典型企業，比對不同的無功功率補償方案，選擇性價比較高的帶有抗諧波功能的低壓無功功率電補償設備，可操作性強，適合推廣。

（3） 針對改造后的無功補償效果進行數據統計分析，企業關口計量點的功率因數有明顯提升，功率因數在0.9以上，滿足供電公司的要求，充分說明了通過低壓側增加具有抗諧波功能的無功補償裝置具有一定的工程實用價值，有利于分布式光伏電站的推廣應用。

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楊正剛【通信作者】（1980—），男，湖北大冶人，碩士，中級職稱，主要研究方向：光伏系統工程應用。

于哲（1987—），男，大學本科，主要研究方向：光伏系統工程應用。

陳維（1977—），男，博士后，主要研究方向：分布式光伏發電應用研究。

趙鳳閣（1982—），男，大學本科，主要研究方向：光伏系統工程應用。

栗娜（1986—），女，碩士，主要研究方向：材料應用。

Impact Analysis for Power Factor When Distributed PV Power Station Connecting to Internal Electric Power Grid in Enterprise

YANG Zhenggang1，YU Zhe1，CHEN Wei2，ZHAO Fengge2，LI Na2
（1.CSBU，Trina Solar，Changzhou 213002，China；2.Distributed Photovoltaic and Application Engineering Center of Jiangsu Province， Trina Solar，Changzhou 213002，China）

To solve the problem of power factor reduction at gateway when distributed photovoltaic（PV）power station connecting to enterprise internal electric grid，using theoretical analysis and actual system operation data statistics research for a long time，puts forward the direction.Compared various types of reactive power compensation method，based on comprehensive consideration of cost performance and operability，choose to adoptwith the low voltage reactive power compensation device with elimination harmonic function.Implementing and statistically analyzing the operation data.The research results show that when the low voltage reactive power compensation device of elimination harmonic function with 480 kVar，power factor at gateway can reach above 0.9，fines for enterprises，so as to avoid the penalty by electric power supply company.All these have practical significance for promoting distributed photovoltaic applications.

distributed PV power station；gateway；power factor；elimination harmonic；reactive compensation

工信部電子信息產業發展基金資助項目（財建［2014］513號、工信部財［2014］425號）；分布式光伏系統大規模集成應用研究項目。