并網光伏發電系統的最大功率發電和網側功率因數

袁明文

摘 要：本文從太陽能電池的輸出特性和并網逆變器的輸出電壓、輸出電流分析光伏發電系統最大功率發電的條件，得出并網逆變器按功率因數為1設計的原因。以逆變器功率因數為1為基礎，分析光伏系統并網點電網側功率因數的情況，找到電網側功率因數降低的原因，并提出提高電網側功率因數的措施。

關鍵詞：太陽能電池；輸出特性；最大功率發電；功率因數；措施

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0138-02

1 引言

據2001年“世界能源會議”資料，世界化石能源可開采年數為：石油39年，天然氣57年，煤223年，鈾67年。2001年到現在已經過去17年，這些不可再生能源在不長的時間內將被開采殆盡，人類已經面臨嚴峻的能源危機。同時，由于大量使用化石燃料導致的霧霾、酸雨、全球溫度上升、水資源污染、土地污染等環境問題，制約著社會的可持續發展。因此，積極研究、開發和利用太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物質能等新能源迫在眉睫。太陽能是儲量巨大、不會枯竭、不受地域限制的清潔能源，優點突出。近幾年，太陽能光伏發電裝機容量在世界范圍內穩步增長，我國光伏發電裝機容量的增速在世界上名列前茅。

2 并網光伏發電系統最大功率發電的條件

人們期望光伏發電系統能高效地將太陽能轉換為電能，盡可能多發電。我們衡量發電量的多少指的是發出有功電量的多少，不是指無功電量。如何才能使光伏系統高效地運行，這要從太陽能電池的特性說起。

圖1是測試單體太陽能電池輸出特性的接線原理圖。在穩定的光照和穩定的電池溫度條件下，按圖1接線，在開關S斷開時，讀取電池開路電壓UOC，然后閉合開關S，將可調電阻RP由最大逐漸減小到0，在減小RP阻值的過程中從電流表和電壓表讀取多組電池的輸出電流和電壓，并根據P=UI計算對應的電池輸出功率。根據測試數據即可繪制出太陽能電池的的輸出電流、輸出電壓、輸出功率之間的關系曲線。

圖2是太陽能電池的輸出電流、輸出電壓、輸出功率特性曲線。圖中ISC為電池輸出端短路時的短路電流。從圖2可以看出，在一定的光照和電池溫度條件下，太陽能電池的輸出功率隨輸出電壓、輸出電流而變化，不是固定不變的。輸出功率最大時，太陽能電池的轉換效率最高，這時的電壓Umax稱為最大功率點電壓，輸出電流Imax稱為最大功率點電流。當光照條件和環境溫度發生變化時，太陽能電池內等效電流源的電流發生變化，電池輸出的最大功率發生變化，最大功率點的電壓、電流均發生改變。因此，在光伏發電系統中，為了使太陽能電池輸出最大功率，使用最大功率點跟蹤控制系統對太陽能電池陣列的輸出進行控制，使陣列能在不同的日照和溫度環境下都能使輸出功率最大。

使用最大功率跟蹤控制系統對太陽能電池的輸出電流和電壓進行控制，使太陽能電池在不同條件下均能輸出此條件下的最大功率，只是滿足了光伏發電系統最大功率發電的一個條件，另外還要看將太陽能電池輸出的直流電逆變為交流電的逆變器的工作情況。

太陽能光伏發電系統分為獨立運行的光伏系統和與電網并列運行的并網光伏系統。獨立運行的光伏系統逆變器為電壓型逆變器，其輸出的交流電的功率因數由負載的性質決定。如果負載不是純電阻性，逆變器的功率因數小于1，就意味著太陽能電池輸出的電流不能全部逆變為有功電流，系統的發電功率沒有達到最大。并網光伏系統的逆變器為電流型逆變器，逆變器輸出電壓跟蹤電網電壓，逆變器對輸出電流進行控制。為了將太陽能電池的輸出電流全部逆變為有功電流，逆變器的輸出電壓和輸出電流要同相，也就是逆變器功率因數為1。

可見，太陽能電池輸出最大功率和逆變器功率因數為1是光伏系統最大功率發電的條件。

3 并網光伏發電系統對并網點電網側功率因數的影響

并網光伏發電系統根據是否允許通過變壓器向主電網饋電，分為有倒流系統和無倒流系統。有倒流系統在光伏發電系統產生剩余電力時，將剩余電能送入電網，當光伏發電系統電力不夠時，由電網供電。無倒流系統的光伏發電功率始終小于或等于負載功率，光伏系統與電網并聯向負載供電。

圖3是有倒流并網太陽能光伏發電系統示意圖。圖中P、Q、是負載的有功功率、無功功率和功率因數，P1、Q1、是光伏發電系統的有功功率、無功功率和功率因數，P2、Q2、是電網側斷路器QF2處的潮流有功功率、無功功率和功率因數。

在光伏發電系統中，為了最高效地發揮光伏陣列的輸出能力，并網逆變器一般按=1進行設計。《國家電網公司光伏電站接入電網技術規定》規定，大型和中型光伏電站的功率因數超前0.98至滯后0.98范圍內連續可調?！豆夥l電站無功補償技術規范（GB/T 29321-2012）》規定，光伏并網逆變器功率因數在超前0.95至滯后0.95范圍內連續可調。可見，并網逆變器的功率因數在1附近的較小范圍內變化，光伏逆變器輸出的無功功率Q1很小，光伏發電系統一般情況下只輸出有功電能，即將太陽能光伏陣列的直流電能轉換為與電網同頻同相的交流電能送給電網，并保證有較高的功率因數。

交流電的有功功率、無功功率和功率因數三者之間的關系為：

式中 P—交流電有功功率，單位kW；

Q—交流電無功功率，單位kvar；

—功率因數。

在圖3所示的光伏發電系統中，負載的功率因數由負載的特性決定，是固定值。如果負載穩定運行，負載所需的有功功率和無功功率也是穩定不變的。在逆變器功率因數為1時，分3種情況分析電網側功率因數的變化情況。

（1）光伏發電系統發出的有功功率小于負載所需要的有功功率，即P1

如果P1的值越接近P的值，則P2的值越小，這時電網側的功率因數越低。這就是有的業主安裝了光伏發電系統后，由于電網側功率因數低于0.85而被加收功率因數調節費的原因。

（2）光伏發電系統發出的有功功率大于負載所需要的有功功率，即P1>P。這時P2=P1-P，Q2=Q。這時，負載所需的無功電能仍然全部由電網提供。電網側的功率因數為：

如果P1的值越接近P的值，則P2的值越小，電網側的功率因數越低。

（3）光伏發電系統發出的有功功率等于負載所需有功功率，即P1=P。此時P2=0，=0。

從以上分析可以看出，由于負載的無功電能全部由電網提供，光伏發電系統只發出有功電能。因此，光伏發電系統發電后，電網側的功率因數下降，光伏系統發出的有功功率越接近負載所需的有功功率，電網側的功率因數越低。

4 提高電網側功率因數的措施

要解決電網側功率因數隨光伏發電系統發出的有功功率變化而變化，功率因數偏低的問題。一種方法是在圖3所示光伏系統母線上進行集中無功自動補償，補償容量接近負載無功需量，補償裝置所需功率因數信號取自斷路器QF2處。另外一種辦法是采用功率因數可調的并網逆變器，通過逆變器輸出無功功率來提高電網側功率因數。這是以減小發電量為代價來提高電網側功率因數的一種方法。這個方法存在一個問題，主要是會出現逆變器輸出的無功功率不能滿足負載無功要求的情況。所以，最有效的方法是采用自動無功補償裝置在母線上進行集中無功補償。

參考文獻

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