分布式光伏不同并網(wǎng)方式下的用戶側(cè)功率因數(shù)分析

曾　鑫，鄭　偉，陳　捷，張千斌，陳　瑜，曹娟娟

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江　湖州　313000）

0　引言

分布式光伏發(fā)電為清潔可再生能源，具有就地消納、減輕環(huán)境污染[1]等優(yōu)點，但分布式光伏發(fā)電輸出功率受氣候影響大，具有典型的晝夜特性。隨著企業(yè)屋頂光伏數(shù)量的增多，分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電與原有電網(wǎng)兼容性問題日益顯現(xiàn)，尤其是光伏設備接入后，原用戶側(cè)計量關(guān)口功率因數(shù)達不到考核標準，容易引發(fā)屋頂所有者和光伏投資商之間的糾紛，降低用戶對電網(wǎng)公司的信任度[2-5]。光伏的接入與售電側(cè)用戶變壓器的功率因數(shù)密切相關(guān)，進行分布式光伏的并網(wǎng)容量管理和接入方式優(yōu)化有利于分布式光伏的健康發(fā)展。

1　功率因數(shù)與考核標準

功率因數(shù)是反映電力用戶用電設備合理使用狀況、電能利用程度和用電管理水平的一項重要指標[6-8]。功率因數(shù)分為自然功率因數(shù)、瞬時功率因數(shù)和加權(quán)平均功率因數(shù)。目前電力系統(tǒng)考核執(zhí)行標準是取一個抄表周期內(nèi)的電量數(shù)據(jù)來計算平均功率因數(shù)。

從技術(shù)和管理的角度出發(fā)，目前某地區(qū)執(zhí)行標準為：容量在500 kVA及以上的專用變壓器用戶采用“高供高計”的計量方式，容量在500 kVA以下的用戶采用“高供低計”的計量方式。對于“高供低計”的計量方式，在計算功率因數(shù)時需計及變壓器的有功、無功功率損耗?！案吖└哂嫛钡挠嬃糠绞娇己说谝弧⑺南笙逕o功，“高供低計”的計量方式考核第一象限無功。

2　光伏并網(wǎng)方式

目前，用戶可自由選擇“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”和“全額上網(wǎng)”2種光伏發(fā)電典型接入模式，選擇“全部自用”和“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”并網(wǎng)模式運行的項目，光伏發(fā)電經(jīng)逆變至并網(wǎng)柜接入用戶側(cè)原有配電設施，用戶不足用電量由電網(wǎng)提供；選擇“全額上網(wǎng)”運行模式的光伏項目，光伏發(fā)電經(jīng)逆變就近接入公共電網(wǎng)，關(guān)口裝設雙向計量電能表，分別計量上網(wǎng)電量和用戶用電量。

10 kV及以上電壓等級分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)點如圖1所示，用戶內(nèi)部電網(wǎng)通過公共連接點E與公共電網(wǎng)相連。在用戶電網(wǎng)內(nèi)部，有3個光伏發(fā)電系統(tǒng)，分別通過A點、B點、C點與用戶電網(wǎng)相連，A點為通過10 kV接入用戶電網(wǎng)的并網(wǎng)模式，B點、C點均為通過380 V接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)即低壓余電上網(wǎng)模式。在F點，由光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與公用電網(wǎng)相連即全額上網(wǎng)模式。

圖1　10 kV及以上電壓等級分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)點

并網(wǎng)點A是35 kV降壓站35 kV母線并網(wǎng)間隔、35 kV降壓站10 kV母線并網(wǎng)間隔、用戶10 kV開關(guān)站并網(wǎng)間隔或者10 kV降壓站10 kV母線并網(wǎng)間隔，并網(wǎng)點B是接入35 kV用戶降壓站低壓配電室400 V并網(wǎng)間隔或者10 kV用戶降壓站低壓配電室400 V并網(wǎng)間隔，并網(wǎng)點C是用戶降壓站380 V/220 V配電柜。

3　光伏接入點與容量管理

3.1　分布式光伏接入“高供低計”用戶內(nèi)部并網(wǎng)點

對于“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的并網(wǎng)運行方式，原用戶配電房一般會按照變壓器容量加裝帶有自動投切功能的無功補償裝置（多為電容性設備），自動調(diào)整補償力度。設用戶負荷S=P+jQ，功率因數(shù)角為θ，光伏出力Sg=Pg+jQg，光伏接入用戶側(cè)前后的運行向量圖如圖2所示?，F(xiàn)場逆變器的功率因數(shù)多設置為1，一般認為光伏無功出力為0，定功率因數(shù)1運行，因此可認為光伏接入前后用戶無功負荷保持不變。

光伏接入前后用戶側(cè)的功率因數(shù)分別為：

圖2　分布式光伏接入用戶側(cè)前后的運行向量圖

從圖2可以看出，光伏接入后用戶側(cè)的功率因數(shù)肯定小于光伏接入前。要想達到接入前的功率因數(shù)，無功補償裝置需多投入Q-Q′的無功量。光伏接入量越接近變壓器容量，無功缺額越大，原本按用戶負荷性質(zhì)配置的電容柜可能無法滿足這么大缺額的無功需求，需進行無功裝置的改造。否則，從力率調(diào)整電費（以下簡稱力調(diào)電費）的角度來評估，光伏接入前后的差異將很可觀。

考慮原用戶無功補償裝置的無功補償采樣點在低壓進線總柜斷路器下樁頭母排出線側(cè)，采用10 kV接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)的分布式光伏不影響無功補償裝置采樣點數(shù)據(jù)信息，這里主要針對分布式光伏接入“高供低計”用戶內(nèi)部并網(wǎng)點進行分析。

如圖3所示，方案a中光伏出力經(jīng)逆變后由并網(wǎng)柜低壓電纜引出接入用戶變壓器低壓進線總柜斷路器下樁頭，方案b為原用戶配電房低壓柜母排延伸，光伏并網(wǎng)柜母排和延伸母排拼接并網(wǎng)。

圖3　方案a和b的光伏并網(wǎng)接入對比

以方案a并網(wǎng)時，經(jīng)低壓總柜采樣互感器獲取的采樣電流沒有變化，無功補償裝置仍按照實

光伏接入之后的無功補償采樣信號：際負荷情況正常投退，但可能出現(xiàn)無功補償容量配置不足的問題。

以方案b方式并網(wǎng)時，當光伏的有功出力接近有功負載時，P－Pg接近于0，無功補償采樣點的電流大幅下降，基波電流減少，諧波電流比例上升，超過了諧波電流設定限值，此時無功補償控制器出現(xiàn)報警而電容柜退出運行，功率因數(shù)會下降。極限情況下光伏有功出力等于無功出力，功率因數(shù)為0，無功補償無法發(fā)揮作用。當P－Pg<0，即光伏有功出力大于有功負載，電能表運行在第二象限，此時整個用戶系統(tǒng)是在發(fā)出有功、吸收無功的狀態(tài)。按照《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》規(guī)定，第二象限無功并不參與力調(diào)電費的考核。

3.2　分布式光伏接入“高供高計”用戶內(nèi)部并網(wǎng)點

為防止繼電保護出現(xiàn)保護盲區(qū)，工作中不允許將大容量分布式光伏人為拆分為多個400 kV及以下電壓等級的單點容量后在0.4 kV并網(wǎng)，而“高供高計”計量方式下的用戶變壓器容量通常較大，故通常采用低壓接入用戶內(nèi)部方式的光伏并網(wǎng)容量較用戶變壓器容量小很多，且不計變壓器損耗，不論采用哪種并網(wǎng)方案均不會引起功率因數(shù)發(fā)生明顯變化；而以與高壓母排拼接方式并網(wǎng)時，經(jīng)無功補償裝置采樣互感器的采樣電流不變，無功補償裝置正常動作，對用戶側(cè)功率因數(shù)無較大影響。

3.3　接入容量管理

目前分布式光伏接入容量管理的總體原則為：400 V接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)應不超過用戶變壓器容量和線路的載流量，可以考慮光伏80%的出力；高壓接入應不影響電流互感器的計量準確性，不由于光伏的接入而更換用戶的用電計量互感器。但實際操作中發(fā)現(xiàn)此原則對于部分特定情況不適用，容易出現(xiàn)無功補償失配問題。

以特征用戶為例進行說明。特征用戶是指用戶變壓器容量滿足以下特征條件：

（1）計量方式為“高供低計”，計變壓器損耗。

（2）根據(jù)浙價資[2017]107號文件計收兩部制電費的大工業(yè)用戶。

（3）生產(chǎn)時段與光伏出力時段相近。

（4）光伏接入容量接近用戶變壓器容量或者光伏出力接近用戶負荷情況。

對應的功率因數(shù)：

式中：Pb，Qb分別為變壓器的有功、無功損耗；Qc為電容柜無功出力。

這種情況下P-Pg≈0，考慮電容柜運行良好，認為負載無功Q實現(xiàn)完全補償，可以忽略不計。變壓器基本相當于空載運行，無功空載損耗通常是有功損耗的10倍，此時對應的功率因數(shù)為0.1。

目前電費由目錄電度電費、基本電費、力調(diào)電費和代征電費組成，力調(diào)電費=（目錄電度電費+基本電費）×力調(diào)系數(shù)，則該類特征用戶將產(chǎn)生巨額的力調(diào)電費。在前期項目可行性調(diào)研和設計時，應根據(jù)客戶終端所需的容量和生產(chǎn)情況，綜合考慮各種衡量指標，確定所要采用的發(fā)電方式，避免巨額力調(diào)電費的產(chǎn)生。

4　分布式光伏并網(wǎng)算例分析

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，基于用電信息采集系統(tǒng)甄選典型用戶進行分析。用戶A，B，C，D均于2017年6月前后并網(wǎng)發(fā)電，相關(guān)并網(wǎng)參數(shù)如表1所示。用戶A，B，D均為380 V并入用戶內(nèi)部電網(wǎng)，其中用戶A變壓器最大利用小時數(shù)低，用戶B是三班制24 h不間斷生產(chǎn)。用戶C為并網(wǎng)柜母排延伸與用戶高壓柜母排拼接并網(wǎng)。用戶A，B為“高供低計”的計量方式，需計量變壓器損耗；用戶C，D為“高供高計”的計量方式，不計量變壓器損耗。

表1　典型用戶并網(wǎng)參數(shù)

分布式光伏并網(wǎng)前后的相關(guān)數(shù)據(jù)分析情況如表2所示。抄表周期T為光伏并網(wǎng)后的第一個抄表周期，T－1為未接入光伏前的最后一個抄表周期。 Q1，Q2，Q3，Q4分別為用戶電能表第一，二，三，四象限無功，ΔQ為變壓器無功損耗。

從表2可知，在光伏接入前，用戶A，B，C一直運行在第一象限，第二象限無功為0，在第T個抄表周期即光伏并網(wǎng)后，用戶通過第二象限消耗了大量無功?！案吖└哂嫛庇脩艨己说谝?、四象限無功，“高供低計”用戶考核第一象限無功，無功Q2不參與功率因數(shù)考核。光伏并網(wǎng)后從電網(wǎng)側(cè)消耗的無功遠大于抄表周期T－1用戶從電網(wǎng)側(cè)吸收的無功，這是由于在光伏瞬時發(fā)電功率大于用戶瞬時有功功率時，電能表運行在第二象限，此時電容柜并不能提供無功補償。

表2　分布式光伏并網(wǎng)前后的運行情況

以用戶B為例，當將第二象限無功計入功率因數(shù)計算中，用戶實際消耗的無功為10 841.2 kvar，實際功率因數(shù)為0.87，低于考核標準（0.9），根據(jù)國家物價局《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》[水電財字第215號文件]，當前的功率因數(shù)考核辦法未考慮分布式光伏接入運行在第二象限的情況。

對比用戶A和用戶B，用戶A的月利用小時數(shù)低，用戶B為24 h連續(xù)不間斷生產(chǎn)，光伏接入對用戶的月用電量影響較小，對功率因數(shù)的影響也幾乎可以忽略。

對比計量方式為“高供高計”的用戶C和D，用戶C為高壓并排拼接并網(wǎng)，用戶D為380 V與用戶低壓母排拼接并網(wǎng)，并網(wǎng)前后功率因數(shù)變化不大。

5　結(jié)論

以上開展了分布式光伏不同并網(wǎng)模式下的功率因數(shù)分析，指出了《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》中相關(guān)規(guī)定的不足并提出了優(yōu)化建議，具體如下：

（1）對于接入“高供低計”用戶內(nèi)部電網(wǎng)的并網(wǎng)方式，考慮低壓無功補償采樣點在低壓進線總柜斷路器下樁頭母排出線側(cè)，所以一般400 V接入用戶內(nèi)部的，應考慮接入無功采樣的前側(cè)。

（2）考慮分布式光伏接入電網(wǎng)存在向網(wǎng)側(cè)反送電的可能，應將第二象限無功功率納入功率因數(shù)考慮，這樣才符合實際情況。

（3）在項目可行性調(diào)研階段應針對光伏接入對功率因數(shù)的影響進行分析測算，針對變壓器有效利用小時數(shù)很低的用戶，建議嚴格按照測算結(jié)果確定光伏安裝容量。

（4）對于“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)，不應單一地以變壓器容量作為分布式光伏接入容量的判斷標準，應以用戶負載率為衡量標準，當接入容量遠超出變壓器負載率時，應考慮變更接入方式，選擇“全額上網(wǎng)”方式運行。