分布式光伏并網(wǎng)后對(duì)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(dāng)?shù)靥?yáng)能資源替代和減少化石能源消費(fèi)。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(yùn)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(diǎn)、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(lái)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(guò)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(duì)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(shí)，其并網(wǎng)運(yùn)行后也會(huì)干擾企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)無(wú)功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行，而且光伏電站的發(fā)電功率越接近于企業(yè)用電負(fù)荷，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的影響越大，甚至?xí)馃o(wú)功補(bǔ)償裝置的停運(yùn)，最終造成功率因數(shù)不合格。通過(guò)對(duì)分布式光伏在不同發(fā)電功率時(shí)對(duì)企業(yè)供配電網(wǎng)絡(luò)的影響進(jìn)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(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)，功率因數(shù)過(guò)低會(huì)降低電網(wǎng)的運(yùn)行效率。功率因數(shù)的計(jì)算通過(guò)用戶有功電量和無(wú)功電量的數(shù)值取得，一般而言，無(wú)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(gè)重要手段就是加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，以降低無(wú)功功率。

1.2 力調(diào)電費(fèi)

為提高電能使用效率，原水利電力部、國(guó)家物價(jià)局于1983年出臺(tái)了《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》(水電財(cái)字215號(hào)文件)，辦法規(guī)定容量在100 kVA及以上的電力用戶均須進(jìn)行功率因數(shù)考核，未達(dá)到考核標(biāo)準(zhǔn)將加收功率因數(shù)調(diào)節(jié)費(fèi)(即力調(diào)電費(fèi))，超過(guò)考核標(biāo)準(zhǔn)的按超過(guò)比例進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。用戶功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)為0.85或0.90，若功率因數(shù)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)，不僅會(huì)造成電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，同時(shí)力調(diào)罰款數(shù)量也會(huì)十分巨大。由于用戶負(fù)荷與負(fù)荷性質(zhì)在每天的不同時(shí)段不一定一致，用戶一般會(huì)加裝帶有自動(dòng)投切功能的無(wú)功補(bǔ)償(多為電容性設(shè)備)裝置，自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償力度。

關(guān)于無(wú)功電能四象限測(cè)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(wú)功功率的幾何示意圖

電能表的正、反向與電能的受（送）相關(guān)，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(dāng)系統(tǒng)向用戶輸送有功和無(wú)功時(shí)，電能表工作在第I象限，電能表顯示有功是正值，無(wú)功也是正值；這是用戶的正常用電模式，即有功電能和無(wú)功電能全部來(lái)自電網(wǎng)；

(2)當(dāng)系統(tǒng)向用戶輸送無(wú)功，用戶向系統(tǒng)反送有功時(shí)，電能表工作在第Ⅱ象限，電能表顯示有功是負(fù)值（反向有功），無(wú)功是正值；這時(shí)用戶負(fù)荷無(wú)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(fù)載所需無(wú)功仍然來(lái)自電網(wǎng)；

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

(4)當(dāng)系統(tǒng)向用戶輸送有功，用戶向系統(tǒng)反送無(wú)功時(shí)，電能表工作在第Ⅳ象限，電能表顯示有功是正值，無(wú)功是負(fù)值；這時(shí)用戶從系統(tǒng)取有功，但用戶的電容補(bǔ)償處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，向系統(tǒng)反送無(wú)功。；

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

式中容性無(wú)功Qc和感性無(wú)功QL的方向相反，關(guān)口表在計(jì)算功率因數(shù)時(shí)采用正反向無(wú)功的絕對(duì)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(jì)算的。即當(dāng)用戶分布式光伏向電網(wǎng)倒送有功時(shí)（電能表工作在第II或第III象限），關(guān)口表的功率因數(shù)會(huì)降低。

2 分布式光伏接入前、后對(duì)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(guò)檢測(cè)變壓器低壓總開(kāi)關(guān)的電流來(lái)控制無(wú)功補(bǔ)償裝置投切補(bǔ)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(fù)載=P電網(wǎng)；

用戶側(cè)所需的無(wú)功功率Q負(fù)載=Q電網(wǎng)+q補(bǔ)；

功率因數(shù)

可以看到，無(wú)功補(bǔ)償越接近負(fù)載無(wú)功，即用戶整體負(fù)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(diǎn)B1為用戶0.4kV母排上。此時(shí)負(fù)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(shè)置，光伏供電優(yōu)先于電網(wǎng)供電。負(fù)載的無(wú)功則由電網(wǎng)、補(bǔ)償電容器和光伏提供，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB29321-2012《光伏發(fā)電站無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范》中提出“光伏逆變器功率因數(shù)應(yīng)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(wú)功功率由于光伏逆變器的功率因數(shù)基本設(shè)置在0.98以上，所以基本可以認(rèn)為逆變器輸出的是純有功，負(fù)載無(wú)功基本是由電網(wǎng)和補(bǔ)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(fù)載=P電網(wǎng)+P光；

用戶所需的無(wú)功功率Q負(fù)載=Q電網(wǎng)+q補(bǔ)+q光；

功率因數(shù)

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

0.4 kV母線補(bǔ)償電容的投切更為頻繁；并且在同樣負(fù)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(fù)載用電量時(shí)，電容補(bǔ)償全部退出運(yùn)行；此時(shí)無(wú)功補(bǔ)償控制器顯示為負(fù)值；

關(guān)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(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)后所產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，有必要對(duì)配電系統(tǒng)各類電參數(shù)的變化進(jìn)行深入分析。下文的分析基于用戶負(fù)載一定時(shí)（負(fù)載有功、無(wú)功基本維持不變）的條件，對(duì)不同光伏發(fā)電功率情況下進(jìn)行分析：

2.3.1 分布式光伏發(fā)電功率小于用戶負(fù)載功率時(shí)，P光＜P負(fù)

當(dāng)光伏發(fā)電功率小于負(fù)載功率時(shí)，此時(shí)P電網(wǎng)=P負(fù)載-P光＞0；Q電網(wǎng)=Q負(fù)載-q補(bǔ)。0.4kV母線無(wú)功補(bǔ)償控制器所檢測(cè)到的有功電量減少，而負(fù)載無(wú)功不變情況下，功率因數(shù)與光伏發(fā)電量成反比例關(guān)系。關(guān)口表的功率因數(shù)與無(wú)功補(bǔ)償控制器情況一致，關(guān)口表工作在第I象限。

當(dāng)負(fù)載維持一定時(shí)，由于K2計(jì)量點(diǎn)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(wú)功功率Q電網(wǎng)由于光伏逆變器基本沒(méi)有無(wú)功q光輸出基本不變。造成功率因數(shù)下降。無(wú)功補(bǔ)償控制器發(fā)出指令增加電容補(bǔ)償容量，減少無(wú)功功率Q電網(wǎng)的輸入。

所以，當(dāng)P光＜P負(fù)時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)用戶0.4kV母線無(wú)功補(bǔ)償裝置會(huì)隨著光伏發(fā)電功率的增加而投入更多的補(bǔ)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(lái)自電網(wǎng)的無(wú)功電能基本不變，此時(shí)功率因數(shù)隨著P光的增加而下降，無(wú)功補(bǔ)償裝置會(huì)投運(yùn)更多的補(bǔ)償電容以維持功率因數(shù)在設(shè)定值。造成功率因數(shù)下降的實(shí)質(zhì)是由于K2檢測(cè)點(diǎn)有功功率的減小，而不是無(wú)功的變化。

2.3.2 分布式光伏發(fā)電功率等于用戶負(fù)載功率時(shí)，P光=P負(fù)

當(dāng)光伏發(fā)電功率接近負(fù)載功率時(shí)，此時(shí)P電網(wǎng)=P負(fù)載-P光≈0；Q電網(wǎng)=Q負(fù)載-q補(bǔ)。0.4kV母線無(wú)功補(bǔ)償控制器K2所檢測(cè)到的有功電量處于時(shí)而正向，時(shí)而反向。當(dāng)K2檢測(cè)到反向有功時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償電容器全部退出；當(dāng)K2檢測(cè)到正向有功時(shí)，補(bǔ)償電容會(huì)因?yàn)楣β室驍?shù)很低而全部投運(yùn)。造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。關(guān)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(fù)載功率時(shí)，P光＞P負(fù)

當(dāng)光伏發(fā)電功率大于負(fù)載功率時(shí)，此時(shí)P電網(wǎng)=P負(fù)載-P光＜0；Q電網(wǎng)=Q負(fù)載-q補(bǔ)。0.4kV母線無(wú)功補(bǔ)償控制器K2所檢測(cè)到的有功電量為負(fù)值，無(wú)功補(bǔ)償電容器全部退出（由于無(wú)功補(bǔ)償控制器所檢測(cè)電流是單方向的），q補(bǔ)=0。此時(shí)負(fù)載無(wú)功功率全部來(lái)自于電網(wǎng)Q電網(wǎng)=Q負(fù)載。關(guān)口表的正向有功P電網(wǎng)=0（此時(shí)反向有功＞0），無(wú)功功率由于補(bǔ)償電容的退出，無(wú)功全部來(lái)自電網(wǎng)，因此Q電網(wǎng)將大幅增加，力率下降。關(guān)口表工作在第II象限。此時(shí)的功率因數(shù)已不能真實(shí)反映用戶的實(shí)際無(wú)功情況。

2.4 分析結(jié)論

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

（2）關(guān)口表的功率因數(shù)不能反映用戶的實(shí)際無(wú)功情況。關(guān)口表功率的計(jì)算時(shí)受電計(jì)量點(diǎn)處的有功P取用戶下受的正向有功，而無(wú)功Q取正反向無(wú)功絕對(duì)值之和。只取正向有功電能，無(wú)功電能正反向都計(jì)算。這種計(jì)算方式?jīng)Q定了只要有功反向，關(guān)口表的功率因數(shù)會(huì)因有功功率隨時(shí)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(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于印發(fā)分布式電源并網(wǎng)相關(guān)意見(jiàn)和規(guī)范(修訂版)的通知(國(guó)家電網(wǎng)辦[2013]1781號(hào))》，分布式電源接入配電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)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(shù)要求為：分布式電源功率因數(shù)應(yīng)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(wú)功控制方式設(shè)置為恒功率運(yùn)行，通常情況下功率因數(shù)恒定設(shè)為0.99，逆變器不向電網(wǎng)提供無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)調(diào)整逆變器的功率因數(shù)，向電網(wǎng)輸出一定量的無(wú)功，從而提高電網(wǎng)功率因數(shù)。投入費(fèi)用少，操作簡(jiǎn)單。

方案2：更換無(wú)功補(bǔ)償控制器并加裝SVG裝置

無(wú)功補(bǔ)償控制器的單方向性（二象限無(wú)功檢測(cè)）以及普通電容器組容量跨級(jí)大導(dǎo)致補(bǔ)償精度不夠。更換無(wú)功補(bǔ)償控制器支持四象限無(wú)功檢測(cè)，能夠正確識(shí)別系統(tǒng)的四種運(yùn)行方式，準(zhǔn)確地控制電容器組投切。同時(shí)加裝有源無(wú)功發(fā)生器SVG裝置，由于無(wú)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(tái)階誤差(斷續(xù)補(bǔ)償)，達(dá)到整機(jī)容量快速連續(xù)輸出的目的。可以實(shí)現(xiàn)裝置具有連續(xù)無(wú)級(jí)可調(diào)、快速響應(yīng)、無(wú)涌流等特點(diǎn)。由動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器作為主控制器檢測(cè)系統(tǒng)所需的無(wú)功功率，指令下發(fā)給原無(wú)功補(bǔ)償裝置投切電容器，同時(shí)也下發(fā)給SVG，SVG控制器按接收到的無(wú)功指令控制自身逆變器產(chǎn)生所需的無(wú)功功率，電容補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)大容量的粗調(diào)，SVG實(shí)現(xiàn)小容量的細(xì)調(diào)。

這種方案是目前企業(yè)分布式光伏項(xiàng)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(fù)載用電量時(shí)，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(wèn)題。但由于系統(tǒng)沒(méi)有解決無(wú)功補(bǔ)償器的采樣問(wèn)題，所以無(wú)法正確反映功率因數(shù)。

方案3：改變光伏主接線并網(wǎng)點(diǎn)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(diǎn)B1），這樣造成低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的檢測(cè)點(diǎn)K2無(wú)法檢測(cè)到光伏的發(fā)電量，所以無(wú)功補(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)改到B2點(diǎn)（如圖3所示）。這時(shí)K2檢測(cè)點(diǎn)流過(guò)的電流是市電與光伏的合并電流，P負(fù)=P市+P光，無(wú)功補(bǔ)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)之間。這種改變并網(wǎng)點(diǎn)的接線方式，配合更換無(wú)功補(bǔ)償控制器為雙向無(wú)功補(bǔ)償控制器，能夠直接解決無(wú)功補(bǔ)償器采樣不完整造成的功率因數(shù)降低的問(wèn)題。當(dāng)企業(yè)節(jié)假日休息或停產(chǎn)時(shí)，光伏發(fā)電量遠(yuǎn)大于負(fù)載用電量，長(zhǎng)時(shí)間處于光伏發(fā)電倒送回電網(wǎng)時(shí)，需要密切關(guān)口表的力率。

方案4：改變無(wú)功補(bǔ)償控制器的監(jiān)測(cè)回路接線方式

系統(tǒng)原無(wú)功補(bǔ)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(duì)光伏電量進(jìn)行采樣，就會(huì)造成控制器的誤判。因此在無(wú)功補(bǔ)償控制器中加入光伏的發(fā)電量信息進(jìn)行修正，即在光伏并網(wǎng)處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)K3，增設(shè)一套與無(wú)功補(bǔ)償裝置原監(jiān)測(cè)點(diǎn)K2同型號(hào)、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(wú)功補(bǔ)償控制器回路，使無(wú)功補(bǔ)償裝置能根據(jù)用電負(fù)荷實(shí)際需要的總無(wú)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(biāo)準(zhǔn)的要求。改造后的無(wú)功補(bǔ)償控制器監(jiān)測(cè)回路示意圖如圖3所示（K2、K3取樣點(diǎn)）。

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

4 結(jié)論

圖3 改善無(wú)功補(bǔ)償分布式光伏并網(wǎng)接入方式示意圖

通過(guò)對(duì)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(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，靈活采用一種或多種方案并行的解決方案。通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用，我們建議企業(yè)在實(shí)施分布式光伏后，無(wú)功補(bǔ)償控制器必須更換為具有雙向檢測(cè)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(jiàn)圖3），SVG裝置可以作為電容補(bǔ)償?shù)臄U(kuò)展，以平抑功率因數(shù)的波動(dòng)。

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(diǎn)的情況下正確補(bǔ)償無(wú)功功率的需求，解決了系統(tǒng)處于任何四象限狀態(tài)時(shí)功率因數(shù)低的電能質(zhì)量問(wèn)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(shù)要求。但是無(wú)論何種解決方案，都不能解決關(guān)口表的力率計(jì)費(fèi)問(wèn)題。當(dāng)企業(yè)節(jié)假日休息或停產(chǎn)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間處于光伏發(fā)電倒送回電網(wǎng)時(shí)，需要密切關(guān)注關(guān)口表的力率。這也是目前關(guān)口表功率因數(shù)考核計(jì)算公式所造成的，有待國(guó)家相關(guān)部門出臺(tái)新的考核辦法。