含光伏發電的配電網無功補償策略研究

中車株洲時代電氣股份有限公司 郭積晶 劉玉柱

隨著工業廠區出現的高溫限電問題日益突出，廠區光伏發電的優勢逐漸顯現。此外，分布式電源（DG）在節能調度規則下享受優先調度權利[1]。合理的光伏發電接入配網的位置和無功容量配置不僅能保證電壓質量，還能有效降低有功損耗和提高電網的穩定性特別是電壓的穩定性[2]。

1 不同方案潮流分析

配電網潮流計算是對配電網進行分析的基礎，本文采用穩態分析方法[3]推導了兩種4節點系統方案的潮流分布。兩種方案的區別為光伏電源和補償裝置的接入點位置不同。光伏發電采用就地消納的方式供附近的工業負載使用；由于工業負載功率因數較低且變化范圍大，故配置一套SVG 裝置。假設各段線路阻抗相同，節點2的注入潮流功率因數cosφ2為電力部門考核指標。

1.1 方案一

如圖1所示，節點2為SVG 裝置補償裝置接入點，節點3為光伏電源接入點，方案中無功補償點位于大電網近端。

圖1 方案一配電網系統拓撲

實際上的負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）：節點上3的電壓為式（3）：線路3-4上的功率損失為式（4）：從而流出節點3的功率為式（5）考慮到光伏的有功出力PPV，由線路2-3流入節點3的功率為式（6）：同理可以求得流出節點2的功率為式（7）于是，流入節點2的功率為式（8）：

1.2 方案二

如圖2所示，節點3為SVG 補償裝置接入點，節點2為光伏電源接入點，方案中無功補償點位于負載近端。潮流推導同樣如同于公式（1）～（5），考慮SVG 裝置的無功出力，由線路2-3流入節點3的功率為式（9）流出節點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流入節點2的功率為式（10）：

圖2 方案二配電網系統拓撲

2 算例分析

以上述等效4節點系統的兩個方案為例，廠區負載為額定2MVA 的工業感性負載，功率因數長期變化于0.5～1，接入系統的光伏逆變器容量1MW，系統已有SVG 裝置容量1MVar。為了簡化計算，假設系統拓撲中各段線路等長。

2.1 僅SVG 裝置參與補償的效果分析

此處光伏電源以純有功模式滿功率發電運行，系統SVG 裝置設定補償目標為其接入母線的功率因數達0.95。隨著負載功率因數cosφ的變化，SVG裝置補償量QC、的功率因數cosφ3和的功率因數cosφ2分別呈現不同的水平。

圖3表明：當負載功率因數低于0.75時，兩種方案的SVG 裝置均處于最大出力狀態，考核點功率因數基本一致；當負載功率因數處于0.75～0.83區間時，方案一的SVG 裝置持續保持全額出力，而方案二的SVG 裝置出力卻存在下降趨勢，故方案一在區間內考核點功率因數cosφ2明顯高于方案二；當負載功率因數高于0.83時，方案一在區間內考核點功率因數cosφ2處于0.95以上，而方案二幾乎都不達標。

圖3 功率因數及無功補償量變化趨勢

產生上述結果的原因包括：一是SVG 裝置的補償目標是基于該補償裝置的接入母線功率因數；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，從補償效果來看方案一優于方案二。

2.2 SVG 裝置和光伏逆變器均參與補償的效果分析

根據國標GB/T19964-2012的要求，光伏發電站安裝的并網逆變器應滿足額定有功出力下功率因數在超前0.95～滯后0.95的范圍內動態可調[4-6]，目前行業中各廠家的并網逆變器基本都具備額定有功出力下功率因數在超前0.9～滯后0.9動態無功功率調節能力。

本文的分析計算結果表明，在負載功率因數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償量。為了進一步提升無功補償效果，可充分利用光伏逆變器的無功支撐能力，設定光伏逆變器無功補償目標保證逆變器接入點的功率因數為0.95以上。

隨著負載功率因數cosφ的變化，當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cosφ高于0.75時，SVG裝置和光伏逆變器協調出力，綜合補償后均可保證考核點功率因數cosφ2保持在0.95以上?？己它c功率因數cosφ2、的功率因數cosφ3、SVG 裝置補償量QC和光伏逆變器補償量QPV隨負載功率因數變化而變化，如圖4所示。

圖4 兩個方案的功率因數及補償量對比

圖4表明，光伏并網逆變器參與無功調節后，兩種方案中SVG 裝置和光伏逆變器無功補償總量基本一致，兩種方案考核點功率因數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別。方案一優先發揮光伏逆變器的無功補償能力，其次發揮SVG 裝置的能力，與國標GB/T29321-2012中5.1.2條款是一致的；方案二優先發揮SVG裝置的無功補償能力，其次發揮光伏逆變器的動態無功調節能力。因此，從補償效果來看，兩種方案無明顯差異；從投資規劃的成本來看方案一優于方案二。

2.3 經濟型補償方案

為了節省昂貴的SVG 裝置，將固定電容與光伏逆變器結合，形成兼顧成本和動態性能的綜合補償方案。這種綜合補償方式主要適用于方案二，即在節點3用固定電容設備代替SVG 裝置進行無功初次補償，節點2的光伏逆變器發電的同時，對考核點處的潮流進行二次動態補償。根據本系統負載特性，配置固定電容1.2MVar，補償效果如圖5所示。

圖5 固定電容和光伏逆變器綜合補償效果

負載功率因數低于0.7時，系統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；負載功率因數處于0.7～0.92時，光伏逆變器發出的感性無功功率逐步降低至0；負載功率因數高于0.92時，由于固定電容提供的感性無功功率過大，逆變器發出容性無功以保證考核點功率因數達標。

顯然，采用固定電容與光伏逆變器的綜合補償方式可滿足大部分負載情況的無功需求，使考核點功率因數大部分保持在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

選取位于湖南地區地點A 和地點B 的兩個光伏電站為研究對象，這兩個項目的光伏電站均接入工業廠區配電網，他們均包含典型的低功率因數工業負載，系統均配備靜止無功補償裝置SVC。通過對比二者的系統拓撲，兩系統中的靜止無功補償設備接入位置不同，A 項目和B 項目系統拓撲分別等效于本文所述方案一和方案二。在實際運行中B 項目業主因考核點功率因數過低而面臨罰款，A 項目的實測卻無此類問題。排查設備的設置并無異常，光伏逆變器均以純有功模式運行，無功補償裝置補償目標均為功率因數0.95。

為了提高B 項目的考核點功率因數，提出三種改造方案。表1列出了三種方案的優缺點，考慮到項目已有的無功補償裝置容量較大，用戶允許中斷供電，為了徹底解決功率因數問題，最終采取方案c。經過幾個月的運行考核，項目B 的考核點平均功率因數均達標，滿足電力公司要求。

表1 B 項目的三種改造方案

3 結語

光伏發電的接入需要重視接入方案的選擇和對用戶無功補償方案的影響。在無功補償接入方案選擇上，無功補償源優先接入電網近端。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載近端以減小無功補償專用設備的無功出力需求，既提高了發電設備利用率也降低了系統成本。在無功補償設備選擇上，可根據用戶的負載特性配置適當的固定電容裝置，利用固定電容的低成本容量優勢，結合光伏電源的動態跟蹤優勢，共同實現負載無功功率的綜合實時補償，形成性價比最優的系統綜合補償方案。