高壓并網(wǎng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)SVG容量設(shè)計(jì)研究

摘要： 高壓并網(wǎng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并入用戶原有系統(tǒng)后，減小了電網(wǎng)下行有功電度，從而降低了系統(tǒng)計(jì)量點(diǎn)的功率因數(shù)，需設(shè)置SVG補(bǔ)償裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。根據(jù)補(bǔ)償目標(biāo)不同提出實(shí)時(shí)滿足功率因數(shù)要求、及滿足電業(yè)功率因數(shù)月度考核要求的兩種SVG容量計(jì)算方法。其中，基于滿足電業(yè)功率因數(shù)月度考核要求的SVG容量計(jì)算方法，利用正弦函數(shù)模擬光伏系統(tǒng)輸出功率曲線，SVG采用能補(bǔ)盡補(bǔ)策略，減小電網(wǎng)下行無(wú)功電度，使得電網(wǎng)下行月度有功及無(wú)功電度比值滿足電業(yè)考核要求。經(jīng)過(guò)工程實(shí)例計(jì)算及驗(yàn)證，該方法可滿足電網(wǎng)對(duì)用戶的月度功率因數(shù)考核要求。關(guān)鍵詞： SVG補(bǔ)償; 光伏系統(tǒng); 高壓并網(wǎng); 分布式

中圖分類號(hào)： TU852文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1674-8417（2024）07-0001-05

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.07.001

0引言

功率因數(shù)補(bǔ)償是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)［1-3］必要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，也是面臨的最主要的問(wèn)題之一［4-6］。容量較大的光伏系統(tǒng)通常采用高壓并網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)并入用戶高壓母線后，原有系統(tǒng)從電網(wǎng)下行輸入的有功、無(wú)功比例關(guān)系發(fā)生變化，導(dǎo)致功率因數(shù)變化，常常引起電業(yè)功率因數(shù)考核不達(dá)標(biāo)。

對(duì)于光伏高壓接入的系統(tǒng)而言，低壓側(cè)無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)法對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，仍只需按負(fù)荷大小進(jìn)行補(bǔ)償，而電業(yè)最終的功率因數(shù)考核點(diǎn)為高壓接入點(diǎn)處，因此通常在高壓側(cè)增加補(bǔ)償裝置。

目前，分布式光伏系統(tǒng)普遍采用由專業(yè)光伏企業(yè)投資并運(yùn)營(yíng)的模式，要求光伏并網(wǎng)后不僅能滿足電業(yè)功率因數(shù)考核要求，同時(shí)功率因數(shù)不得低于原有功率因數(shù)。系統(tǒng)原功率因數(shù)通常可滿足電業(yè)功率因數(shù)要求，因此等同于光伏并網(wǎng)后不得低于系統(tǒng)原有功率因數(shù)。

1光伏系統(tǒng)導(dǎo)致功率因數(shù)下降的原因電業(yè)功率因數(shù)考核是依據(jù)電網(wǎng)下行的月有功及無(wú)功電度進(jìn)行的。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)示意圖如圖1所示。并入光伏系統(tǒng)前，用戶每月所需有功電度均從電業(yè)獲得，記為WF。每月從電網(wǎng)獲得的無(wú)功電度為用戶所需無(wú)功電度減去系統(tǒng)配置的無(wú)功補(bǔ)償裝置所發(fā)出的無(wú)功電度，記為QF。

可見(jiàn)光伏并網(wǎng)后，從電網(wǎng)下行的有功電度一定下降，在電網(wǎng)下行無(wú)功電度不變的情況下，功率因數(shù)一定會(huì)下降，因此并入光伏系統(tǒng)后應(yīng)按需增設(shè)補(bǔ)償裝置。對(duì)于高壓并入的光伏系統(tǒng)補(bǔ)償裝置設(shè)在高壓側(cè)，根據(jù)高壓計(jì)量點(diǎn)的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。高壓SVG補(bǔ)償示意圖如圖2所示。由于光伏發(fā)電逐日、逐時(shí)地不斷變化，通常采用連續(xù)可調(diào)輸出無(wú)功的SVG作為補(bǔ)償裝置［7-8］。

2基于實(shí)時(shí)滿足功率因數(shù)要求的SVG容量計(jì)算方法設(shè)光伏并網(wǎng)前用戶從電網(wǎng)下行的有功實(shí)時(shí)功率為PF，功率因數(shù)為cosθ，則用戶從電網(wǎng)下行的無(wú)功實(shí)時(shí)功率為PFtanθ，光伏系統(tǒng)的實(shí)時(shí)發(fā)電功率為PG，SVG的補(bǔ)償容量為S。SVG容量計(jì)算分以下兩種情況。

（1） 用戶負(fù)荷大于光伏發(fā)電功率。光伏系統(tǒng)發(fā)電全部由系統(tǒng)自用消納，由于部分負(fù)荷有功由光伏系統(tǒng)供給，用戶從電網(wǎng)下行的有功功率下降，為了使得光伏并網(wǎng)后功率因數(shù)不變，必須由SVG提供額外無(wú)功量，使得補(bǔ)償后從電網(wǎng)下行無(wú)功、有功比值不大于光伏并網(wǎng)前從電網(wǎng)下行無(wú)功、有功比值，如下式所示：

也就是根據(jù)用戶負(fù)荷PF與光伏系統(tǒng)發(fā)電功率PG的較小值，按現(xiàn)有功率因數(shù)計(jì)算而得。雖然按用戶負(fù)荷PF與光伏系統(tǒng)發(fā)電功率PG的較小值進(jìn)行計(jì)算，但當(dāng)用戶負(fù)荷PF與光伏系統(tǒng)發(fā)電功率PG規(guī)模均較大時(shí)，SVG的容量仍較大，該方法的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)時(shí)滿足功率因數(shù)要求。

3基于滿足電業(yè)功率因數(shù)月度考核要求的SVG容量計(jì)算方法目前電業(yè)對(duì)用戶功率因數(shù)的考核是基于月度電網(wǎng)下行有功電度與無(wú)功電度，如式（1）所示。因此在滿足月度功率因數(shù)考核要求的情況下，可接受部分時(shí)段功率因數(shù)略低，以此降低SVG容量。

本文通過(guò)模擬出典型日用戶負(fù)荷及光伏系統(tǒng)發(fā)電曲線，計(jì)算出滿足典型日功率因數(shù)的SVG容量，以滿足月度功率因數(shù)考核要求。

3.1負(fù)荷和光伏發(fā)電曲線模擬

負(fù)荷曲線采用歷史典型日數(shù)據(jù)，可根據(jù)負(fù)荷變化情況分為若干時(shí)段，采用時(shí)段內(nèi)的平均功率代表時(shí)段內(nèi)的負(fù)荷大小。用戶日負(fù)荷功率曲線如圖3所示。全天負(fù)荷曲線可表達(dá)成式（8）：

光伏日發(fā)電曲線與全周期的正弦函數(shù)非常相似，因此可采用全周期的正弦函數(shù)進(jìn)行模擬，通常光伏系統(tǒng)在6∶30到17∶30期間的11個(gè)小時(shí)進(jìn)行發(fā)電，因此光伏發(fā)電正弦函數(shù)模型如下：

根據(jù)光伏日發(fā)電曲線和負(fù)荷日功率曲線可求得每天光伏系統(tǒng)發(fā)電量中被負(fù)荷消納的電量WN，即光伏系統(tǒng)全天總發(fā)電量WG與上網(wǎng)電量WS的差值，如式（12）所示。當(dāng)光伏發(fā)電量小于負(fù)荷時(shí)，發(fā)電量被全部消納，當(dāng)光伏發(fā)電量大于負(fù)荷時(shí)，大于部分向電網(wǎng)回饋。用戶日負(fù)荷功率曲線及光伏日發(fā)電曲線如圖5所示。

即當(dāng)負(fù)荷無(wú)功小于S時(shí)，SVG發(fā)出無(wú)功將系統(tǒng)負(fù)荷無(wú)功全部補(bǔ)償;當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功大于S時(shí)，SVG無(wú)法補(bǔ)償全部無(wú)功，僅輸出最大容量S能補(bǔ)盡補(bǔ)。通過(guò)SVG容量為S與負(fù)荷無(wú)功曲線PF（x）tan（cos-1θ）比較，負(fù)荷無(wú)功及SVG容量輸出曲線如圖6所示。在h1至h2及h3至h4時(shí)段SVG輸出最大容量S，但不能滿足所有無(wú)功補(bǔ)償需求，在其他時(shí)間段根據(jù)負(fù)荷大小輸出補(bǔ)償容量將所有無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。

本工程光伏裝機(jī)容量為5 800 kWp，7月份光伏發(fā)電量最大，對(duì)SVG補(bǔ)償要求最高，因此選擇7月份典型日歷史數(shù)據(jù)，太陽(yáng)在正午最高輻照度為900 W/m2，取系統(tǒng)效率為0.85，因此光伏發(fā)電的峰值功率約為4 437 kWp。以下采用本文兩種方法分別計(jì)算SVG容量。

（1） 基于實(shí)時(shí)滿足功率因數(shù)要求的SVG容量計(jì)算方法。

相對(duì)光伏發(fā)電峰值用戶負(fù)荷較小，根據(jù)現(xiàn)有0.92功率因數(shù)通過(guò)式（7）計(jì)算，SVG最小容量為1 278 kvar，可保證任意時(shí)刻，系統(tǒng)功率因數(shù)不低于0.92。

（2） 基于滿足電業(yè)功率因數(shù)月度考核的SVG容量計(jì)算方法。

通過(guò)式（13）及式（14）得到光伏單日發(fā)電量WG為24 403.5 kWh、上網(wǎng)電量WS為5 456.8 kWh;通過(guò)式（12）求得被消納的電量WN為18 946.2 kWh。SVG容量從0開(kāi)始逐步上升，通過(guò)式（15）確定SVG補(bǔ)償容量，根據(jù)式（16）計(jì)算全天補(bǔ)償無(wú)功電度值，根據(jù)式（17）計(jì)算補(bǔ)償后功率因數(shù)，并進(jìn)行驗(yàn)證。隨著SVG容量的上升，SVG補(bǔ)償后功率因數(shù)的變化圖如圖8所示。

從圖8可得，當(dāng)SVG補(bǔ)償容量為600 kvar時(shí)，補(bǔ)償后功率因數(shù)大于0.92，考慮一定裕量后最終SVG容量為800 kvar。

全日SVG補(bǔ)償曲線如圖9所示。圖中，8點(diǎn)到17點(diǎn)中SVG投入所有容量，但不能補(bǔ)償所有負(fù)荷無(wú)功，其余時(shí)段SVG根據(jù)負(fù)荷無(wú)功情況，將所有負(fù)荷無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)SVG為800 kvar時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算SVG單日投入總無(wú)功電度約為9 857 kvarh。光伏并網(wǎng)后系統(tǒng)從電網(wǎng)下行的日有功電度約為13 304 kWh，SVG補(bǔ)償后系統(tǒng)從電網(wǎng)下行的日無(wú)功電度約為3 880 kvarh，當(dāng)日功率因數(shù)約為0.96，滿足功率因數(shù)要求。

可以看出通過(guò)基于滿足電業(yè)功率因數(shù)月度考核要求計(jì)算方法得出的SVG容量顯著小于基于實(shí)時(shí)滿足功率因數(shù)要求計(jì)算方法得出的SVG容量。基于滿足電業(yè)功率因數(shù)月度考核要求計(jì)算方法計(jì)算得出的SVG容量不足以補(bǔ)償任意時(shí)刻的無(wú)功，但能滿足當(dāng)前電業(yè)對(duì)功率因數(shù)的考核要求。

5結(jié)語(yǔ)

本文提出兩種用于高壓并網(wǎng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的SVG容量計(jì)算方法，分別實(shí)時(shí)滿足功率因數(shù)要求，及滿足電業(yè)功率因數(shù)月度考核要求。

基于滿足電業(yè)功率因數(shù)月度考核要求的SVG容量計(jì)算方法所得到的SVG容量較小，無(wú)法滿足任意時(shí)刻的功率因數(shù)補(bǔ)償要求，但可滿足目前電業(yè)月度功率因數(shù)考核要求。通過(guò)該計(jì)算方法在滿足功率因數(shù)考核要求下，可降低SVG的裝機(jī)容量及投資。

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收稿日期： 2024－02－26

Research on SVG Capacity for HV Distributed Photovoltaics System

ZHANG Hao

（Shanghai Municipal Engineering Design General Institute， Shanghai 200092， China）

Abstract： After HV distributed photovoltaics system is integrated into the user’s system，the active consumption" from power grid is reduced，thus reducing the power factor of the system.Therefore，SVG compensation devices need to be installed for reactive power compensation.Based on different compensation objectives，this paper proposes two sets of SVG capacity calculation methods，one based on meeting real-time power factor requirements and the other based on meeting monthly power factor assessments of power administration.Among them，the SVG capacity calculation method based on meeting the monthly power factor assessment uses sine functions to simulate the time curve of the photovoltaic system’s output power，and adopts the strategy of compensating as much as possible with SVG，so that reactive power consumption from power grid is reduced and the monthly active and reactive power ratio of the grid downstream meets the assessment requirements.After calculation and verification through engineering examples，it can meet the monthly power factor assessment requirements of the power grid for users.

Key words： SVG compensation; PV system; HV grid connection; distributed