光伏電站并網后功率因數變化分析及解決措施

宗軍智

摘要：研究企業內供配電系統無功補償現狀，分析光伏電站并網后對功率因數的影響，提出4種解決方式，解決光伏發電并網對原有供配電系統功率因數的影響，并給出經濟型對比表。

關鍵詞：光伏發電、并網、功率因數

配電系統無功補償現狀

目前我國對用戶尚未要求按照經濟原則進行無功補償，即在最大負荷方式時，要求用戶基本不受系統供給的無功（功率因數達到0.98～1）;在非最大負荷方式時，用戶應及時調節無功補償容量，不向系統送無功。

對用戶的補償容量在《全國供電規則》中規定，用戶在當地供電局規定的電網高峰時的功率因數應在0.9以上。用戶側無功補償主要采用并聯電容器的補償方式，有以下幾種方式：

方式一：大多數國內用戶在設計之初已經充分考慮用戶的無功補償問題，補償后功率因數均不小于0.9。補償原理如下圖1.1所示。

從上圖1.1看出，無功補償裝置主要通過采集進線側電流互感器電流，母線電壓，計算出功率因數，然后控制器K根據設定的功率因數，計算出需要補償的容量，投切并聯的電容器組，以滿足功率因數的要求。

方式二：對無功電量需求較少的用戶，未考慮設置補償裝置，利用電網的無功電量進行補充。

方式三：特殊情況 ，如無功補償電流采樣點不在進線側互感器、針對于特殊設備設就地補償等。

光伏電站接入后對無功補償的影響

自發自用模式下：

用戶側無功補償采用方式一的情況下，未增設光伏電站時，企業所需電量均由電網提供，所需有功功率為P，無功功率為Q。由于設有低壓側自動無功補償裝置，經現場了解，功率因數可設為1，故僅需從電網獲取有功功率P，無功功率由低壓側無功補償裝置提供。無功功率監測點為變壓器低壓側進線開關處電流互感器。

增設光伏電站后，企業所需電量由電網和光伏發電共同提供。電網提供有功功率為P1，電網提供的無功功率為Q1。隨著光伏發電功率的提升，電網提供的有功功率P1減少，但無功補償裝置投入的判定條件仍為COSφ=1。根據下式1.1得出，電網提供的無功功率Q1仍等于0。不會造成原有系統功率因數的降低。

用戶側無功補償采用方式二的情況下，未增設光伏電站時，企業所需電量均由電網提供，所需有功功率為P，無功功率為Q。低壓側未設無功補償裝置，可從電網獲取的最大無功功率為Q=P*tanφ，考慮電網要求最低功率因數最低為COSφ=0.9，故從電網取得的無功功率最多為Q=P*tanφ=0.48*P。

增設光伏電站后，企業所需電量由電網和光伏發電共同提供。電網提供有功功率為P1，隨著光伏發電功率的提升，電網提供的有功功率P1減少，用戶負荷未發生變化，電網提供的無功功率仍為Q。根據下式1.1得出，

經計算，COSφ是關于P1的單調遞增函數，及隨著P1減少，功率因數COSφ是逐漸減小的。光伏接入后，用戶從電網獲取的有功功率P1小于光伏接入前有功功率P，因此造成原有系統功率因數降低。

方式三情況較少，需根據具體情況具體分析。

余電上網模式下：

用戶側無功補償采用方式一的情況下，增設光伏電站后，企業所需電量由光伏發電全部提供，多余電量送往電網，余電上網有功功率為P2。一般規定，有功功率或無功功率由母線流向線路或設備側為正，電流由母線流向線路或設備側為正。

從下圖2.1看出，當無余電上網時，原有無功補償控制器采集到的信息如下圖所示，有功功率P和無功功率Q均為負值，表示電能由電網流向低壓母線。無功電量需求為Q，電流方向處于第三象限，電流滯后于電壓相位154°（功率因數為0.9）。符合電網要求。當存在余電上網時，電流方向與正常運行時方向相反，電流的大小根據運行情況各有不同。無功電量需求仍未Q，隨著上網電量的變化，電流電壓的相位角在第二象限不斷變化，如無外部補償的情況下，功率因數難以滿足大于0.9的要求。

用戶側采用方式二的情況下，功率因數如圖2.2所示，無法滿足電網要求。

方式三需根據具體情況分析。

光伏電站接入后對欠補償的解決方案

用戶側補償為方式一的情況下，自發自用不存在功率因數問題，余電上網模式時，有功功率P方向發生變化，原有系統無功補償控制器判定依據發生變化，判定為用戶側向電網輸送無功功率，因此切除原有用戶側的無功補償裝置，造成用戶側功率因數不達標。解決方法有以下兩種：

并網點選擇在進線柜，在進線柜至主母線之間增加電流互感器，原無功補償的電流采樣點更改為此互感器，如下圖3.1所示。

調整用戶原有控制器的的控制邏輯，在發生余電上網的工況下，無功補償系統不切除，仍按照恒功率因數的模式下進行補償。

整合廠家資源，聯合無功設備廠家，將現有控制器改造為適用于光伏并網系統應用的控制器。將只采集原有系統進線側電流互感器改造為采集進線側電流互感器及光伏進線側電流互感器，并將兩處電流求矢量和，根據電流的矢量和進行無功補償。

用戶側補償為方式二的情況下，可選擇將逆變器設置為恒功率因數0.9（滯后）的模式下運行或增加無功補償裝置。無功補償裝置的安裝容量根據功率因數為0.9反推，計算簡單，暫不做論述。

用戶側補償為方式三的情況下，需根據具體情況具體分析。

另外，由于各個用戶無功補償分組容量有差別，存在不投入1組無法滿足功率因數要求，投入之后存在過補償的問題。此類問題需要收集用戶側無功補償系統的詳細配置進行分析。根據分析結果對原有無功補償裝置進行改造。