自發自用光伏發電項目功率因數問題淺析

王子健　劉永革　李德育

（天津津能濱海新能源有限公司 天津 300384）

引言

分布式光伏發電作為一種清潔無污染的綠色能源得到了國家政策大力支持，其中采用自發自用、余電上網的電能消納方式，具有初期建設投資相對較少，就近消納電能，線路損失小等優點，成為許多大用電用戶分布式光伏發電項目消納的首選[1]。然而，部分用戶在接入分布式光伏電能之后，其自身的功率因數顯示降低，并由此受到電網企業的考核，此種情況使光伏電能利用的用戶受到了不必要的經濟損失，降低了用戶使用分布式電能的積極性和經濟性，不利用分布式光伏發電的推廣應用。本文結合具體光伏項目案例從功率因數的基本理論，及光伏發電引入后對其影響等方面闡述了此現象的成因，并提出了相應的解決方案。

1　光伏電站投運前后功率因數變化情況及分析

1.1　功率因數考核指標

本文中我們以某自發自用、余電上網光伏項目為例，項目所在地屬天津市電力公司東麗供電分公司的供電范圍。

本項目用戶廠區內現狀有1座35kV用戶變電站，該站現狀主變規模2×20MVA（1#、2#），電壓等級35/10kV，雙電源供電，35kV側為內橋接線，10kV側為1組單母線分段接線。該站兩回電源分別為35kV 1#、2#線，來自上一級220kV變電站，按照屬地供電公司的要求該用戶用電類型屬于大工業用電，其功率因數考核指標為不低于0.9。

1.2　光伏項目投運前后用戶的功率因數變化

光伏項目投運前用戶功率因數情況如下表：

表1　光伏項目投運前用戶功率因數情況表

從上表中來看該公司的功率因數受生產影響較大，3月份處于考核的臨界狀態。部分時間受到過功率因數考核，但大多數時間能夠滿足電力公司功率因數不小于0.9的要求。

我們對光伏發電投入前后用戶的功率因數變化做了對比記錄如下表所示：

表2　光伏發電投入前后功率因數變化表

1.3　功率因數降低原因分析

根據功率因數公式：

式中P、Q為用戶的瞬時有功功率和無功功率，cpsφ為該瞬時的功率因數[2]。

按照電力公司現行的考核計算方式其中P、Q為用戶從公共電網獲取的即時有功功率和無功功率。由于光伏項目所產生的電能全部為有功電能，故在光伏項目投入后，用戶實際的有功功率不變，但消納了光伏發出的有功功率，用戶從電網吸收的有功功率減少，但是吸收的無功功率不變。

因此用戶1#、2#線功率因數較光伏項目投運前有所減小，白天基本處于電力公司功率因數考核范圍。鑒于該項目屬于自發自用余電上網的項目，當向電網供電時，由于有功方向發生變化功率因數統計有可能出現負數更增加了功率因數不合格點的數量[3]。

我們對某一瞬時從電網取電的有功功率P1、無功功率Q、光伏發電有功功率P2進行了數據采集，并按照不計光伏發電有功（P=P1）的功率因數cosφ1和計及光伏發電有功（P=P1+P2）的功率因數cosφ2進行了計算，結果如下表所示：

表4　光伏發電對功率因數影響

從表4中可以看出若不計光伏發電的有功用戶功率因數小于0.9不合格，若計及光伏發電的有功則功率因數合格。

2　解決方案

此類問題在其他光伏電站也有發生。針對這種情況光伏發電項目的用戶可以從以下幾種解決方案入手，解決功率因數考核問題。目前解決功率因數降低問題的幾種建議整改方案：

2.1　利用現有無功補償設備提高功率因數

大功率用電的工廠企業用戶，按照電力公司的要求，基本均配有就地的無功補償設備，通過無功補償設備的投入，調節企業的即時無功消耗，保證功率因數處于較高水平，但是大量投入無功補償設備會使得用戶側的母線電壓升高，不利用用電安全，例如該項目用戶目前使用的35KV/10KV變壓器是無載調節型，10KV有非自動調節型無功補償設備，由于目前區域電網電壓較高，為了保證用電安全用戶的無功補償設備并未投入，在此問題出現用戶對35KV/10KV變壓器分接頭進行調節，并投入了部分10KV無功補償設備，功率因數有所提高，但該設備并非自動調節設備。從目前用戶實際的無功需求情況來看，如加強對賽瑞公司無功情況的監控，并適時調整10KV側的無功補償投入容量，可以減少功率因數降低的情況，避免功率因數受到考核。

此種方案無需增加設備投入，但需要變電站值班人員加強對無功情況的實時監視，及時對無功補償進行操作（從目前的情況看主要在白天），會增加值班人員的工作量。

2.2　采用SVG設備提高功率因數

SVG是典型的電力電子設備，由三個基本功能模塊構成：檢測模塊、控制運算模塊及補償輸出模塊。其工作原理為由外部CT檢測系統的電流信息，然后經由控制芯片分析出當前的電流信息、如PF、S、Q等；然后由控制器給出補償的驅動信號，最后由電力電子逆變電路組成的逆變回路發出補償電流。

SVG靜止無功發生器采用可關斷電力電子器件（IGBT）組成自換相橋式電路，經過電抗器并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流。迅速吸收或者發出所需的無功功率，實現快速動態調節無功的目的。作為有源形補償裝置，不僅可以跟蹤沖擊型負載的沖擊電流，而且可以對諧波電流也進行跟蹤補償。

采用SVG設備改善功率因數是目前比較先進的方案，此種方案已有成功應用的案例方便考察，無需人員頻繁操作。通過原有設備進行技術改造加裝SVG達到滿足功率因數的目的。

此方案可以有效解決用戶無功補償設備不能自動投切的問題，在不增加人員監控操作工作量的情況下，避免了人為投切無功補償設備而引起的無功補償不及時和過補償問題，減少了不必要的功率因數考核。

3　方案的經濟性分析

光伏發電項目主要的發電月份為四月至九月。按照文中所述項目用戶公司七月份功率因數受到電力方面考核罰款金額為12萬元。考慮到7月份并非光伏電站發電最高的月份，結合項目地區各月光照情況我們對該光伏項目的發電量情況進行了預計，從下表來看光伏電站在四月、五月、六月發電量最高。

圖1　項目各月發電量預估

考慮到此種情況，我們按照四月到九月每月平均考核罰金為10萬元計算。

通過多方咨詢和調研，結合光伏項目預計發電情況。我們對以上兩種方案的經濟性和優缺點進行了對比如下表所示：

表5　兩種方案經濟性對比

從上表中可以看出方案一無需設備投入，方案二考慮到對于其考核費用的情況，50萬的設備投入，1年可以回收投資。

結語

本文闡述了自發自用、余電上網光伏項目接入后用戶實際功率因數降低的現象，分析了此種現象產生的原因，提出了兩種解決方案，并做出了兩方案的經濟性對比分析。得出了以下結論：

（1）功率因數降低是由于光伏電站引入后，消納電網有功降低的原因引起的，與電網公司現行的功率因數考核計算方法有關，并非實際功率因數降低；

（2）采用人工調整或采用自動調整無功補償的兩種方式均可有效減少功率因數降低現象出現的可能性。經濟和技術上均具有可行性。

[1]王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術[M].北京:化學工業出版社,2009.

[2]程文，卜賢成.低壓無功補償實用技術[M].北京:中國電力出版社,2012.

[3]楊志旗.光伏電站無功補償裝置的運行方式[J].科技與生活,2012(18):163-165．

[4]段樂偉.關于光伏電站無功補償容量配置的討論[J].電子世界，2012（18）：46-46.

[5]陳煒，艾欣等.光伏并網發電系統對電網的影響研究綜述[J].電力自動化設備，2013,33（2）:26-32.

[6]陳琳.分布式發電接入電力系統若干問題的研究[D].杭州:浙江大學,2007．