淺析分布式光伏電站用戶側并網無功補償方案

張勝紅

目前，我國的能源70%左右由煤炭供給，而化石能源過度使用已經造成了較大的環境、經濟和社會負面影響。為轉變能源發展方式，調整優化能源結構，國家大力發展清潔能源，推進能源綠色發展。自2005年起我國先后制定和發布了一系列針對可再生能源的政策法規來規范和引導可再生能源產業發展。為響應國家能源發展政策，近年來光伏發電發展迅猛，根據國務院印發的《能源發展戰略行動計劃（2014～2020年）》，戰略目標是，到2020年，非化石能源占一次能源消費比重達到15%，煤炭消費比重控制在62%以內，光伏裝機達到1億千瓦左右，在電力結構中占比7%～8%。

光伏電站分集中式光伏電站和分布式光伏電站，集中式光伏電站占用大量土地資料，主要集中在西部地區，但由于項目過于集中、電網不易消納、輸送困難等原因，經常出現棄光現象，在局部地區棄光率甚至達20%～30%[1]。分散發電、就近并網、就地消納正是分布式光伏發電的特點，也是分布式光伏電站的優勢。因此，分布式光伏電站在我國用電負荷大、供電緊張的中、東部地區大力發展。分布式光伏發電，一般又分為全額上網模式和自發自用、余電上網模式。其中自發自用、余電上網模式是由光伏電站直接接入用戶側配電房，光伏所發電能大部分由用戶自我消納，剩余電量通過原有線路返回電網，對電網帶來的沖擊相對較小，投資成本低、收益高，更令用戶青睞。

1 分布式光伏電站用戶側接入特點

典型的分布式光伏電站用戶側接入電氣主接線圖如圖1所示。光伏電站經逆變、升壓后就近接入用戶變電站，實行光伏電能優先自用，余電上傳電網供給周邊用戶。并網電能表和關口電能表分開設置，用戶與電網公司結算、考核點在關口表處。

圖1 分布式光伏電站用戶側接入電氣主接線圖

根據文獻[2]和文獻[3]，大中型電站均應配置無功功率和電壓調節系統，其中光伏發電站無功補償容量主要考慮匯集線路、變壓器和送出線路無功損耗和充電功率等因素。規范主要針對集中式光伏電站，而用戶側并網的公布式光伏項目，無功補償容量除了要考慮上述因素外，更為重要的是對用戶側用電負荷情況與并網容量作對比分析。

光伏電站接入用戶側之后，對用戶側的負荷來說，相當于增加了一個第二電源點。在沒有利用光伏逆變器發無功功率的情況下，光伏系統發出的電能基本為純有功電能。用戶側負荷再利用完光伏電能之后，不足的部分繼續由電網提供，含部分有功功率（=-）和全部無功功率（=）。如圖2所示，接入用戶變電站后，從電網獲取的有功功率減少，而從電網獲取的無功功率基本不變，這對用戶變電站總進線處的功率因數造成很大影響，由cosφ變成cosφ'。因此，無功補償容量計算時，應充分考慮用戶側并網后，從電網獲取的有功功率減少對功率因數造成的影響。

圖2 分布式光伏電站用戶側接入模型

2 工程案例

本文以某20MW分布光伏電站為例進行分析，項目建設地點位于江西景德鎮某工廠內，廠內建有110kV用戶專用變電站。主變規模：遠期1×16MVA+1×20MVA+1×40MVA；本期1×16MVA+1×20MVA；本20MWp分布式光伏項目分2期建設，其中一期10MWp接入1#主變10kV側備用間隔，二期10MWp接入2#主變10kV側備用間隔。變壓站采用低壓電容器分散補償，并網前1#主變白天有功負荷基本在10MW左右，功率因數約0.94。光伏電站接入后，勢必造成關口處功率因數降低，需考慮設置無功補償裝置。無功主要分兩部分：一是光伏系統本身產生的無功，二是電站內部用電負荷產生的無功。

（1）光伏電站本身產生無功損耗的部分主要有變壓器、低壓電纜、高壓電纜等，共計0.65Mvar。

（2）電站正常運行時，用電負荷產生的無功功率約3.4Mvar；

光伏電站綜合效率約80%，最大有功出力約8MW。關口處功率因數按0.95實時控制，光伏出力最大時，需最大無功補償3.43Mvar。

3 解決方案

根據文獻[2]光伏發電站要充分利用并網逆變器的無功容量及其調節能力。當逆變器的無功容量不能滿足系統電壓調節需要時，應集中加裝適當容量的無功補償裝置，必要時加裝動態無功補償裝置。

本期光伏發電站共設有9個1MW單元，共配置18臺500kW集中式逆變器，逆變器功率因數可在0.9（超前）～0.9（滯后）范圍內連續可調，調節方式為手動調節或通過通訊接口進行調節。計算可得，500kW逆變器單臺無功調節最大范圍-242～+242 kvar，18臺逆變器最大補償容量為4.35Mvar。可見，從補償容量上來看，采用逆變器來調節無功容量，是可以滿足要求的。同時，也可以考慮設置一臺4Mvar SVG靜止型動態無功補償裝置。下面，對逆變器靜態無功調節、逆變器動態無功調節、SVG靜止型動態無功補償裝置等幾種無功補償方案進行對比分析。

3.1 逆變器靜態調節

逆變器靜態調節是將逆變器輸出功率因數設定為某一固定值，由逆變器出口的有功功率檢測值和指定的功率因數計算得出相應的缺少無功功率，人工投切無功補償裝置內的電容設備組，以達到調整并網功率因數的目的。補償的效果不但與目標功率因數的設置有關，還受用戶側負荷的變化影響很大，容易出現過補。需要運行人員根據運行數據來手動調節逆變器的功率因數，調節不靈活。優點是操作簡單，成本低。適用于負荷比較恒定的場合。

3.2 逆變器動態調節

為了解決逆變器靜態調節的一系列問題，光伏監控系統廠家通過采集關口處的功率因數，跟設定的總進線處功率因數進行比較，然后根據接線、負荷和光伏發電情況，計算得出逆變器需提供的無功功率、需設定的功率因數，通過監控系統與逆變器通信，發出功率因數的調節命令，實現了對總進線處功率因數的控制。

目前已有部分廠家研制出這種專用的無功控制器，可實現自動實時調節功率因數，靈活性好，成本較低。但無功控制的過程需要通過485及光纖與多臺設備進行通訊，上傳及下發，各設備本身的處理時間及通訊速率等都將影響響應時間。調查分析可知，當無功控制器所連接的逆變器超過一定數量、傳輸距離較長、接入數量越多時響應越慢，響應性較差。同時單臺控制器對接入的逆變器數量及通訊協議也有限制，大多廠家的控制器只能接入本品牌產品的逆變器，而對于不同品牌的逆變器存在無法兼容的問題，兼容性較差。

3.3 SVG靜止型動態無功補償裝置

SVG的基本原理是利用可關斷大功率電力電子器件（如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，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。SVG可同時對無功功率和諧波進行補償，且補償無功功率可做到連續平滑雙向調節。具有響應速度快、安全性高、動態性好的優點，但是成本相當較高，同時需要占用一定的配電房空間。

4 結語

綜上所述，分布式光伏電站用戶側接入時，應根據用戶負荷情況來確定無功補償容量。同時，應根據項目具體情況，結合技術、經濟等多個方面進行綜合分析，確定無功補償方案。本文首先從理論上分析分布式光伏電站用戶側并網后原配電網絡關口處功率因數降低的原因，從工程實例出發，列舉無功功率補償容量的計算方法以及常用的解決方案，并對各種解決方案進行優缺點分析。希望本文對以后同類型光伏電站的無功補償方案研究有一定的幫助。