分布式光伏接入用戶側對功率因數的影響

徐瓊

(國網上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

隨著全球經濟的快速增長，能源需求量急劇擴大，傳統化石能源逐步消耗殆盡，作為化石能源的替代品，太陽能具有儲存量大、無污染等特點，是一種可再生清潔能源[1]。隨著國家對光伏產業的大力支持和光伏發電成本的持續降低，光伏產業開始蓬勃發展，越來越多的企業和居民加入建設光伏發電行列。截至2020年底，我國新增光伏裝機量為35 GW，累計光伏裝機容量達到2.4億kW。

光伏發電出力隨太陽日照強度變化而變化，具有隨機性、間歇性和波動性等特點[2]。大規模的分布式光伏發電接入后，不僅對配電網的電壓分布、諧波以及可靠性等產生影響，而且對用戶來說會直接影響內部負荷潮流分布[3]。對于光伏并網接入用戶側的這種接入方式來說，用戶側計量關口功率因數會出現達不到考核標準的問題，用戶會在不同程度上存在力率調整電費損失情況[4]。

本文通過理論結合試驗對分布式光伏接入用戶側后對功率因數的影響和原因進行分析，并有針對性地提出解決方案。

1 分布式光伏發電并網基本原理

典型的光伏發電并網系統主要由光伏電池陣列、逆變器和控制器等組成。光伏電池陣列將太陽能轉化為電能，是整個并網發電系統的能量來源。太陽能電池輸出直流電，經過升壓DC/DC變換器將電壓等級升高，再通過雙向DC/AC逆變器將直流電轉換為與電網電壓幅值、頻率和相位相同的交流電，然后接入交流電網供用戶負載使用。

由于太陽能具有波動性與間歇性，采用最大輸出功率跟蹤(Max Power Point Tracking，簡稱MPPT)控制器,能夠實時獲取光伏電池功率，為光伏逆變器提供穩定的工作電壓[5]。光伏發電并網系統結構如圖1所示。

圖1 光伏發電并網系統結構圖

2 分布式光伏發電并網對用戶功率因數的影響

2.1 分布式光伏發電接入用戶側

光伏發電典型并網模式有 “自發自用, 余電上網”“全部自用”“全額上網”3種。“自發自用，余電上網”和“全部自用”模式是光伏發電經逆變至并網柜接入用戶側原有配電設施，用戶用電不足時由電網提供；“全額上網”模式是光伏發電經逆變就近接入公共電網，與用戶用電沒有關系。分布式光伏發電接入用戶側，在并網點設置發電計量表，用于計費補償，在用戶與電網的產權分界點設置上、下關口電能計量表，用于用戶的上網、用網電量電費結算[6]。

分布式光伏發電接入用戶側接線圖如圖 1所示。

圖2 分布式光伏發電接入用戶側

分布式光伏發電接入用戶側，按接入容量可接入的電壓等級為10 kV和380/220 V。其中，接入容量大于400 kW時，采用10 kV電壓等級三相接入方式；接入容量在8～400 kW時，采用380 V電壓等級三相接入方式；接入容量在8 kW以下時，采用220 V電壓等級單相接入[7]。圖1顯示了380 V接入用戶側和10 kV接入用戶側的情況。以380 V接入用戶側，是光伏組件逆變后直接接入用戶配電站配變低壓側母線上；以10 kV接入用戶側，是光伏組件逆變后，需要經過升壓變壓器，將電壓380 V升為10 kV電壓，再接入到用戶10 kV母線上。如10 kV接入升壓變，就需要配置高壓開關柜和對應的繼電保護，其接入成本更高，并網技術要求也更高。

因此，考慮到接入成本、并網復雜性以及電費收益情況，目前大部分企業采取電壓等級380 V并網的接入方式。

2.2 分布式光伏發電并網功率因數分析

根據水利電力部、國家物價局關于《功率因數調整電費辦法》(水電財字215號文件)規定，容量在100 kVA及以上的電力用戶均需進行功率因數標準考核，如未達到考核標準將計收力率調整電費，超過考核標準的按超過比例進行獎勵[8]。其中10 kV工業用戶功率因數要達到0.9，若功率因數長期遠低于標準，不僅會威脅電網運行安全，而且用戶承擔的力率調整費用巨大。電力用戶通常采用低壓電容器柜進行無功補償來達到功率因數標準。

在用戶內部接入分布式光伏發電后，用戶負載所需有功由電網和光伏發電共同提供。通過對逆變器進行設置，使光伏發電優先給負載供電，不足再由電網提供。用戶負載所需無功由電網、補償電容器和光伏發電共同提供，由于光伏發電逆變器功率因數基本設置在0.98以上，功率因數都較高，可認為光伏逆變器僅輸出純有功功率，負載所需無功基本由電網和補償電容器提供。

電力企業用網關口計量電表的功率因數計算公式如下：

(1)

式(1)中用網關口表在計算功率因數時只計量用戶負載使用電網的有功P用網，而負載所消耗來自光伏發電的有功P光伏不參與功率因數計算；而無功是采用負荷使用電網無功和上網無功的絕對值相加。由于光伏發電的存在，企業工廠用電優先使用光伏發電的電量。當分布式光伏發電量較大，用戶負載用電量較小，光伏發電不能全部被負載消納時，光伏發電會向電網倒送有功，即產生上網電量，此時用網電量P用網很小，關口表的功率因數就會降低，則會出現功率因數不達標的情況，對用戶來說每月需要承擔一部分的力率調整費用。

3 分布式光伏并網測試結果分析

3.1 現場光伏發電并網情況

用戶園區的供電電壓為10 kV，變壓器容量為630 kVA，將容量為400 kW的光伏發電系統以電壓等級380 V接入用戶配電房低壓母排上，測試并分析用戶在24 h內的電壓、電流、有功功率、無功功率以及功率因數的運行情況。

3.2 測試結果分析

分布式光伏并網測試結果如圖3～7所示，分別為相電壓、相電流、有功功率、無功功率和功率因數的曲線圖。

圖3 相電壓曲線圖

通過測試數據可以看出，在分布式光伏接入后，在6:00—8:00期間，用戶園區負荷較小，相電流較小，電壓降低。此時一天光照剛開始，光伏機組開始少量發電，園區負荷基本由光伏發電提供，用戶負荷的有功功率最小，此段時間內系統的功率因數是一天中最低的。從圖7可以看出，功率因數最低值達到0.39。在17:00—19:00期間，光照慢慢結束，光伏發電逐漸停止，而此時用戶園區負荷仍然較大，用戶電網相電流最大，最大值達到760 A，用戶電網的有功功率最大，這段時間內關口表計量的功率因數最大，瞬時最大功率因數達到1.8，園區用電設備陸續開啟，無功需求加大，電容柜進行逐步投切，功率因數提升，最高達0.98。經過電容柜補償后，測得平均功率因數為0.80。

圖7 功率因數曲線圖

經過電容柜補償后，功率因數有所提升，但在用戶負荷較小，光伏上網功率高，功率因數較低，導致整體的平均功率因數不達標。從圖4和圖5可以看出，在20:00—22:00期間，由于負載的非線性和電容的非線性投切，系統中存在一定的諧波電流。

圖4 相電流曲線圖

圖5 有功功率曲線圖

圖6 無功功率曲線圖

4 解決方案

光伏逆變器通過調節指令來調節逆變器無功容量。當日照強度充沛時，逆變器的有功輸出較高，而無功功率很小，不足以補償變壓器用無功功率損耗[9]。因此，具有一定規模的并網光伏電站應考慮配置無功補償裝置。傳統電容柜自動投切裝置是以投入電容器的數量決定補償容量，當功率因數低于某一設定值時，電容器開關有效觸發并逐級投切[10]，這種補償裝置存在無功補償響應速度慢、階梯投切等問題，而且也無法同時解決諧波問題。

為克服傳統補償器的缺點，需要一種混合型、智能化、集成化的補償濾波裝置進行補償[11]。智能型混合濾波補償技術如圖8所示。智能型混合濾波補償裝置主要由兩部分組成：一是低壓電容器與電抗器串聯組成低頻通道，對系統進行無功補償，同時根據串抗率的不同來抑制系統中特征次諧波的流入；二是采用有源濾波器或有源無功發生器裝置，進行快速無功補償，達到無功功率無級可調的效果[12]。這兩者以模塊的形式組合，借助絕緣柵雙極型晶體管對輸出電流相位的控制，實現對無功從感性到容性整個范圍的連續調節，快速補償系統對無功功率的需求。

圖8 智能型混合濾波補償技術

由圖8可知，智能型混合濾波補償裝置安裝在用戶用電負荷端，通過采樣高壓側的電壓電流，計算出高壓側電網系統中的剩余無功，使用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)來控制逆變交流電壓的大小和相位，產生反相的補償電流，與電網中的無功或諧波電流相抵消，在低壓側進行實時補償，獲得無功補償和諧波消除的雙重效果。

5 結語

(1)分布式光伏電站通過用戶內部并入電網，會改變用戶用電的潮流分布。當用戶用電量較小，而光伏發電容量接近甚至超過用電容量時，可能會造成用戶功率因數大幅下降，一方面威脅電網安全運行，另一方面會產生力率調整電費，對供用電雙方均會產生損失。

(2)在光伏項目投資的初期，企業未來二十年的用電情況是無法預控的。企業在建設光伏發電系統時，有必要將無功補償裝置配置考慮進去，即使夜間光伏不出力，也可作為系統無功補償設備，提高電網線路輸電能力。

(3)本文提出了智能型混合濾波補償方案，安裝在用戶用電負荷端，能實現感性、容性雙向動態無功跟蹤補償，滿足電網和用戶的無功需求，提高功率因數，對光伏發電并網用戶設備配置具有一定的指導意義。