并网光伏发电系统的最大功率发电和网侧功率因数

袁明文

摘 要：本文从太阳能电池的输出特性和并网逆变器的输出电压、输出电流分析光伏发电系统最大功率发电的条件，得出并网逆变器按功率因数为1设计的原因。以逆变器功率因数为1为基础，分析光伏系统并网点电网侧功率因数的情况，找到电网侧功率因数降低的原因，并提出提高电网侧功率因数的措施。

关键词：太阳能电池；输出特性；最大功率发电；功率因数；措施

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）07-0138-02

1 引言

据2001年“世界能源会议”资料，世界化石能源可开采年数为：石油39年，天然气57年，煤223年，铀67年。2001年到现在已经过去17年，这些不可再生能源在不长的时间内将被开采殆尽，人类已经面临严峻的能源危机。同时，由于大量使用化石燃料导致的雾霾、酸雨、全球温度上升、水资源污染、土地污染等环境问题，制约着社会的可持续发展。因此，积极研究、开发和利用太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等新能源迫在眉睫。太阳能是储量巨大、不会枯竭、不受地域限制的清洁能源，优点突出。近几年，太阳能光伏发电装机容量在世界范围内稳步增长，我国光伏发电装机容量的增速在世界上名列前茅。

2 并网光伏发电系统最大功率发电的条件

人们期望光伏发电系统能高效地将太阳能转换为电能，尽可能多发电。我们衡量发电量的多少指的是发出有功电量的多少，不是指无功电量。如何才能使光伏系统高效地运行，这要从太阳能电池的特性说起。

图1是测试单体太阳能电池输出特性的接线原理图。在稳定的光照和稳定的电池温度条件下，按图1接线，在开关S断开时，读取电池开路电压UOC，然后闭合开关S，将可调电阻RP由最大逐渐减小到0，在减小RP阻值的过程中从电流表和电压表读取多组电池的输出电流和电压，并根据P=UI计算对应的电池输出功率。根据测试数据即可绘制出太阳能电池的的输出电流、输出电压、输出功率之间的关系曲线。

图2是太阳能电池的输出电流、输出电压、输出功率特性曲线。图中ISC为电池输出端短路时的短路电流。从图2可以看出，在一定的光照和电池温度条件下，太阳能电池的输出功率随输出电压、输出电流而变化，不是固定不变的。输出功率最大时，太阳能电池的转换效率最高，这时的电压Umax称为最大功率点电压，输出电流Imax称为最大功率点电流。当光照条件和环境温度发生变化时，太阳能电池内等效电流源的电流发生变化，电池输出的最大功率发生变化，最大功率点的电压、电流均发生改变。因此，在光伏发电系统中，为了使太阳能电池输出最大功率，使用最大功率点跟踪控制系统对太阳能电池阵列的输出进行控制，使阵列能在不同的日照和温度环境下都能使输出功率最大。

使用最大功率跟踪控制系统对太阳能电池的输出电流和电压进行控制，使太阳能电池在不同条件下均能输出此条件下的最大功率，只是满足了光伏发电系统最大功率发电的一个条件，另外还要看将太阳能电池输出的直流电逆变为交流电的逆变器的工作情况。

太阳能光伏发电系统分为独立运行的光伏系统和与电网并列运行的并网光伏系统。独立运行的光伏系统逆变器为电压型逆变器，其输出的交流电的功率因数由负载的性质决定。如果负载不是纯电阻性，逆变器的功率因数小于1，就意味着太阳能電池输出的电流不能全部逆变为有功电流，系统的发电功率没有达到最大。并网光伏系统的逆变器为电流型逆变器，逆变器输出电压跟踪电网电压，逆变器对输出电流进行控制。为了将太阳能电池的输出电流全部逆变为有功电流，逆变器的输出电压和输出电流要同相，也就是逆变器功率因数为1。

可见，太阳能电池输出最大功率和逆变器功率因数为1是光伏系统最大功率发电的条件。

3 并网光伏发电系统对并网点电网侧功率因数的影响

并网光伏发电系统根据是否允许通过变压器向主电网馈电，分为有倒流系统和无倒流系统。有倒流系统在光伏发电系统产生剩余电力时，将剩余电能送入电网，当光伏发电系统电力不够时，由电网供电。无倒流系统的光伏发电功率始终小于或等于负载功率，光伏系统与电网并联向负载供电。

图3是有倒流并网太阳能光伏发电系统示意图。图中P、Q、是负载的有功功率、无功功率和功率因数，P1、Q1、是光伏发电系统的有功功率、无功功率和功率因数，P2、Q2、是电网侧断路器QF2处的潮流有功功率、无功功率和功率因数。

在光伏发电系统中，为了最高效地发挥光伏阵列的输出能力，并网逆变器一般按=1进行设计。《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》规定，大型和中型光伏电站的功率因数超前0.98至滞后0.98范围内连续可调。《光伏发电站无功补偿技术规范（GB/T 29321-2012）》规定，光伏并网逆变器功率因数在超前0.95至滞后0.95范围内连续可调。可见，并网逆变器的功率因数在1附近的较小范围内变化，光伏逆变器输出的无功功率Q1很小，光伏发电系统一般情况下只输出有功电能，即将太阳能光伏阵列的直流电能转换为与电网同频同相的交流电能送给电网，并保证有较高的功率因数。

交流电的有功功率、无功功率和功率因数三者之间的关系为：

式中 P—交流电有功功率，单位kW；

Q—交流电无功功率，单位kvar；

—功率因数。

在图3所示的光伏发电系统中，负载的功率因数由负载的特性决定，是固定值。如果负载稳定运行，负载所需的有功功率和无功功率也是稳定不变的。在逆变器功率因数为1时，分3种情况分析电网侧功率因数的变化情况。

（1）光伏发电系统发出的有功功率小于负载所需要的有功功率，即P1

如果P1的值越接近P的值，则P2的值越小，这时电网侧的功率因数越低。这就是有的业主安装了光伏发电系统后，由于电网侧功率因数低于0.85而被加收功率因数调节费的原因。

（2）光伏发电系统发出的有功功率大于负载所需要的有功功率，即P1>P。这时P2=P1-P，Q2=Q。这时，负载所需的无功电能仍然全部由电网提供。电网侧的功率因数为：

如果P1的值越接近P的值，则P2的值越小，电网侧的功率因数越低。

（3）光伏发电系统发出的有功功率等于负载所需有功功率，即P1=P。此时P2=0，=0。

从以上分析可以看出，由于负载的无功电能全部由电网提供，光伏发电系统只发出有功电能。因此，光伏发电系统发电后，电网侧的功率因数下降，光伏系统发出的有功功率越接近负载所需的有功功率，电网侧的功率因数越低。

4 提高电网侧功率因数的措施

要解决电网侧功率因数随光伏发电系统发出的有功功率变化而变化，功率因数偏低的问题。一种方法是在图3所示光伏系统母线上进行集中无功自动补偿，补偿容量接近负载无功需量，补偿装置所需功率因数信号取自断路器QF2处。另外一种办法是采用功率因数可调的并网逆变器，通过逆变器输出无功功率来提高电网侧功率因数。这是以减小发电量为代价来提高电网侧功率因数的一种方法。这个方法存在一个问题，主要是会出现逆变器输出的无功功率不能满足负载无功要求的情况。所以，最有效的方法是采用自动无功补偿装置在母线上进行集中无功补偿。

参考文献

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