浅析分布式光伏电站用户侧并网无功补偿方案

张胜红

目前，我国的能源70%左右由煤炭供给，而化石能源过度使用已经造成了较大的环境、经济和社会负面影响。为转变能源发展方式，调整优化能源结构，国家大力发展清洁能源，推进能源绿色发展。自2005年起我国先后制定和发布了一系列针对可再生能源的政策法规来规范和引导可再生能源产业发展。为响应国家能源发展政策，近年来光伏发电发展迅猛，根据国务院印发的《能源发展战略行动计划（2014～2020年）》，战略目标是，到2020年，非化石能源占一次能源消费比重达到15%，煤炭消费比重控制在62%以内，光伏装机达到1亿千瓦左右，在电力结构中占比7%～8%。

光伏电站分集中式光伏电站和分布式光伏电站，集中式光伏电站占用大量土地资料，主要集中在西部地区，但由于项目过于集中、电网不易消纳、输送困难等原因，经常出现弃光现象，在局部地区弃光率甚至达20%～30%[1]。分散发电、就近并网、就地消纳正是分布式光伏发电的特点，也是分布式光伏电站的优势。因此，分布式光伏电站在我国用电负荷大、供电紧张的中、东部地区大力发展。分布式光伏发电，一般又分为全额上网模式和自发自用、余电上网模式。其中自发自用、余电上网模式是由光伏电站直接接入用户侧配电房，光伏所发电能大部分由用户自我消纳，剩余电量通过原有线路返回电网，对电网带来的冲击相对较小，投资成本低、收益高，更令用户青睐。

1 分布式光伏电站用户侧接入特点

典型的分布式光伏电站用户侧接入电气主接线图如图1所示。光伏电站经逆变、升压后就近接入用户变电站，实行光伏电能优先自用，余电上传电网供给周边用户。并网电能表和关口电能表分开设置，用户与电网公司结算、考核点在关口表处。

图1 分布式光伏电站用户侧接入电气主接线图

根据文献[2]和文献[3]，大中型电站均应配置无功功率和电压调节系统，其中光伏发电站无功补偿容量主要考虑汇集线路、变压器和送出线路无功损耗和充电功率等因素。规范主要针对集中式光伏电站，而用户侧并网的公布式光伏项目，无功补偿容量除了要考虑上述因素外，更为重要的是对用户侧用电负荷情况与并网容量作对比分析。

光伏电站接入用户侧之后，对用户侧的负荷来说，相当于增加了一个第二电源点。在没有利用光伏逆变器发无功功率的情况下，光伏系统发出的电能基本为纯有功电能。用户侧负荷再利用完光伏电能之后，不足的部分继续由电网提供，含部分有功功率（=-）和全部无功功率（=）。如图2所示，接入用户变电站后，从电网获取的有功功率减少，而从电网获取的无功功率基本不变，这对用户变电站总进线处的功率因数造成很大影响，由cosφ变成cosφ'。因此，无功补偿容量计算时，应充分考虑用户侧并网后，从电网获取的有功功率减少对功率因数造成的影响。

图2 分布式光伏电站用户侧接入模型

2 工程案例

本文以某20MW分布光伏电站为例进行分析，项目建设地点位于江西景德镇某工厂内，厂内建有110kV用户专用变电站。主变规模：远期1×16MVA+1×20MVA+1×40MVA；本期1×16MVA+1×20MVA；本20MWp分布式光伏项目分2期建设，其中一期10MWp接入1#主变10kV侧备用间隔，二期10MWp接入2#主变10kV侧备用间隔。变压站采用低压电容器分散补偿，并网前1#主变白天有功负荷基本在10MW左右，功率因数约0.94。光伏电站接入后，势必造成关口处功率因数降低，需考虑设置无功补偿装置。无功主要分两部分：一是光伏系统本身产生的无功，二是电站内部用电负荷产生的无功。

（1）光伏电站本身产生无功损耗的部分主要有变压器、低压电缆、高压电缆等，共计0.65Mvar。

（2）电站正常运行时，用电负荷产生的无功功率约3.4Mvar；

光伏电站综合效率约80%，最大有功出力约8MW。关口处功率因数按0.95实时控制，光伏出力最大时，需最大无功补偿3.43Mvar。

3 解决方案

根据文献[2]光伏发电站要充分利用并网逆变器的无功容量及其调节能力。当逆变器的无功容量不能满足系统电压调节需要时，应集中加装适当容量的无功补偿装置，必要时加装动态无功补偿装置。

本期光伏发电站共设有9个1MW单元，共配置18台500kW集中式逆变器，逆变器功率因数可在0.9（超前）～0.9（滞后）范围内连续可调，调节方式为手动调节或通过通讯接口进行调节。计算可得，500kW逆变器单台无功调节最大范围-242～+242 kvar，18台逆变器最大补偿容量为4.35Mvar。可见，从补偿容量上来看，采用逆变器来调节无功容量，是可以满足要求的。同时，也可以考虑设置一台4Mvar SVG静止型动态无功补偿装置。下面，对逆变器静态无功调节、逆变器动态无功调节、SVG静止型动态无功补偿装置等几种无功补偿方案进行对比分析。

3.1 逆变器静态调节

逆变器静态调节是将逆变器输出功率因数设定为某一固定值，由逆变器出口的有功功率检测值和指定的功率因数计算得出相应的缺少无功功率，人工投切无功补偿装置内的电容设备组，以达到调整并网功率因数的目的。补偿的效果不但与目标功率因数的设置有关，还受用户侧负荷的变化影响很大，容易出现过补。需要运行人员根据运行数据来手动调节逆变器的功率因数，调节不灵活。优点是操作简单，成本低。适用于负荷比较恒定的场合。

3.2 逆变器动态调节

为了解决逆变器静态调节的一系列问题，光伏监控系统厂家通过采集关口处的功率因数，跟设定的总进线处功率因数进行比较，然后根据接线、负荷和光伏发电情况，计算得出逆变器需提供的无功功率、需设定的功率因数，通过监控系统与逆变器通信，发出功率因数的调节命令，实现了对总进线处功率因数的控制。

目前已有部分厂家研制出这种专用的无功控制器，可实现自动实时调节功率因数，灵活性好，成本较低。但无功控制的过程需要通过485及光纤与多台设备进行通讯，上传及下发，各设备本身的处理时间及通讯速率等都将影响响应时间。调查分析可知，当无功控制器所连接的逆变器超过一定数量、传输距离较长、接入数量越多时响应越慢，响应性较差。同时单台控制器对接入的逆变器数量及通讯协议也有限制，大多厂家的控制器只能接入本品牌产品的逆变器，而对于不同品牌的逆变器存在无法兼容的问题，兼容性较差。

3.3 SVG静止型动态无功补偿装置

SVG的基本原理是利用可关断大功率电力电子器件（如IGBT）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。SVG可同时对无功功率和谐波进行补偿，且补偿无功功率可做到连续平滑双向调节。具有响应速度快、安全性高、动态性好的优点，但是成本相当较高，同时需要占用一定的配电房空间。

4 结语

综上所述，分布式光伏电站用户侧接入时，应根据用户负荷情况来确定无功补偿容量。同时，应根据项目具体情况，结合技术、经济等多个方面进行综合分析，确定无功补偿方案。本文首先从理论上分析分布式光伏电站用户侧并网后原配电网络关口处功率因数降低的原因，从工程实例出发，列举无功功率补偿容量的计算方法以及常用的解决方案，并对各种解决方案进行优缺点分析。希望本文对以后同类型光伏电站的无功补偿方案研究有一定的帮助。