光伏电站并网后功率因数变化分析及解决措施

宗军智

摘要：研究企业内供配电系统无功补偿现状，分析光伏电站并网后对功率因数的影響，提出4种解决方式，解决光伏发电并网对原有供配电系统功率因数的影响，并给出经济型对比表。

关键词：光伏发电、并网、功率因数

配电系统无功补偿现状

目前我国对用户尚未要求按照经济原则进行无功补偿，即在最大负荷方式时，要求用户基本不受系统供给的无功（功率因数达到0.98～1）;在非最大负荷方式时，用户应及时调节无功补偿容量，不向系统送无功。

对用户的补偿容量在《全国供电规则》中规定，用户在当地供电局规定的电网高峰时的功率因数应在0.9以上。用户侧无功补偿主要采用并联电容器的补偿方式，有以下几种方式：

方式一：大多数国内用户在设计之初已经充分考虑用户的无功补偿问题，补偿后功率因数均不小于0.9。补偿原理如下图1.1所示。

从上图1.1看出，无功补偿装置主要通过采集进线侧电流互感器电流，母线电压，计算出功率因数，然后控制器K根据设定的功率因数，计算出需要补偿的容量，投切并联的电容器组，以满足功率因数的要求。

方式二：对无功电量需求较少的用户，未考虑设置补偿装置，利用电网的无功电量进行补充。

方式三：特殊情况 ，如无功补偿电流采样点不在进线侧互感器、针对于特殊设备设就地补偿等。

光伏电站接入后对无功补偿的影响

自发自用模式下：

用户侧无功补偿采用方式一的情况下，未增设光伏电站时，企业所需电量均由电网提供，所需有功功率为P，无功功率为Q。由于设有低压侧自动无功补偿装置，经现场了解，功率因数可设为1，故仅需从电网获取有功功率P，无功功率由低压侧无功补偿装置提供。无功功率监测点为变压器低压侧进线开关处电流互感器。

增设光伏电站后，企业所需电量由电网和光伏发电共同提供。电网提供有功功率为P1，电网提供的无功功率为Q1。随着光伏发电功率的提升，电网提供的有功功率P1减少，但无功补偿装置投入的判定条件仍为COSφ=1。根据下式1.1得出，电网提供的无功功率Q1仍等于0。不会造成原有系统功率因数的降低。

用户侧无功补偿采用方式二的情况下，未增设光伏电站时，企业所需电量均由电网提供，所需有功功率为P，无功功率为Q。低压侧未设无功补偿装置，可从电网获取的最大无功功率为Q=P*tanφ，考虑电网要求最低功率因数最低为COSφ=0.9，故从电网取得的无功功率最多为Q=P*tanφ=0.48*P。

增设光伏电站后，企业所需电量由电网和光伏发电共同提供。电网提供有功功率为P1，随着光伏发电功率的提升，电网提供的有功功率P1减少，用户负荷未发生变化，电网提供的无功功率仍为Q。根据下式1.1得出，

经计算，COSφ是关于P1的单调递增函数，及随着P1减少，功率因数COSφ是逐渐减小的。光伏接入后，用户从电网获取的有功功率P1小于光伏接入前有功功率P，因此造成原有系统功率因数降低。

方式三情况较少，需根据具体情况具体分析。

余电上网模式下：

用户侧无功补偿采用方式一的情况下，增设光伏电站后，企业所需电量由光伏发电全部提供，多余电量送往电网，余电上网有功功率为P2。一般规定，有功功率或无功功率由母线流向线路或设备侧为正，电流由母线流向线路或设备侧为正。

从下图2.1看出，当无余电上网时，原有无功补偿控制器采集到的信息如下图所示，有功功率P和无功功率Q均为负值，表示电能由电网流向低压母线。无功电量需求为Q，电流方向处于第三象限，电流滞后于电压相位154°（功率因数为0.9）。符合电网要求。当存在余电上网时，电流方向与正常运行时方向相反，电流的大小根据运行情况各有不同。无功电量需求仍未Q，随着上网电量的变化，电流电压的相位角在第二象限不断变化，如无外部补偿的情况下，功率因数难以满足大于0.9的要求。

用户侧采用方式二的情况下，功率因数如图2.2所示，无法满足电网要求。

方式三需根据具体情况分析。

光伏电站接入后对欠补偿的解决方案

用户侧补偿为方式一的情况下，自发自用不存在功率因数问题，余电上网模式时，有功功率P方向发生变化，原有系统无功补偿控制器判定依据发生变化，判定为用户侧向电网输送无功功率，因此切除原有用户侧的无功补偿装置，造成用户侧功率因数不达标。解决方法有以下两种：

并网点选择在进线柜，在进线柜至主母线之间增加电流互感器，原无功补偿的电流采样点更改为此互感器，如下图3.1所示。

调整用户原有控制器的的控制逻辑，在发生余电上网的工况下，无功补偿系统不切除，仍按照恒功率因数的模式下进行补偿。

整合厂家资源，联合无功设备厂家，将现有控制器改造为适用于光伏并网系统应用的控制器。将只采集原有系统进线侧电流互感器改造为采集进线侧电流互感器及光伏进线侧电流互感器，并将两处电流求矢量和，根据电流的矢量和进行无功补偿。

用户侧补偿为方式二的情况下，可选择将逆变器设置为恒功率因数0.9（滞后）的模式下运行或增加无功补偿装置。无功补偿装置的安装容量根据功率因数为0.9反推，计算简单，暂不做论述。

用户侧补偿为方式三的情况下，需根据具体情况具体分析。

另外，由于各个用户无功补偿分组容量有差别，存在不投入1组无法满足功率因数要求，投入之后存在过补偿的问题。此类问题需要收集用户侧无功补偿系统的详细配置进行分析。根据分析结果对原有无功补偿装置进行改造。