提升光伏发电站功率因数的优化方案

汪 鹏，钟自禄

（中广核新能源投资（深圳）有限公司江西分公司，江西 南昌 330008）

0 引 言

在光伏行业快速发展的过程中，光伏电站越来越多，向全国供应大量清洁能源。由于功率因数低，导致电网电压波动较大、网损较高，严重影响用户的用电质量。但是大量光伏电站的接入不可避免地会对电网电压的稳定造成影响，使电能质量下降。由于光伏电源具有间歇性、随机性等特点，其无功需求与有功负荷不匹配时将产生谐波污染。因此，电站无功功率应采用静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）进行调节，以保持电网电压稳定，保证电网的安全平稳运行。目前，光伏电站普遍采用SVG，因为逆变器容量小，导致无功损耗大，所以仅通过逆变器无法实现对无功的有效控制。在保证电网正常供电的情况下，尽量提高光伏电站的功率因数，从而提高电能质量。为解决某220 kV 光伏电站存在功率因数过低的问题，深挖问题成因，对无功设置进行持续优化，给出了合理的解决方法，保证光伏电站的功率因数达到电网要求[1]。

1 事件描述

光伏发电具有间歇性等特点，因此必须保证并网系统有较高的稳定性和可靠性。某220 kV 集中式光伏电站的电费结算计量电表在光伏电站侧。接入电网后的早期，SVG 是在恒无功的方式下工作，即SVG 发出恒定的感性5 MVA无功功率，旨在使220 kV母线电压下降。随着并网时间的增加，出现了部分变电站功率因数偏低，甚至无法接入电网的现象。电站在并入电网后的第一次功率因数计量统计时，通过查找抄表记录得知有功底码为0.048，无功底码为0.94，关口计量表的倍率为4.4×106∶1（电站关口计量处电流互感器的变比为2 000 ∶1，电压互感器的变比为220 000 ∶1，两者相乘即为电表计量倍率），因此计量表底码每增加0.001，换算成有功电量即增加4 400 kW·h 的电量，无功电量同理，功率因数的计算公式为

式中：cosφ为功率因数；P为有功电量；Q为无功电量。依据式（1）将有功电量和无功电量分别代入可得

经计算得出功率因数为0.05，远远小于0.9 的标准值。由于功率因数偏低造成了发电量下降，同时也给电网带来了谐波污染等问题，严重影响到电能的安全稳定输送，电站迫切需要提高功率因数，以满足电网要求。

2 原因分析

光伏电站为白天发电，当太阳落山、光照强度不足后停止发电。在结合光伏电站日间发电、夜间不发电的特性对统计数据进行分析后认为，纳入功率因数计算中的无功总电量是指电站在不发电情况下（即夜间）所产生的无功总电量，电站白天发电时SVG 所产生的无功电量不会列入计算范围。该电站接入系统时对电能表的电流互感器进行了改进，将传统的单相交流式电流互感器改为三相四线制电流互感器。由于无功补偿装置一般安装于用户（电站）侧，无功计量表与电网之间存在一定的距离，这将直接影响无功电能的准确计量。对此，经与电表厂家接触了解到，这种电表的安装以图1 所示的功率四象限为准。

图1 功率四象限

图1中，输入有功表示电网侧向电站侧传输有功，输出有功表示电站侧向电网侧传输有功，输入无功表示指电网侧向电站侧传输无功，输出无功表示电站侧向电网侧传输无功，下面对其做具体说明。

在第一象限（I 象限）中，电网侧向电站侧传输有功功率的同时，电网侧向电站侧传输无功功率，代表电站在夜间耗用电网有功运行的同时，吸收电网中的无功。在第二象限（II 象限）中，电站侧向电网侧传输有功功率的同时，电网侧向电站侧传输无功功率，代表电站在白天发电的同时，吸收电网中的无功。在第三象限（III 象限）中，电站侧向电网侧传输有功功率的同时，电站侧向电网侧传输无功功率，代表电站在白天发电的同时，为电网提供无功。在第四象限（IV 象限）中，电网侧向电站侧传输有功功率的同时，电站侧向电网侧传输无功功率，代表电站在夜间消耗电网有功的同时，为电网提供无功。

按电表功率四象限布置，电站计量无功采用第一象限＋第四象限组合的模式，即消耗电网的有功电能时吸收电网的无功和消耗电网的有功电能时向电网提供的无功之和。该方法等于只计算解网后光伏电站在消耗电网电能的过程中，所消纳无功和提供的无功的总和。

为了提高电网的功率因数，对光伏电站来说，有功电量的消耗主要是设备夜间不发电时的空载损耗，可调空间小，那么焦点就集中在尽量降低正向无功电量的问题上。

3 SVG 模式调整

案例光伏电站SVG 配置了5 种运行模式，分别为恒无功模式、恒无功电压模式、恒无功电流模式、恒功率因数模式以及恒无功补偿模式。其中，恒无功模式是指SVG 发送一个恒定无功数值，这个值不随用电设备改变，是一个固定值；恒无功电流模式是指在SVG 控制系统中设置固定电流值，通过控制电流的大小来控制无功功率值；恒无功电压模式是指在SVG 控制系统中设置固定电压值，通过控制电压的大小来控制无功功率值；恒功率因数模式是指在SVG控制系统中设置一个固定的功率因数值，通过控制功率因数的大小来控制无功功率值；恒无功补偿方式是指在SVG 控制系统中设置控制点的无功功率值，这种模式可以随时捕捉到所选取的控制点无功功率的变化，维持所选控制点无功功率不变。

光伏电站220 kV 侧SVG 无功控制点选择在主变高压侧。现将SVG 运行模式由最初的恒无功模式改成恒无功补偿模式，并设定补偿计量点的无功为零，即在主变高压侧的控制点既不会向电网提供无功，也不会从电网中吸收无功。光伏电站白天发电的过程中，SVG 处于空载状态，以SVG 作为控制对象，在夜间运行时，无功为零。通过运行模式的调整和运行参数的设置，最大限度地减少正向无功计量值，有效提高功率因数。最终，通过运行在恒无功补偿模式下，电站月度累计功率因数达0.95 以上，满足电力公司的功率因数需求[2-4]。

4 方案扩展分析

由于关口统计在光伏电站的本端，只需将无功目标值定为0，SVG 将采用恒无功补偿模式下的自动调节方式，保证关口统计点的正向无功等于零。若系统中存在多个变电站，可以根据实际情况选择不同容量的无功源接入对应的变电站进行补偿，以实现无功平衡。如果关口统计点装在对侧的变电站中，则需对输出线路无功损耗进行判断。由于送电距离长，且受电网电压波动影响较大，故推荐采用恒无功补偿模式计算无功功率。电站解列时，SVG 可以设定在恒无功补偿模式下，因为架空线路与地面具有容性，所以SVG 要求设定值为感性无功。

步骤一：将SVG 的恒无功补偿方式设置为设定值0（有的SVG 存在死区值，无法设定0 的话，可以先设定一个值）。步骤二：观察对侧变电站后台晚间光伏电站在进线区间的无功功率曲线，夜间对侧无功功率曲线总体上较为平缓，假定该值是X。因架空线路对地呈容性，所以该无功功率X主要来源于架空线路中的容性无功。步骤三：设定SVG 的无功数值大小为感性X。步骤四：每隔一天检查对侧关口表的正向无功示数的变化。若几天内变动幅度很小或没有变动，则无须调整SVG 设定值；若每天都有明显改变，则需要考虑在白天增加一个固定的补偿电容器组，使其与负相差值保持平衡。若正向无功还有一定程度的改变，结合夜间无功功率曲线对后台数据进行分析，微调SVG，直至正向无功示数接近不变或在功率因数许可范围内小幅变化。

5 分布式光伏逆变器无功调节解决方案

现有的分布式逆变器功率因数控制主要有2 种模式：一是设定功率因数为定值；二是通过对指令的实时调整，调整逆变器的无功容量，但这一功能并不是所有逆变器都可以完成。采用上述2 种方式调节无功功率，并不能改变视在功率的输出，同时如果设定值功率因数偏低，当负荷很小时会造成无功功率的倒送，不建议采用[5]。

5.1 更换四象限无功补偿控制器

四象限无功补偿控制器根据如图1 所示的四象限无功原理，通过测量双向的有功和无功数据，可以计算出4 个象限的有功功率、无功功率，实时得出负载在光伏发电充足时或光伏发电功率不足时的负载，但需根据从电网侧吸收功率时的功率因数，准确投切电容器组。

四象限无功补偿控制具有双向电流监测机制，针对性解决双向电流系统，结合精确容量补偿，确保补偿功率因数可达0.95。但是更换象限控制器须加装另外两相CT，且四象限无功补偿控制器价格较高，控制器安装位置的规格可能不配套，应另行改造，因此成本较高。

5.2 用户无功补偿柜加装光伏发电无功电气分析模块

在用户无功补偿柜上加装光伏发电无功功率电气分析模块，取样互感器安装在光伏并网柜上，其采样电流数据由光伏无功电气分析模块采集并分析，再输出给无功补偿控制器，以实现无功补偿。以一个企业的场景为例：公司变压器容量为250 kVA，没有加装光伏发电设备时，无功功率补偿装置的数据表明，功率因数长时间处于0.95 ～0.96。在加装光伏发电设备后，09:00—09:30 时公司的负荷基本上已达到最大值，约为200 kW，所有的光伏发电都是在企业内消耗的，无功功率补偿装置的数据分别为0.89、0.80、0.74，不满足电网要求的0.9 的标准。为提高功率因数，在低压侧装设光伏发电无功电气分析模块，模块通过对无功电气量的数据采集而不断调整无功输出，达到就地平衡。用户功率因数的数据始终稳定在0.95 ～0.97，同时可以实现对用电设备进行实时监控、故障报警等功能，提高用户设备的利用率，增加经济效益，降低给电网带来的冲击。

6 结 论

光伏电站由于自身的特殊性，需配置SVG 装置来实现无功调节，保证电网电压的稳定。通过分析电站无功功率因数的计量方式，可得功率因数采用光伏电站在夜间利用电网有功情况下，电站所发无功或所吸无功并入测量，因此有必要保证关口点的夜间无功累积计量值恒定或者变化不大，从而实现功率因数提升。

针对大部分用户在光伏接入电网后功率因数降低的主要原因为逆变器无功控制模式的选择不尽合理，在恒无功补偿和恒功率2 种不同控制策略下，均可使电网电压波动幅度较小。恒功率输出模式时，功率因数设置过高会导致系统侧补偿不到位，正向有功提高；设置过低将导致过多的无功功率输出，系统不能消耗，反向无功增大，使得用户在计量关口的功率因数下降。对电网进行实时监控和检测，可有效避免上述现象发生，解决光伏并网后功率因数降低等问题。该研究对于推动光伏并网应用具有重要意义，随着光伏发电的民众化和光伏产业的规模化发展，将会有更加健全的标准与规范推出，还将有更成熟的技术手段为产业发展提供支持。