自发自用光伏发电项目功率因数问题浅析

王子健　刘永革　李德育

（天津津能滨海新能源有限公司 天津 300384）

引言

分布式光伏发电作为一种清洁无污染的绿色能源得到了国家政策大力支持，其中采用自发自用、余电上网的电能消纳方式，具有初期建设投资相对较少，就近消纳电能，线路损失小等优点，成为许多大用电用户分布式光伏发电项目消纳的首选[1]。然而，部分用户在接入分布式光伏电能之后，其自身的功率因数显示降低，并由此受到电网企业的考核，此种情况使光伏电能利用的用户受到了不必要的经济损失，降低了用户使用分布式电能的积极性和经济性，不利用分布式光伏发电的推广应用。本文结合具体光伏项目案例从功率因数的基本理论，及光伏发电引入后对其影响等方面阐述了此现象的成因，并提出了相应的解决方案。

1　光伏电站投运前后功率因数变化情况及分析

1.1　功率因数考核指标

本文中我们以某自发自用、余电上网光伏项目为例，项目所在地属天津市电力公司东丽供电分公司的供电范围。

本项目用户厂区内现状有1座35kV用户变电站，该站现状主变规模2×20MVA（1#、2#），电压等级35/10kV，双电源供电，35kV侧为内桥接线，10kV侧为1组单母线分段接线。该站两回电源分别为35kV 1#、2#线，来自上一级220kV变电站，按照属地供电公司的要求该用户用电类型属于大工业用电，其功率因数考核指标为不低于0.9。

1.2　光伏项目投运前后用户的功率因数变化

光伏项目投运前用户功率因数情况如下表：

表1　光伏项目投运前用户功率因数情况表

从上表中来看该公司的功率因数受生产影响较大，3月份处于考核的临界状态。部分时间受到过功率因数考核，但大多数时间能够满足电力公司功率因数不小于0.9的要求。

我们对光伏发电投入前后用户的功率因数变化做了对比记录如下表所示：

表2　光伏发电投入前后功率因数变化表

1.3　功率因数降低原因分析

根据功率因数公式：

式中P、Q为用户的瞬时有功功率和无功功率，cpsφ为该瞬时的功率因数[2]。

按照电力公司现行的考核计算方式其中P、Q为用户从公共电网获取的即时有功功率和无功功率。由于光伏项目所产生的电能全部为有功电能，故在光伏项目投入后，用户实际的有功功率不变，但消纳了光伏发出的有功功率，用户从电网吸收的有功功率减少，但是吸收的无功功率不变。

因此用户1#、2#线功率因数较光伏项目投运前有所减小，白天基本处于电力公司功率因数考核范围。鉴于该项目属于自发自用余电上网的项目，当向电网供电时，由于有功方向发生变化功率因数统计有可能出现负数更增加了功率因数不合格点的数量[3]。

我们对某一瞬时从电网取电的有功功率P1、无功功率Q、光伏发电有功功率P2进行了数据采集，并按照不计光伏发电有功（P=P1）的功率因数cosφ1和计及光伏发电有功（P=P1+P2）的功率因数cosφ2进行了计算，结果如下表所示：

表4　光伏发电对功率因数影响

从表4中可以看出若不计光伏发电的有功用户功率因数小于0.9不合格，若计及光伏发电的有功则功率因数合格。

2　解决方案

此类问题在其他光伏电站也有发生。针对这种情况光伏发电项目的用户可以从以下几种解决方案入手，解决功率因数考核问题。目前解决功率因数降低问题的几种建议整改方案：

2.1　利用现有无功补偿设备提高功率因数

大功率用电的工厂企业用户，按照电力公司的要求，基本均配有就地的无功补偿设备，通过无功补偿设备的投入，调节企业的即时无功消耗，保证功率因数处于较高水平，但是大量投入无功补偿设备会使得用户侧的母线电压升高，不利用用电安全，例如该项目用户目前使用的35KV/10KV变压器是无载调节型，10KV有非自动调节型无功补偿设备，由于目前区域电网电压较高，为了保证用电安全用户的无功补偿设备并未投入，在此问题出现用户对35KV/10KV变压器分接头进行调节，并投入了部分10KV无功补偿设备，功率因数有所提高，但该设备并非自动调节设备。从目前用户实际的无功需求情况来看，如加强对赛瑞公司无功情况的监控，并适时调整10KV侧的无功补偿投入容量，可以减少功率因数降低的情况，避免功率因数受到考核。

此种方案无需增加设备投入，但需要变电站值班人员加强对无功情况的实时监视，及时对无功补偿进行操作（从目前的情况看主要在白天），会增加值班人员的工作量。

2.2　采用SVG设备提高功率因数

SVG是典型的电力电子设备，由三个基本功能模块构成：检测模块、控制运算模块及补偿输出模块。其工作原理为由外部CT检测系统的电流信息，然后经由控制芯片分析出当前的电流信息、如PF、S、Q等；然后由控制器给出补偿的驱动信号，最后由电力电子逆变电路组成的逆变回路发出补偿电流。

SVG静止无功发生器采用可关断电力电子器件（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。迅速吸收或者发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。作为有源形补偿装置，不仅可以跟踪冲击型负载的冲击电流，而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。

采用SVG设备改善功率因数是目前比较先进的方案，此种方案已有成功应用的案例方便考察，无需人员频繁操作。通过原有设备进行技术改造加装SVG达到满足功率因数的目的。

此方案可以有效解决用户无功补偿设备不能自动投切的问题，在不增加人员监控操作工作量的情况下，避免了人为投切无功补偿设备而引起的无功补偿不及时和过补偿问题，减少了不必要的功率因数考核。

3　方案的经济性分析

光伏发电项目主要的发电月份为四月至九月。按照文中所述项目用户公司七月份功率因数受到电力方面考核罚款金额为12万元。考虑到7月份并非光伏电站发电最高的月份，结合项目地区各月光照情况我们对该光伏项目的发电量情况进行了预计，从下表来看光伏电站在四月、五月、六月发电量最高。

图1　项目各月发电量预估

考虑到此种情况，我们按照四月到九月每月平均考核罚金为10万元计算。

通过多方咨询和调研，结合光伏项目预计发电情况。我们对以上两种方案的经济性和优缺点进行了对比如下表所示：

表5　两种方案经济性对比

从上表中可以看出方案一无需设备投入，方案二考虑到对于其考核费用的情况，50万的设备投入，1年可以回收投资。

结语

本文阐述了自发自用、余电上网光伏项目接入后用户实际功率因数降低的现象，分析了此种现象产生的原因，提出了两种解决方案，并做出了两方案的经济性对比分析。得出了以下结论：

（1）功率因数降低是由于光伏电站引入后，消纳电网有功降低的原因引起的，与电网公司现行的功率因数考核计算方法有关，并非实际功率因数降低；

（2）采用人工调整或采用自动调整无功补偿的两种方式均可有效减少功率因数降低现象出现的可能性。经济和技术上均具有可行性。

[1]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社,2009.

[2]程文，卜贤成.低压无功补偿实用技术[M].北京:中国电力出版社,2012.

[3]杨志旗.光伏电站无功补偿装置的运行方式[J].科技与生活,2012(18):163-165．

[4]段乐伟.关于光伏电站无功补偿容量配置的讨论[J].电子世界，2012（18）：46-46.

[5]陈炜，艾欣等.光伏并网发电系统对电网的影响研究综述[J].电力自动化设备，2013,33（2）:26-32.

[6]陈琳.分布式发电接入电力系统若干问题的研究[D].杭州:浙江大学,2007．