常州天合光能有限公司系統(tǒng)事業(yè)部 楊正剛 于 哲

江蘇省分布式光伏及應(yīng)用工程中心 陳 維 趙鳳閣 栗 娜

關(guān)于接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的分布式光伏電站對(duì)功率因數(shù)的影響分析

常州天合光能有限公司系統(tǒng)事業(yè)部 楊正剛 于 哲

江蘇省分布式光伏及應(yīng)用工程中心 陳 維 趙鳳閣 栗 娜

為解決分布式光伏電站接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)而導(dǎo)致企業(yè)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)降低的問(wèn)題，采用理論分析和長(zhǎng)期實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究，提出解決方向。比對(duì)多種類型無(wú)功補(bǔ)償方案，綜合考慮性價(jià)比和可操作性，選擇采用具有抗諧波功能的低壓無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。方案實(shí)施并對(duì)改造后的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。研究結(jié)果表明，在企業(yè)低壓側(cè)母線接入384kVar具有抗諧波功能的低壓無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，企業(yè)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)能達(dá)到0.9以上，從而避免了供電公司對(duì)企業(yè)的罰款，對(duì)促進(jìn)分布式光伏發(fā)電應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。

分布式光伏電站；關(guān)口計(jì)量點(diǎn)；功率因數(shù)；抗諧波；無(wú)功補(bǔ)償

0　引言

隨著社會(huì)發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程加快，能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)加劇，采用化石能源所產(chǎn)生的環(huán)境污染與人們的低碳生活相矛盾，利用可再生能源成為人們追求的目標(biāo)，其中，太陽(yáng)能作為清潔能源，取之不盡用之不竭，成為理想的選擇，以晶體硅基為主流的光伏電池和組件得到工業(yè)化發(fā)展，技術(shù)成熟，配套政策完善，國(guó)家鼓勵(lì)和支持光伏發(fā)電應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)飛速發(fā)展，西部地區(qū)光照資源豐富，因此大量的集中型電站在西部建設(shè)，然而西部市場(chǎng)消納困難，特高壓線路配套失衡，富余電力無(wú)法外送，光伏電站棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，成為制約西北地區(qū)光伏新能源進(jìn)一步發(fā)展的最大瓶頸［1］。而分布式光伏發(fā)電主要建設(shè)在企業(yè)、居民、公共建筑屋頂或其它用電負(fù)荷附近區(qū)域，所發(fā)電力就近消納，適合企業(yè)和居民較多的中東部地區(qū)，分布式光伏電站具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等特點(diǎn)［2］，依據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的光伏十三五規(guī)劃意見(jiàn)稿顯示，十三五分布式光伏電站規(guī)劃累計(jì)將達(dá)到70GW，分布式光伏具有廣闊的發(fā)展空間。

隨著分布式光伏電站的發(fā)展，所帶來(lái)的問(wèn)題也日益凸顯，分布式光伏電站通常采用380V或10KV電壓等級(jí)接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)或公共配電網(wǎng)［3］，由于用電企業(yè)本身的設(shè)備，例如高頻爐、中頻爐等可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重諧波［4］，干擾光伏電站的正常運(yùn)行，同時(shí)，光伏電站一般通過(guò)逆變器將直流轉(zhuǎn)化為交流電后直接接入電網(wǎng)或通過(guò)升壓變接入電網(wǎng)［5］，這類電力電子器件的頻繁開(kāi)通和關(guān)斷，容易產(chǎn)生諧波污染［6-7］，其中尤其是分布式光伏電站采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)、就近消納接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，導(dǎo)致用電企業(yè)功率因數(shù)下降［8］，甚至低于電力系統(tǒng)門檻值而遭到供電公司罰款［9］，嚴(yán)重影響了分布式光伏電站的應(yīng)用和投資回報(bào)。

本文針對(duì)采用自發(fā)自用，余電上網(wǎng)，就近消納接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的典型分布式光伏電站案例進(jìn)行研究，理論分析導(dǎo)致企業(yè)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)下降的原因，對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，優(yōu)化解決方案，對(duì)優(yōu)化后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)。

1. 光伏接入對(duì)功率因數(shù)的影響分析

1.1主系統(tǒng)圖

光伏接入的企業(yè)為35kV廠區(qū)進(jìn)線，共三臺(tái)變壓器，其中兩臺(tái)35kV/400V，容量1600kVA電力變壓器及2200kVA電爐專用變壓器1臺(tái)。光伏電站以380V電壓等級(jí)接入380V廠區(qū)用電系統(tǒng)，兩臺(tái)電力變壓器低壓側(cè)均有電容無(wú)功補(bǔ)償，系統(tǒng)主接線，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)主接線圖Fig.1 Main system connecting diagram

其中，光伏電站裝機(jī)容量1.33MW，采用37臺(tái)規(guī)格為30KW的組串式逆變器和10臺(tái)規(guī)格為20KW的組串式逆變器。

1.2理論分析

1.2.1光伏接入前功率因數(shù)的分析

在光伏接入電網(wǎng)之前，用電企業(yè)所需的有功全部來(lái)自電網(wǎng)，即：

而用電企業(yè)所需的無(wú)功一部分來(lái)自電網(wǎng)，當(dāng)功率因數(shù)不滿足要求時(shí)，企業(yè)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備自動(dòng)投運(yùn)補(bǔ)償［10-13］，即：

所以其功率因數(shù)：

1.2.2光伏接入后功率因數(shù)的分析

光伏接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)后，用電企業(yè)消耗的有功優(yōu)先來(lái)自光伏電力，當(dāng)光伏電力不能滿足用電負(fù)荷要求時(shí)，電網(wǎng)補(bǔ)充供電，即：

而用電企業(yè)所需的無(wú)功包括兩方面［14］，用電企業(yè)負(fù)載所需的無(wú)功和變壓器運(yùn)行時(shí)所需消耗的無(wú)功，則：

所以其功率因素：

通過(guò)光伏接入前后的理論比較與分析，可以得出：當(dāng)用戶的負(fù)載保持相對(duì)穩(wěn)定時(shí)（即Pf、Qf一定），隨著光伏的接入，系統(tǒng)提供給用電企業(yè)的有功功率降低，而此時(shí)逆變器不提供無(wú)功容量，在這種情況下，會(huì)導(dǎo)致用電企業(yè)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)降低［15］。

1.3光伏接入前后數(shù)據(jù)分析

光伏電站裝機(jī)容量1.33MW，采用組串式逆變器，380V電壓等級(jí)接入，于2015年4月中旬投入運(yùn)行，針對(duì)供電公司電費(fèi)清單數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如圖2所示：

圖2 光伏接入對(duì)功率因數(shù)與有功消耗影響Fig.2 The impact of PV operation to Power Factor & Active energy consumption

由圖2可見(jiàn)，2015年4月中旬投入運(yùn)行后，企業(yè)負(fù)載從公網(wǎng)獲得的有功減少，關(guān)口計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)下降。

針對(duì)用電企業(yè)負(fù)荷不均進(jìn)而可能影響功率因數(shù)的情況進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)用電企業(yè)白天和晚上負(fù)載消耗有功情況，如圖3所示：

圖3 企業(yè)白天和晚上用電情況對(duì)比Fig.3 Electricity usage comparison for day and night

由圖3可見(jiàn)，該企業(yè)晚上用電量明顯大于白天用電量，且11月和12月為用電量較多月份。

由于光伏電站只在白天發(fā)電，而光伏電站所發(fā)電力占企業(yè)用電的比例多少，將影響企業(yè)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)大小。本文統(tǒng)計(jì)分析2015年8月份至2016年3月份，光伏發(fā)電量占企業(yè)用電量比例和企業(yè)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)，如圖4所示：

圖4 光伏發(fā)電占比與功率因數(shù)的關(guān)系

Fig.4 Electricity usage Relation between Proportion of PV energy & usage and Power Factor由圖4可見(jiàn)，光伏發(fā)電占企業(yè)用電比例越大，關(guān)口計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)越低，兩者成反向趨勢(shì)。

2. 方法

2.1企業(yè)現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償裝置及主變配置

表1 企業(yè)無(wú)功補(bǔ)償及主變現(xiàn)狀Table 1 Static Var Compensator Condition of Enterpris

針對(duì)分布式光伏電站接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)導(dǎo)致企業(yè)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)下降的理論和實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，影響功率因數(shù)降低的主要原因是用電企業(yè)用電量白天和晚上分布不均衡，晚上比白天用電量多，且光伏電站只在白天發(fā)電，加上企業(yè)無(wú)功補(bǔ)償存在缺口，進(jìn)而導(dǎo)致企業(yè)關(guān)口點(diǎn)功率因數(shù)下降。

2.2無(wú)功補(bǔ)償缺口

根據(jù)電費(fèi)清單統(tǒng)計(jì)分析，按照極限功率因數(shù)1為基準(zhǔn)，無(wú)功補(bǔ)償缺口最高達(dá)320kVar，由圖5所示：

圖5 無(wú)功補(bǔ)償缺口Fig.5 Lack of Static Var Compensation

由圖5可見(jiàn)，無(wú)功功率和功率因數(shù)從4月份開(kāi)始有所下降，可能與企業(yè)季節(jié)用電負(fù)荷有關(guān)。

2.3方法選擇

基于上述理論和數(shù)據(jù)的研究，解決分布式光伏電站接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，造成功率因數(shù)下降的問(wèn)題，擬增加無(wú)功補(bǔ)償裝置，考慮企業(yè)中頻爐等特種設(shè)備的影響，要求無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備具有抗諧波干擾能力。

表2 無(wú)功補(bǔ)償方案Table 2 Static Var Compensation

綜合考慮各種方案的經(jīng)濟(jì)性和可行性，采用第3種方案。

2.4方案實(shí)施

采用兩臺(tái)無(wú)功功率補(bǔ)償柜拼接至配電房低壓側(cè)母線，具體單臺(tái)無(wú)功功率補(bǔ)償柜配置如表3所示：

表3 無(wú)功補(bǔ)償柜組成Table 3 Component of Static Var Compensation cabinet

新增無(wú)功功率補(bǔ)償柜接入如圖6所示：

圖6 無(wú)功功率補(bǔ)償柜接入圖Fig.6 Connection of Static Var Compensation cabinet

3. 結(jié)果分析

2015年12月進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償改造，對(duì)供電公司2015年1月至2016年2月電費(fèi)清單進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖7所示：

圖7 無(wú)功補(bǔ)償改造前后結(jié)果比較Fig.7 Results comparison before and after Static Var Compensation improvement

由圖7可見(jiàn)，12月份進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償改造后，功率因數(shù)達(dá)到0.9以上，滿足供電公司要求。

對(duì)2015年8月至2016年3月的每天用電企業(yè)白天功率因數(shù)和晚上功率因數(shù)的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)，統(tǒng)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償改造前后的功率因數(shù)改善情況，如圖8所示。

由圖8可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)2015年12月無(wú)功補(bǔ)償改造后，2016年1月開(kāi)始，企業(yè)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)較之前有明顯提高，超過(guò)0.9，達(dá)到供電公司要求，驗(yàn)證了無(wú)功補(bǔ)償改造的效果，而且晚上的功率因數(shù)整體高于白天的功率因數(shù)，這也驗(yàn)證了白天光伏發(fā)電對(duì)功率因數(shù)的不良影響。

圖8 無(wú)功補(bǔ)償改造前后功率因數(shù)改善Fig.8 Power factor improvement before and after Static Var Compensation improvement

4. 結(jié)論

（1） 針對(duì)典型的分布式光伏電站，接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)、就近消納的模式，通過(guò)理論分析以及長(zhǎng)期數(shù)據(jù)采集分析，可知光伏發(fā)電會(huì)導(dǎo)致企業(yè)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)下降，甚至?xí)獾焦╇姽玖P款，對(duì)分布式光伏電站的發(fā)展不利。

（2） 很多用電量大的企業(yè)，負(fù)載容易對(duì)企業(yè)本身的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備產(chǎn)生干擾和危害，針對(duì)典型企業(yè)，比對(duì)不同的無(wú)功功率補(bǔ)償方案，選擇性價(jià)比較高的帶有抗諧波功能的低壓無(wú)功功率電補(bǔ)償設(shè)備，可操作性強(qiáng)，適合推廣。

（3） 針對(duì)改造后的無(wú)功補(bǔ)償效果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，企業(yè)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的功率因數(shù)有明顯提升，功率因數(shù)在0.9以上，滿足供電公司的要求，充分說(shuō)明了通過(guò)低壓側(cè)增加具有抗諧波功能的無(wú)功補(bǔ)償裝置具有一定的工程實(shí)用價(jià)值，有利于分布式光伏電站的推廣應(yīng)用。

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楊正剛【通信作者】（1980—），男，湖北大冶人，碩士，中級(jí)職稱，主要研究方向：光伏系統(tǒng)工程應(yīng)用。

于哲（1987—），男，大學(xué)本科，主要研究方向：光伏系統(tǒng)工程應(yīng)用。

陳維（1977—），男，博士后，主要研究方向：分布式光伏發(fā)電應(yīng)用研究。

趙鳳閣（1982—），男，大學(xué)本科，主要研究方向：光伏系統(tǒng)工程應(yīng)用。

栗娜（1986—），女，碩士，主要研究方向：材料應(yīng)用。

Impact Analysis for Power Factor When Distributed PV Power Station Connecting to Internal Electric Power Grid in Enterprise

YANG Zhenggang1，YU Zhe1，CHEN Wei2，ZHAO Fengge2，LI Na2
（1.CSBU，Trina Solar，Changzhou 213002，China；2.Distributed Photovoltaic and Application Engineering Center of Jiangsu Province， Trina Solar，Changzhou 213002，China）

To solve the problem of power factor reduction at gateway when distributed photovoltaic（PV）power station connecting to enterprise internal electric grid，using theoretical analysis and actual system operation data statistics research for a long time，puts forward the direction.Compared various types of reactive power compensation method，based on comprehensive consideration of cost performance and operability，choose to adoptwith the low voltage reactive power compensation device with elimination harmonic function.Implementing and statistically analyzing the operation data.The research results show that when the low voltage reactive power compensation device of elimination harmonic function with 480 kVar，power factor at gateway can reach above 0.9，fines for enterprises，so as to avoid the penalty by electric power supply company.All these have practical significance for promoting distributed photovoltaic applications.

distributed PV power station；gateway；power factor；elimination harmonic；reactive compensation

工信部電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金資助項(xiàng)目（財(cái)建［2014］513號(hào)、工信部財(cái)［2014］425號(hào)）；分布式光伏系統(tǒng)大規(guī)模集成應(yīng)用研究項(xiàng)目。