如何解決工商業(yè)光伏電站功率因數(shù)和無功補償問題

眾所周知，光伏發(fā)電發(fā)出的是直流電，本身不存在無功或功率因數(shù)的問題，但是光伏發(fā)電經(jīng)逆變器轉換成交流電網(wǎng)后會與電網(wǎng)在匹配上產(chǎn)生一系列的問題，無功功率的問題就是其中一個主要的問題。

實際上光伏電站的接入方式不同，體現(xiàn)出來的無功的問題也是有很大的不同。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為高壓電網(wǎng)側接入的大型光伏電站和用戶側接入的分布式光伏電站。由于接入方式和電網(wǎng)內(nèi)負荷情況不同，其反映出來的無功功率的問題和無功補償?shù)囊笠彩峭耆灰粯拥?，應該按實際情況采取措施。

1、高壓電網(wǎng)側接入的大型光伏電站

此類電站常采用專線設計，將電站電力直接接入到上一級變電站的變壓器。因此此類電站的無功問題較小，也比較簡單。白天，當光伏電站發(fā)電時，光伏電站和變電站之間由于沒有其他負載，上一級升壓變壓器的電感就是網(wǎng)內(nèi)無功功率的主要因素，但是由于白天發(fā)電量較大，變壓器處于幾乎滿負荷運行，因此無功功率比例就比較小，大部分光伏電站都能夠達到電網(wǎng)的要求。

但是在夜間，光伏電站逆變器處于停止運行狀態(tài)，而站內(nèi)變壓器卻始終連接著高壓電網(wǎng)，這個時候，站內(nèi)變壓器就變成了一個電感性負荷，不僅會空載消耗一部分有功電力，還會在電站和上級變電站的高壓回路里產(chǎn)生無功損耗。大型光伏電站的外送電纜線路、主變壓器輕載運行會產(chǎn)生無功。通?？刹捎迷谠诟邏耗妇€增加一組無功補償器，用于吸收夜間線路產(chǎn)生的無功功率，使光伏電站夜間功率因數(shù)滿足電網(wǎng)的要求。

大型光伏電站高壓母線增加無功補償示意圖

2、用戶側接入的分布式光伏電站

無功功率因素問題是近年來分布式光伏電站上網(wǎng)遇到的比較突出的問題，特別是工商業(yè)光伏電站。由于此類電站通常都接入到企業(yè)內(nèi)部低壓或中壓電網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)所接用電設備繁多，特別是電機等電感性負載較多。在原來沒有安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)時，網(wǎng)內(nèi)的無功補償系統(tǒng)是根據(jù)電網(wǎng)的有功供電功率和網(wǎng)內(nèi)的無功功率來自動調節(jié)補償?shù)?，因此網(wǎng)內(nèi)的無功問題可通過該網(wǎng)內(nèi)設置的無功補償設備達到自動補償?shù)哪康?，使得網(wǎng)內(nèi)無功功率滿足電網(wǎng)的要求。

當網(wǎng)內(nèi)接入了光伏發(fā)電系統(tǒng)后，就意味著網(wǎng)內(nèi)有了第二個甚至多個電源，光照強烈時，光伏發(fā)電系統(tǒng)將會發(fā)出強大的電力，大大降低電網(wǎng)的電力供應負荷，用電電表顯示的有功功率會隨著光伏系統(tǒng)功率增大而減小，甚至會產(chǎn)生光伏發(fā)電余電外送的情況。而這個時候如果網(wǎng)內(nèi)的負載不變，特別是感性負載比較大時，網(wǎng)內(nèi)原配的無功補償系統(tǒng)就會根據(jù)大電網(wǎng)的供電負荷與用電負荷做出錯誤的指令和動作，導致網(wǎng)內(nèi)無功功率的比例上升，從而導致功率因數(shù)減小。

近年來，很多安裝光伏的企業(yè)因為用戶側電網(wǎng)的功率因數(shù)達不到電網(wǎng)公司的要求而被電網(wǎng)公司收取高額的力調電費。

工商業(yè)用戶電費結構

為了解決這個問題，除了確保電網(wǎng)原配無功補償裝置配置無誤，安裝正確，運行良好外。對于配接容量大于變壓器容量50%的光伏發(fā)電系統(tǒng)，同時網(wǎng)內(nèi)有較多電機等電感性負荷的情況，應特別注意光伏并網(wǎng)點的選擇，如果條件容許，應將光伏發(fā)電的接入點設置在原無功補償設備的前端A點(如下圖所示)，這樣的連接方式可以充分利用原有無功補償系統(tǒng)，降低投資。

光伏發(fā)電接入點設置在原無功補償設備的前端示意圖

但是如果因為光伏電站的建設場地距A點較遠，或由于某些其他原因，無法在A點接入，而不得不選在B點或其他部位接入時，原有無功補償設備的采樣點雖然能感知到網(wǎng)內(nèi)無功功率的情況，但是它參考的是電網(wǎng)的供電功率，無法感知到光伏發(fā)電的輸出功率，可能不能滿足正確調節(jié)無功功率的功能。

要解決這個問題，就必須另外為這套光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝專用的無功補償設備，通常這套無功補償設備宜安裝在在光伏電站的輸出側，以補充光伏發(fā)電系統(tǒng)缺乏大容量無功補償?shù)哪芰?，滿足電網(wǎng)的需求。

光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出側加裝無功補償裝置示意圖

大部分工商業(yè)光伏逆變器都具備20%左右的功率因數(shù)調節(jié)能力，對于網(wǎng)內(nèi)光伏發(fā)電的安裝容量較小，且網(wǎng)內(nèi)感性負載較少的系統(tǒng)，可以不用考慮無功補償設備的問題，可以通過逆變器來提供一部分無功補償?？墒钱斁W(wǎng)內(nèi)無功功率太大，超過了逆變器的承受和調節(jié)能力，配置適量的無功補償設備就成了提高電網(wǎng)效率和光伏電站的有效發(fā)電量的主要手段。

工商業(yè)逆變器的無功補償能力曲線

從光伏系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的角度來講，也是盡量將光伏發(fā)電的并網(wǎng)點選擇在靠近變壓器的地方，離變壓器越近的地方電壓越穩(wěn)定，遠離變壓器的電網(wǎng)末梢，電壓波動就越大。頻繁的電壓、功率波動，都會導致無功補償裝置無法正常運行或產(chǎn)生誤動作。

小結

功率因數(shù)問題是很多光伏電站，特別是工商業(yè)光伏電站存在的重要問題之一，要在設計環(huán)節(jié)就充分考慮原有變壓器、無功補償裝置、傳輸線纜、負載類型和功率等問題。對于用戶側并網(wǎng)的工商業(yè)光伏電站要重視接入點的位置，確保無功補償裝置能正常發(fā)揮作用，電能質量達到電網(wǎng)的要求，使光伏電站高效穩(wěn)定運行，達到最大經(jīng)濟效益。