光伏发电并网对用户功率因数的影响研究

第3卷第10期智能电网Vol.3No.102015年10月SmartGridOct.2015DOI：10.14171/j.2095-5944.sg.2015.10.004文章编号：2095-5944(2015)10-0906-05中图分类号：TM71文献标志码：A光伏发电并网对用户功率因数的影响研究郭松，王睿，张唯真，温镇，沈建强(国网嘉兴供电公司，浙江省嘉兴市314001)EffectofGrid-connectedPhotovoltaicPowerGenerationonCustomerPowerFactorGUOSong,WANGRui,ZHANGWeizhen,WENZhen,SHENJianqiang(StateGridJiaxingPowerSupplyCompany,Jiaxing314001,ZhejiangProvince,China)ABSTRACT:Withtheincreasingmaturityandpopularizationofphotovoltaic(PV)powergenerationtechnology,thenumberofusersofPVpowergenerationisincreasing,andtheproblemofthedecreasingofthecustomerpowerfactorcausedbyPVgridgraduallystandsout.Decreasingofthepowerfactornotonlyaffectsthenormalandstableoperationofthegrid,butalsoaffectsthepowergridsecurity,damagespowerequipment,andlowpowerfactorwillgenerateforceofelectricity,increaseelectricityexpenditureandseriouslyaffecttheeconomicbenefits.Inordertosolvetheproblem,thereasonsfortheinfluenceofPVequipment(boostconverter,inverter,etc.)onPVgridcustomerpowerfactoraresummarizedbycollectingandanalyzingthedatainpowerconsumptioninformationcollectionsystemandthespecificcase.Powerfactoradjustmentschemeisputforwardfromtwoaspects:equipmentcommissioningandequipmentreplacement.ThishasguidingsignificancefortheconfigurationofuserequipmentinPVgrid.KEYWORDS:photovoltaicpowergeneration;powerfactor;staticvarcompensator;forceofelectricity摘要：随着光伏发电技术的日益成熟与普及，光伏发电用户数不断增多，光伏并网引起用户功率因数下降的问题也逐渐凸显。功率因数的下降不仅影响电网的正常稳定运行，危害电网安全，损害用电设备，而且功率因数过低将产生力调电费，加大电费支出，严重影响经济效益。为解决这一问题，通过收集、分析用电信息采集系统数据及具体案例，总结光伏设备(升压变、逆变器等)对光伏并网用户功率因数产生影响的原因，并从设备调试、设备更换两方面提出功率因数调整方案，对光伏并网用户设备配置具有一定的指导意义。关键词：光伏发电；功率因数；无功补偿；力调电费0引言近年来，光伏发电技术日益成熟，国家对于光伏产业大力支持，对光伏发电用户大力补贴，光伏发电逐步走入民用。可以预见的是，随着民众对光伏发电认知度的不断提升，以及规模化生产及行业竞争带来的成本降低，将会有更多的企业及居民加入光伏并网的行列。在这种情况下，做好相应的技术规范及技术支撑成为必须要解决的问题[1]。光伏发电的一项重要技术难题就是并网后对电网的影响，主要反映在功率分布的不均衡，产生的谐波危害电网运行，使光伏并网后功率因数下降等。随着光伏用户的不断增加，有越来越多的光伏并网用户反映，在并网接入系统后，用户功率因数有明显降低，通过采集系统查询，比对并网前后功率因数，发现用户反映情况确实存在。从出现功率因数显著下降的光伏并网用户情况可看出，该部分用户多为光伏发电容量大于(或接近)用电配变容量，且光伏在高压侧并网的电力用户。由于功率因数的降低，用户在不同程度上存在力调电费损失情况。本文以数据统计及案例分析为工具，分析光伏并网功率因数下降的原理，并针对产生的原因提出可行的解决方案，对于用户侧光伏设备配置有一定的指导意义。1功率因数与力调电费1.1功率因数功率因数是衡量用户电气设备效率高低的一个系数，功率因数过低会降低电网的运行效率。功第3卷第10期智能电网907率因数的计算通过用户有功电量和无功电量的数值取得，一般来讲，无功电量比例越高则功率因数越低，所以，提高功率因数的一个重要手段就是加装无功补偿装置，以降低无功功率。1.2力调电费根据水利电力部、国家物价局《功率因数调整电费办法》(水电财字215号文件)规定，容量在100kV·A及以上的电力用户均须进行功率因数考核，未达到考核标准将加收功率因数调节费(即力调电费)，超过考核标准的按超过比例进行奖励。用户功率因数考核标准为0.85或0.90，若功率因数远低于标准，不仅会造成电网运行负担，同时力调罚款数量也会十分巨大。由于用户负荷与负荷性质于每日的不同时段不一定一致，用户一般会加装带有自动投切功能的无功补偿(多为电容性设备)装置，自动调整补偿力度。功率因数考核与力调电费是保障电网安全高效运行的有效手段，是鼓励用户自主调整功率因数的制度保障。光伏发电的试点与推广是国家能源战略的重要环节，也是国网发展的必由之路，因光伏接入造成未预计的力调罚款，不仅会阻碍光伏发电的推广，同时也使用户对供电企业的信任度有所下降。2光伏并网功率因数分析光伏发电的典型接入模式为“自发自用，余电上网”：在用户原有配电设施上进行接入，光伏发电板通过逆变器整流输出交流电，并经过升压变接入高压侧并网。光伏并网用户有两块计量表计：一块为用户并网表，计算电网与用户结算的总电量；另一块表为光伏发电表计，计量通过光伏设备发出的电能量，用以计算国家补贴[2]。该模式下，用户并网表计量的电量实际为用户总用电量减去光伏发电量。可以看出，光伏容量接近用电容量时，并网侧表计计量的电量将大量减少。选取极端情况，在用户用电量与光伏发电量恰好持平的情况下，光伏逆变器仅输出纯有功功率，则电网不对用户输出有功功率，而电网同时需要对用户输入无功功率，此时该用户功率因数降为0。从光伏用户用电特性来看，光伏发电晚间不工作，输出功率随日照强度而变化，一般情况下，用电负荷从早上开始逐步升高，至中午达到最高，并于傍晚逐步下降为0。一天内光伏并网用户负荷变化如图1所示。同一天内，用户对应的功率因数变化情况如图2所示。图1光伏并网用户当日负荷曲线图Fig.1DailyloadcurveofthePVgridusers图2当日功率因数曲线图Fig.2Curveofdailypowerfactor从以上分析可以看到，光伏并网容量接近用电容量时，可能会造成用户功率因数大幅下降，从而危害电网安全运行，同时产生力调罚款，对供用电双方产生损失。传统的用户功率因数补偿自动投切装置是根据常规用户负荷性质稳定的特性而制定的，且投切并非平滑变化；而是以投入电容器的数量决定补偿容量，在功率因数过低时无法有效触发投切[3]。3光伏并网用户案例分析为进一步分析功率因数下降的原因，选取了下降幅度较大的某电动车制造企业光伏项目作为案例，用户光伏发电容量高于用电配变容量。3.1供配电情况该用户为电动自行车制造行业，厂房内设有一座10kV高配房，配变容量1250kV·A，配置有1台1250kV·A的变压器，无功补偿电容容量为500kvar。由110kV变电站10kV出线为其提供一路电源。该用户2013年最高负荷约为1170kW，平均负荷约为766kW。2014年在截止到光伏接入日前(7908郭松等：光伏发电并网对用户功率因数的影响研究Vol.3No.10月2日)，最高负荷为1293.6kW，平均功率因数为0.952。用户计量方式为高压侧计量。3.2光伏接入情况该用户在2014年7月2日并网光伏容量1680kW，分为2台500kW逆变器与1台630kW逆变器。采用逆变器输出后经过升压变汇流接入用户内部10kV母线的方式。该用户光伏设备接入方式如图3所示。图3光伏并网接入图Fig.3DiagramofthestructureofPVgrid-connectedsystem该用户2014年7月2日并网发电，选取6—8月份电量数据作比较，如表1所示。从表1可看出，在光伏接入前的一个月，用户功率因数达到0.94，情况良好。光伏接入日(7月2日)正好处于7月抄表的中间时段，相比上月，有功电量和无功电量都有所下降。功率因数也略微下降(0.93)。8月作为光伏接入后的完整抄表时段，有功电量持续下降，但无功电量有所上升，功率因数持续大幅降低，未达到考核值0.9，造成力调电费罚款。表16—8月电量变化表Tab.1ElectricquantityfromJunetoAugust月份有功电量/(kW·h)无功电量/kvar功率因数力调电费/元考核值6月6110702228250.94–2637.290.97月5080051991700.93–1665.378月4629002453250.883308.81该户光伏负荷有效出力区间为5:30—18:00，除6:00左右因投切造成的微小扰动，有功输出基本成一个正弦半波的形式，无功输出基本为0。关口计量位置的有功负荷与光伏有功出力成反向形式，无功负荷在光伏有效出力区间内有所上升。相应的在光伏有效出力区间内功率因数也达不到考核定值0.9，下降幅度巨大，且因光伏负荷的波动性产生波动。在光伏不出力时间段，功率因数则保持良好。比较可以初步判断：光伏接入确实是该用户功率因数变化的主要影响因素。4无功功率分析4.1普通用户无功分析1）用户生产所需的有功功率P负载=P系统；2）用户生产所需的无功功率Q负载=Q系统+q补；3）功率因数cosΦ=cos(arctan(Q系统/P系统))=cos(arctan(Q负载–q补)/P负载)。可以看到，无功补偿越接近负载无功，即用户整体负载属性趋近于纯电阻，功率因数越接近1。4.2光伏并网无功分析1）用户生产所需的有功功率P负载=P系统+P光；2）用户生产所需的无功功率Q负载+Q*升压=Q系统+q补+q光，其中Q*升压为具有升压变的光伏电站升压变运行所需消耗的无功功率；3）功率因数cosΦ=cos(arctan(Q系统/P系统))=cos(arctan(Q负载+Q*升压–q补–q光)/P负载–P光)。通过比较，可以看出：在用户生产所需负荷一定的情况下(P负载、Q负载不变，q补作为用户已有电容第3卷第10期智能电网909也不变)，则光伏接入后P系统(=P负载–P光)会变小，为保证功率因数保持良好，则Q系统(=Q负载+Q*升压–q补–q光)也需要相应变小才能满足要求。通过8月30日负荷曲线可大致发现，该用户光伏所发无功功率q光基本为0，则有：1）在用户生产运行负荷不变的情况下(P负载、Q负载不变，q补作为用户已有电容也不变)P系统(=P负载–P光)会变小(由于该用户光伏装机已大于原有配变容量，即P光数值很大，相应的P系统减小幅度很大)；2）Q系统=Q负载+Q*升压–q补–q光(该用户q光=0，有1000和630kV·A升压变)，则Q系统会变大；3）功率因数cosΦ在双重影响下会大大降低。光伏