分布式光伏不同并网方式下的用户侧功率因数分析

2018-07-11张千斌曹娟娟

浙江电力 2018年6期

曾　鑫，郑　伟，陈　捷，张千斌，陈　瑜，曹娟娟

（国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江　湖州　313000）

0　引言

分布式光伏发电为清洁可再生能源，具有就地消纳、减轻环境污染[1]等优点，但分布式光伏发电输出功率受气候影响大，具有典型的昼夜特性。随着企业屋顶光伏数量的增多，分布式光伏并网发电与原有电网兼容性问题日益显现，尤其是光伏设备接入后，原用户侧计量关口功率因数达不到考核标准，容易引发屋顶所有者和光伏投资商之间的纠纷，降低用户对电网公司的信任度[2-5]。光伏的接入与售电侧用户变压器的功率因数密切相关，进行分布式光伏的并网容量管理和接入方式优化有利于分布式光伏的健康发展。

1　功率因数与考核标准

功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标[6-8]。功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。目前电力系统考核执行标准是取一个抄表周期内的电量数据来计算平均功率因数。

从技术和管理的角度出发，目前某地区执行标准为：容量在500 kVA及以上的专用变压器用户采用“高供高计”的计量方式，容量在500 kVA以下的用户采用“高供低计”的计量方式。对于“高供低计”的计量方式，在计算功率因数时需计及变压器的有功、无功功率损耗。“高供高计”的计量方式考核第一、四象限无功，“高供低计”的计量方式考核第一象限无功。

2　光伏并网方式

目前，用户可自由选择“自发自用，余电上网”和“全额上网”2种光伏发电典型接入模式，选择“全部自用”和“自发自用，余电上网”并网模式运行的项目，光伏发电经逆变至并网柜接入用户侧原有配电设施，用户不足用电量由电网提供；选择“全额上网”运行模式的光伏项目，光伏发电经逆变就近接入公共电网，关口装设双向计量电能表，分别计量上网电量和用户用电量。

10 kV及以上电压等级分布式光伏发电并网点如图1所示，用户内部电网通过公共连接点E与公共电网相连。在用户电网内部，有3个光伏发电系统，分别通过A点、B点、C点与用户电网相连，A点为通过10 kV接入用户电网的并网模式，B点、C点均为通过380 V接入用户内部电网即低压余电上网模式。在F点，由光伏发电系统直接与公用电网相连即全额上网模式。

图1　10 kV及以上电压等级分布式光伏发电并网点

并网点A是35 kV降压站35 kV母线并网间隔、35 kV降压站10 kV母线并网间隔、用户10 kV开关站并网间隔或者10 kV降压站10 kV母线并网间隔，并网点B是接入35 kV用户降压站低压配电室400 V并网间隔或者10 kV用户降压站低压配电室400 V并网间隔，并网点C是用户降压站380 V/220 V配电柜。

3　光伏接入点与容量管理

3.1　分布式光伏接入“高供低计”用户内部并网点

对于“自发自用，余电上网”的并网运行方式，原用户配电房一般会按照变压器容量加装带有自动投切功能的无功补偿装置（多为电容性设备），自动调整补偿力度。设用户负荷S=P+jQ，功率因数角为θ，光伏出力Sg=Pg+jQg，光伏接入用户侧前后的运行向量图如图2所示。现场逆变器的功率因数多设置为1，一般认为光伏无功出力为0，定功率因数1运行，因此可认为光伏接入前后用户无功负荷保持不变。

光伏接入前后用户侧的功率因数分别为：

图2　分布式光伏接入用户侧前后的运行向量图

从图2可以看出，光伏接入后用户侧的功率因数肯定小于光伏接入前。要想达到接入前的功率因数，无功补偿装置需多投入Q-Q′的无功量。光伏接入量越接近变压器容量，无功缺额越大，原本按用户负荷性质配置的电容柜可能无法满足这么大缺额的无功需求，需进行无功装置的改造。否则，从力率调整电费（以下简称力调电费）的角度来评估，光伏接入前后的差异将很可观。

考虑原用户无功补偿装置的无功补偿采样点在低压进线总柜断路器下桩头母排出线侧，采用10 kV接入用户内部电网的分布式光伏不影响无功补偿装置采样点数据信息，这里主要针对分布式光伏接入“高供低计”用户内部并网点进行分析。

如图3所示，方案a中光伏出力经逆变后由并网柜低压电缆引出接入用户变压器低压进线总柜断路器下桩头，方案b为原用户配电房低压柜母排延伸，光伏并网柜母排和延伸母排拼接并网。

图3　方案a和b的光伏并网接入对比

以方案a并网时，经低压总柜采样互感器获取的采样电流没有变化，无功补偿装置仍按照实

光伏接入之后的无功补偿采样信号：际负荷情况正常投退，但可能出现无功补偿容量配置不足的问题。

以方案b方式并网时，当光伏的有功出力接近有功负载时，P－Pg接近于0，无功补偿采样点的电流大幅下降，基波电流减少，谐波电流比例上升，超过了谐波电流设定限值，此时无功补偿控制器出现报警而电容柜退出运行，功率因数会下降。极限情况下光伏有功出力等于无功出力，功率因数为0，无功补偿无法发挥作用。当P－Pg<0，即光伏有功出力大于有功负载，电能表运行在第二象限，此时整个用户系统是在发出有功、吸收无功的状态。按照《功率因数调整电费办法》规定，第二象限无功并不参与力调电费的考核。

3.2　分布式光伏接入“高供高计”用户内部并网点

为防止继电保护出现保护盲区，工作中不允许将大容量分布式光伏人为拆分为多个400 kV及以下电压等级的单点容量后在0.4 kV并网，而“高供高计”计量方式下的用户变压器容量通常较大，故通常采用低压接入用户内部方式的光伏并网容量较用户变压器容量小很多，且不计变压器损耗，不论采用哪种并网方案均不会引起功率因数发生明显变化；而以与高压母排拼接方式并网时，经无功补偿装置采样互感器的采样电流不变，无功补偿装置正常动作，对用户侧功率因数无较大影响。

3.3　接入容量管理

目前分布式光伏接入容量管理的总体原则为：400 V接入用户内部电网应不超过用户变压器容量和线路的载流量，可以考虑光伏80%的出力；高压接入应不影响电流互感器的计量准确性，不由于光伏的接入而更换用户的用电计量互感器。但实际操作中发现此原则对于部分特定情况不适用，容易出现无功补偿失配问题。

以特征用户为例进行说明。特征用户是指用户变压器容量满足以下特征条件：

（1）计量方式为“高供低计”，计变压器损耗。

（2）根据浙价资[2017]107号文件计收两部制电费的大工业用户。

（3）生产时段与光伏出力时段相近。

（4）光伏接入容量接近用户变压器容量或者光伏出力接近用户负荷情况。

对应的功率因数：

式中：Pb，Qb分别为变压器的有功、无功损耗；Qc为电容柜无功出力。

这种情况下P-Pg≈0，考虑电容柜运行良好，认为负载无功Q实现完全补偿，可以忽略不计。变压器基本相当于空载运行，无功空载损耗通常是有功损耗的10倍，此时对应的功率因数为0.1。

目前电费由目录电度电费、基本电费、力调电费和代征电费组成，力调电费=（目录电度电费+基本电费）×力调系数，则该类特征用户将产生巨额的力调电费。在前期项目可行性调研和设计时，应根据客户终端所需的容量和生产情况，综合考虑各种衡量指标，确定所要采用的发电方式，避免巨额力调电费的产生。

4　分布式光伏并网算例分析

根据现场实际情况，基于用电信息采集系统甄选典型用户进行分析。用户A，B，C，D均于2017年6月前后并网发电，相关并网参数如表1所示。用户A，B，D均为380 V并入用户内部电网，其中用户A变压器最大利用小时数低，用户B是三班制24 h不间断生产。用户C为并网柜母排延伸与用户高压柜母排拼接并网。用户A，B为“高供低计”的计量方式，需计量变压器损耗；用户C，D为“高供高计”的计量方式，不计量变压器损耗。

表1　典型用户并网参数

分布式光伏并网前后的相关数据分析情况如表2所示。抄表周期T为光伏并网后的第一个抄表周期，T－1为未接入光伏前的最后一个抄表周期。 Q1，Q2，Q3，Q4分别为用户电能表第一，二，三，四象限无功，ΔQ为变压器无功损耗。

从表2可知，在光伏接入前，用户A，B，C一直运行在第一象限，第二象限无功为0，在第T个抄表周期即光伏并网后，用户通过第二象限消耗了大量无功。“高供高计”用户考核第一、四象限无功，“高供低计”用户考核第一象限无功，无功Q2不参与功率因数考核。光伏并网后从电网侧消耗的无功远大于抄表周期T－1用户从电网侧吸收的无功，这是由于在光伏瞬时发电功率大于用户瞬时有功功率时，电能表运行在第二象限，此时电容柜并不能提供无功补偿。