華能浙江清潔能源分公司 ■ 忻一豪 夏春輝 劉磊 張萬雄

0 引言

近年來，在應(yīng)對全球氣候變暖的大背景下，大力發(fā)展可再生能源以替代化石能源已成為眾多國家能源轉(zhuǎn)型的大勢所趨，節(jié)能環(huán)保的發(fā)電方式越來越受到各國的青睞。在目前眾多備選的可再生能源類型中，太陽能無疑是最理想的能源之一，且在各國中長期能源戰(zhàn)略中占有重要地位。

分布式光伏具有因地制宜、分散布局、就地消納的特點，是未來光伏發(fā)展的重要方向，市場潛力巨大。近年來，由于國家鼓勵發(fā)展清潔能源，分布式光伏的裝機(jī)容量逐年提高，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，但是分布式光伏接入電網(wǎng)后出現(xiàn)的各種問題也日益顯現(xiàn)，其中就包括無功補償問題。

電力系統(tǒng)功率因數(shù)降低會引起許多不良情況，不利于電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行，可通過對屋頂安裝光伏組件的用戶的配電室進(jìn)行線路改造，提高用戶無功就地補償裝置運行的靈活性，提升用戶功率因數(shù)，以避免由于功率因數(shù)下降造成力調(diào)電費增加。

本文以某屋頂分布式光伏電站項目為例，針對企業(yè)接入分布式光伏后電力系統(tǒng)功率因數(shù)降低的問題，提出3種改造方案，并對各方案進(jìn)行分析優(yōu)選。

1 實際案例

1.1 企業(yè)情況

某項目廠址位于某市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，利用多家公司廠房屋頂建設(shè)分布式光伏電站。

該光伏電站每個企業(yè)用戶為1個接入點，以10 kV或380 V電壓等級接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)或公網(wǎng)，采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”或“全額上網(wǎng)”的模式。該光伏電站設(shè)計壽命為25年。

其中，某子站企業(yè)為液壓機(jī)廠，廠房屋頂鋪設(shè)了容量為302.94 kWp的光伏組件，通過逆變器、交流匯流箱后直接接入廠區(qū)低壓配電房380 V母線，采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的模式。廠區(qū)配電房380 V低壓母線配置8×16 kVar的電容器組。接線圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主接線圖

1.2 存在問題及分析

企業(yè)在接入光伏發(fā)電系統(tǒng)前，功率因數(shù)也存在力率罰款的情況，但是實際力率較標(biāo)準(zhǔn)力率差距較小，力調(diào)電費較低。在接入光伏發(fā)電系統(tǒng)后，電網(wǎng)側(cè)計量點測量廠區(qū)功率因數(shù)較接入前下降明顯，特別是在天氣晴好、光伏發(fā)電量較大時，功率因數(shù)在0.4～0.5之間，導(dǎo)致企業(yè)力調(diào)電費增加。

經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，在功率因數(shù)降低時，存在無功補償裝置無法正常投運的情況，并對這一情況進(jìn)行分析。無功補償控制器采樣點位于企業(yè)變壓器低壓側(cè)斷路器下進(jìn)線側(cè)，計量電流互感器(CT)之前，采樣方式為單相電壓、電流方向采樣，采樣點的采樣數(shù)據(jù)=電網(wǎng)側(cè)輸入功率S1+廠房用電負(fù)荷S2–光伏發(fā)電量S3[1]。

控制器以網(wǎng)側(cè)輸入功率為正，在接入光伏發(fā)電系統(tǒng)前，當(dāng)廠房用電負(fù)荷S2增加時，電網(wǎng)側(cè)輸入功率S1也增加，相應(yīng)控制器投運電容器組，以保證功率因數(shù)值。

在接入光伏發(fā)電系統(tǒng)后，廠內(nèi)負(fù)荷多數(shù)由光伏發(fā)電量S3提供；個別時間段還存在倒送電的情況，比如中午日照最好的時間段，卻是企業(yè)員工的休息時間。因此，原采樣點采樣到的數(shù)據(jù)變小，或采樣到的功率數(shù)據(jù)存在負(fù)方向倒送的情況，無功補償裝置無法及時投運。

2 解決方案及應(yīng)用

2.1 解決方案

2.1.1 方案1：一次線路改造

對企業(yè)配電房的光伏接入柜電纜進(jìn)行改接，將光伏接入電纜接入點移至企業(yè)變壓器低壓側(cè)斷路器下進(jìn)線側(cè)，無功補償裝置控制器采樣點位置不變。改造后，采樣點的采樣數(shù)據(jù)=電網(wǎng)側(cè)輸入功率S1+光伏發(fā)電量S3–廠房用電負(fù)荷S2[2]，接線圖如圖2所示。

圖2 方案1接線圖

將光伏接入點直接接入企業(yè)變壓器低壓側(cè)，該方法可以從本質(zhì)上解決功率因數(shù)降低的問題。但是改造需要企業(yè)停電，并且需要施工隊伍進(jìn)行配合，在基建期間可以實行，且成本較低。

2.1.2 方案2：更換四象限無功補償控制器

四象限無功補償控制器根據(jù)四象限無功原理(如圖3所示)，通過測量雙向的有功和無功數(shù)據(jù)，可以計算出四個象限的有功、無功功率，實時得出負(fù)載在光伏發(fā)電充足時，或光伏發(fā)電功率不足負(fù)載，需要從電網(wǎng)側(cè)吸收功率時的功率因數(shù)，準(zhǔn)確的投切電容器組。

圖3 四象限無功原理

但是更換四象限控制器需要加裝另外兩相CT，且四象限無功補償控制器價格較高，控制器安裝位置的規(guī)格可能不配套，需要另行改造，因此成本較高。

2.1.3 方案3：在光伏接入側(cè)加裝采樣CT

本方案與方案1類似，通過改造二次回路，將電網(wǎng)側(cè)輸入功率與光伏輸入功率的采樣信號并聯(lián)后接入無功補償控制器；改造后，通過二次信號的改造，接入無功補償控制器的信號等同于方案1，光伏發(fā)電接入側(cè)的功率信號與電網(wǎng)側(cè)輸入功率信號同時接入無功補償裝置控制器中，提高無功補償控制器運行的靈活性，如圖4所示。本方案改造不需要停電，較為方便。

圖4 方案3接線圖

2.2 關(guān)于加裝CT選型

原無功補償控制器采樣點所采樣的電流數(shù)據(jù)采自于流經(jīng)開關(guān)本體保護(hù)用CT的電流，由于保護(hù)用CT是根據(jù)三相短路的最大短路電流計算CT變比的，所以變比較大，該企業(yè)所用CT變比為600/5，另一家企業(yè)所用CT變比為2000/5。無功補償裝置在安裝時直接采用的是開關(guān)保護(hù)用CT所采樣的數(shù)據(jù)，由于該企業(yè)正常運行下負(fù)荷電流較小，約為100 A，所以經(jīng)過CT測量后，二次電流很小，會影響精度。必要時可加裝合適變比的CT，以最大負(fù)荷電流乘以1.2～1.3的可靠系數(shù)作為CT一次電流來選擇CT，但是要重新設(shè)定無功補償控制器的參數(shù)，這樣可提高控制器采樣的精度。

2.3 方案優(yōu)選

存在此類問題的分布式光伏系統(tǒng)如何進(jìn)行改造方案的選擇：若項目在基建時期，或具備進(jìn)行一次高壓線路改造的條件，可選擇方案1；對于容量大，負(fù)載用電情況復(fù)雜的分布式光伏系統(tǒng)，可選擇方案2；對于不具備一次高壓線路停電改造條件的項目，可選用方案3。

最后該企業(yè)采取方案3進(jìn)行了改造，無功補償裝置正常投運，功率因數(shù)穩(wěn)定在0.7左右，相較之前的0.4～0.5得到了改善。

3 結(jié)語

本文針對企業(yè)接入分布式光伏后電力系統(tǒng)功率因數(shù)降低的問題提出了3種改造方案，使問題得到了有效改善。

由于光伏發(fā)電是動態(tài)變化的，加上用戶的負(fù)荷也可能變化，未經(jīng)改造的采樣線路可能會導(dǎo)致無功補償控制器無法得到真實采樣數(shù)據(jù)， 因此需根據(jù)線路實際情況進(jìn)行改造，以保證無功補償裝置正常投運，保證總進(jìn)線處的功率因數(shù)能夠滿足供電公司的要求。