摘要：分布式光伏电站的无功补偿要根据项目特点，用户负荷性质以及电量考核要求是否配置动态在线无功补偿装置SVG，对用电量较少或不稳定的用户，有基本电费的要求，有条件是一定要配置，虽然一次性投资比较贵，长期运行来看还是合算的。
引言：分布式光伏电站由于是后增加的电源，受现场条件限制和电业考核计量规定，只能在设备末端增加并网设备，光伏发电增加有功，负荷不变的情况下，从电网吸收的有功减小，功率因数降低，根据供电规则在低于考核要求比如0.9的情况下，产生力率罚款，由于有基本电费的要求，所以如果不配置动态无功在线补偿装置的话会带来不小的损失。
分布式光伏电站通常是指利用分散布置在用电客户周边容量不大的光伏电站，根据装接容量的大小一般接入用户的35KV、10KV或0.4/0.22KV电压母线。
现在应用最为广泛的分布式光伏电站，是利用现有建筑物的闲置屋顶，安装光伏组件来发电的项目。它必须接入公共电网（在线式），与公共电网一起为附近的用户供电，这样保证用户实时用电的可靠性和用电质量。
优点是：就近供电减少长距离送电损耗，是一种清洁能源，不仅安全可靠，运维简单，静态发电零排放无污染，还可以减少电费收益。
由于分布式光伏电站大多数是在原有用户的供电布局的基础上后增加的，改变原有设备布置，不仅影响生产运行，对安全，投资都会带来影响，用户业主多数是不同意。所以现场只能根据实际情况在原有配电设备边上新增并网柜拼接在原有母线上来接入电网。
配电设备多数受到空间、投资规模以及生产运行的影响，满足不了重新规划设计，一般只在原有布局的基础上改造。因此实际投运后有很多电站会出现功率因数Cosφ不达标（小于0.9）,引起电费帐单中出现力率电费罚款的问题。（力率电费是指根据供用电规则，在供电局电力收费清单中，有一项叫力率电费，这项电费是国家为了让用电企业合理利用电能，而实行的一项奖罚措施。具体就是Cosφ高于标准值奖励、低于标准值处罚。）
分布式光伏电站接线图如下：
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图一 光伏接入配电系统SVG投入前系统图
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常规变配电系统的无功补偿装置是以补偿变压器自身产生的无功损耗为主，并同时考虑到负荷侧的无功补偿。变压器和大部分负载是感性的，所以无功补偿一般是根据配电变压器的额定容量的（10%-30%）来配置电容器的容量。在新增光伏发电系统以前，关口计量点测量的Cosφ一般都能保证在90%以上，甚至可以到98%，因此每个月都会有力率电费奖励。下表是功率因数标准是0.9时的对应的力率电费奖罚对照表，其中负值表示力率奖励，正值表示罚款：
举例说明当功率因数Cosφ=0.98时，奖励电费=0.75%*月耗电量电费
其中当月耗电量小于基本电量时（其中基本电量为用户装接配电变压器容量（KVA）的40%），按照基本电量收费，大于基本电量时按照耗电量收费。基本电费为基本电量（度）*42元/度。
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图三 高压10千伏一次系统接线图
但是当分布式光伏电站接入原有配电系统并网以后，由于光伏发出的电量的Cosφ在0.9以上，大部分出力是有功，无功很少。所以导致光伏的有功抵消了母线从电网吸收的有功，如下图四中的△P所示，而由于变压器和负载性质没变，所以母线从电网吸收的无功也不变。见下图所示：
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图四 功率相位角
在光伏并网前对应点A的Cosφ角为φ1，光伏发电并网后对应点B的Cosφ角为φ2，由于φ2 ＞ φ1，所以Cosφ2 ＜ Cosφ1，当光伏随着光照的变化带来发电出力的动态变化，ΔP会时大时小，这样势必用户的Cosφ不断变化，原有自动无功补偿装置频繁启动（如用户自动补偿装置整定值在0.9到0.95之间，低于0.9时启动，大于0.95时又退出）。还会出现无功补偿装置控制器（谐波）报警引起无功补偿装置退出的情形，引起用户的不满。特别是在Cosφ2 ＜0.9时，会导致关口计量表的力率出现罚款现象。在节假日时或负载根据生产需要减小的时候，而此时太阳出力又充足的情况下，会出现光伏发电倒送到电网的情况。如下图五：此时B点进入第二象限
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图五 功率象限图
这种现象也会使得Cosφ很低，最终引起罚款。
出现这种现象是光伏并网点是在原有配电设备的尾端B点，而无功考核点是在用户进线端A点，两者不一致引起的，见图二。
解决以上的问题是低压0.4千伏或10千伏并网点只有放在无功补偿采样点（关口计量点）之前，这样电力部门不允许。所以需要在低压或高压母线上重新配置一定容量的动态无功跟踪补偿装置SVG。SVG是静止无功发生器，它采用可关断电力电子器件(IGBT)组成自换相桥式电路，并联在母线上可以适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其交流侧电流。迅速吸收或者发出所需的无功功率,实现快速动态调节无功的目的有源形无功补偿装置。
下面以上海协鑫6兆瓦10千伏光伏电站配置SVG动态无功补偿装置的案例分析分布式光伏电站的情况。
上海协鑫分布式光伏电站是利用喃嵘水产养殖大棚的屋顶共计安装了6兆瓦光伏组件。云线圈内是分别通过4台1250KVA的升压变压器和喃嵘水产用户的2台630KVA的配电变压器并入电网。以喃嵘水产用户的名义申请自发自用余电上网的方式设计的。喃嵘水产用户的配电变压器装接容量是2*630KVA。
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基本电量是630*2*40%=504（度）。
基本电费是504（度）*42（元/度）=21168元。
分布式光伏电站多数情况是通过升压变压器把逆变器输出的低压交流电压升到10千伏并入电网，它也会产生一定的无功功率，虽然在太阳光照稳定的时候，逆变器自身可以调节无功，使得发电功率的功率因数达到95%以上。根据《供用电营业规则》，100KVA以上的高压供电用户执行cosφ为0.9的标准，满足国网对10千伏用户的功率因数的考核要求，但是由于受天气等因素对光照的影响，使得发电功率不断的在变化，特别是在早晚和阴天发电量较小时，功率因数会小于90%，当雨天光照很小或夜间时逆变器停止工作时，变压器处于空载状态，相当于感性负载，会产生感性无功，加上电缆线路和逆变器汇流箱等设备的影响。关口计量表的功率因数反映在月底电费账单上会很低。
关口计量表的功率因数计算公式：Cosφ =Y正/S ；
Y正=光伏用户站从电网吸收的有功月电度量，即电站和用户的用电有功总的月电度量；
S =(Y正2+W总2)^1/2
W总=W正+W反；
W正=光伏电站从电网吸收的月无功电度量（感性）；
W反=光伏电站向电网上送的月无功电度量（容性）；
由于功率因数公式中的有功部分仅考虑正向有功Y正，即从电网吸收的有功，而不考虑电站发出的反向有功Y反。所以对新建的用户站加装的光伏电站，由于生产投产或达产的滞后，或者电站自发的有功大于用户的有功消耗，这样会导致一个月下来后Y正有时会很小，而无功又取总的无功W总，即既包括正向无功电量也包括反向无功电量。这样在抄表时反映在关口计量表里的功率因数有时低到只有0.08，远远低于考核标准0.9的要求。这样根据力率调整比例，当月的电费就会出现有功电费一倍多（129%）的罚款。
对于分布式光伏企业用户，企业有基本电费的最低要求，（一般以配电变压器装接总容量的40%计算）。所以每个月的罚款有时高达几万元。以下以上海协鑫6兆瓦分布式光伏电站为例，分析光伏电站装设SVG无功补偿设备的必要性。
上海协鑫光伏电站10千伏分两段单母线（甲线、乙线）独立运行，每段母线各带3130KVA容量的变压器，其中有2500KVA是仅起升压作用，有630KVA作为用户的配电变压器，不仅作为降压配电变压器用，同时也兼作为升压变压器用。
变压器无功损耗计算公式为：
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代入变压器参数计算后，变压器的无功损耗约占总容量的7%左右，加上逆变器、电缆、汇流箱设备的影响，故配置（10%-30%)SN的无功补偿装置已经满足要求。但是由于10千伏电压等级的SVG产品，制造厂生产的最小容量是1000Kvar，所以在每段母线配置了1兆乏的动态无功补偿装置。
在刚开始试运行的几个月里，起先根据SVG厂家售后服务人员的经验将SVG的参数设置为恒无功功率运行方式运行，经过一段时间的运行，到电费账单寄来时，发现甲线和乙线合计有27258.14元的罚款，
见下表(电度量单位：KWh/Kvarh)
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运行人员等到电费账单寄到后，认为SVG投上去之后，也会产生罚款，而且由于投入SVG，相应的风机运行会增加有功的消耗，还不如停用SVG。于是决定6月份退出两台SVG的运行。经过一个月运行后结果如下：
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结果发现还是有合计31550.23元的罚款。于是运行人员检查发现白天正常发电运行时关口计量表的功率因数达到99%以上，已经很高了。但是在夜间不发电期间，关口计量表的功率因数只有31.5%，于是决定白天退出SVG的运行，晚上下班前投上SVG，并且把它设置为恒功率因数方式运行，设置Cosφ=99.5%，这样关口计量表的功率因数始终大于90%。认为这样运行下来应该不会再有力率罚款了。
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但是又经过一个月的运行后，等到电费账单寄来时发现甲线和乙线合计还是有合计29591.4元的利率罚单：
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根据连续几个月的统计，平均每月发电量有100万度电左右，加上补贴发电电费收益在120万元左右。虽然每个月的力率罚款在3万元左右，仅仅占发电量电费收入的2.5%.但是如果每个月都是这样，一年也有近35万元左右的罚款。对业主的收益还是一笔不小的损失。
通过以上几个月的运行数据，项目部设计人员和SVG厂方售后技术人员对甲乙线两台SVG的参数进行多种参数方式设置，并且经过长时间的观察实验，最后发现在恒功率因数方式下，并且在Cosφ=99.8%这个参数位时，观察关口计量表此时的瞬时无功接近0，并且观察运行24小时后总的无功仅增加0.01，乘以3000的倍率后每天也仅有30Kvarh左右，按此推算运行一个月后也不到900Kvar。通过计算只要月总无功值与月有功值的比值不到48.4%，关口计量表的功率因数就不会低于90%，也就不会再有力率罚款。于是在这种设置工况下，观察运行了30天，最后的数据如下：
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以上通过对SVG的设置，总的无功大大减小，在有功几乎不变的情况下，功率因数大于90%，相应的力率倍数变为负值，也就是说不仅没有罚款，而且还有154.60元的奖励。分析原因是关口计量表的功率因数计算值是一个抄表周期（一个月）内的累计有功电度量除以视在电度量的计算值，而不是实时的恒无功方式或恒功率因数（只要大于90%）方式运行就可以避免的。需要对SVG进行实时观察在一个恰当的参数下，只要保证关口计量表的实时无功功率值接近0时。才能避免月底抄表时的无功电度量很小不超标。
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通过以上案例实际分析，说明上海协鑫这样的投资项目是利用用户的屋顶，采用自发自用余电上网方式，供电公司对用户有基本电费的要求，所以当企业用户还未投产，或者投产后负荷用电量很小时，总的月有功电度量Y正很小，而总的无功电度量W总/Y正一旦大于48.4%时，关口计量的功率因数Cosφ就会低于90%，就会有力率罚款。而且由于有基本电费的存在，所以一旦罚款，就是一笔较大的损失。
通过三个月的不断地调试、观察和计算分析，说明对于类似上海协鑫这样的分布式光伏电站必须投入动态实时无功补偿装置，并且只要参数设置合理，可以每个月减少3万元的罚款，而整个光伏电站设计年限是25年，即300个月可以节约几百万元的罚款。相反对于全额电站由于没有基本电费的存在，每月的用电量仅为站用电部分约2500度电，即使关口计量表的功率因数很低，以浦东临港鸿博新能源的3兆瓦的全额电站为例，每月的罚款也只有两三千元。所以对这样的全额电站没必要投资SVG无功补偿这样比较昂贵的设备。
总结，类似普通的低压400伏并网的分布式电站，由于并网点在关口计量点的后面，发电量抵消了从电网吸收的有功电量，会拉低功率因数引起电费罚款，适当配置动态无功补偿装置，并设置恰当的参数使得关口计量表的实时无功功率接近于0，就不会引起力率电费罚款。同样对10千伏并网的较大型光伏电站，由于用户生产的不确定性，每个月的月有功电量有时很少，特别是光伏投产后遇到企业减产或搬迁的特殊情况，使得有功用电量很少，导致功率因数很低，而又由于基本电费的存在，所以会产生力率电费的罚款。在设计项目时从长远考虑配置SVG是十分有必要的。
参考文献：
1.全国供用电规则；
2.分布式光伏接入系统典型设计；
3.电力工程电气设计手册（电气一次部分）；
作者介绍：
周国发（1967.09.13—）；男；江苏；汉；大学本科；总工程师；变配电设计；上海浦海求实电力新技术股份有限公司。
论文作者:周国发
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/5/6