光伏电站并网之后出现功率因数问题应该怎么解决

一、基础电气常识说明：

1、视在功率 S、有功功率 P、无功功率 Q

视在功率：在交流电路中，电压与电流的乘积；通常表示用电/供电设备的 容量，是一个标量，没有符号。其基本表达式如下：

S=UI

有功功率：在交流电路中，电阻元器件上所消耗的功率；有功功率有正负之 分，P 为“+”表示设备（或系统）从外界吸收功率，P 为“-”表示设备（或系 统）向外界输出功率。比如发电机、光伏逆变器、风电变流器等工作时的有功功 率为“-”，表示其向外输出功率；而几乎所有的用电负荷的有功功率均为“+”， 表示从外界吸收功率。其基本表达式如下：

P=UIcosφ=S*cosφ

无功功率：在交流电路中，电感或电容元件与电源之间只进行能量的交换， 而不消耗能量。无功功率也有正负之分，Q 为“+”表示感性无功，即电感性负 载的电流波形（或相位）滞后电压；Q 为“-”表示容性无功，即电容性负载的 电流波形（或相位）超前电压。其基本表达式如下：

Q=UIsinφ=S*sinφ

有功功率、无功功率和视在功率之间的关系如下：

S=sqrt（P²+Q²）

2、功率因数 cosφ

功率因数是指在交流电路中，有功功率对视在功率的比值。其基本表达式如 下：

cosφ=P/S=P/sqrt（P²+Q²）=1/sqrt（1+（Q/P）²）

功率因数的正负号主要表示系统是吸收还是输出无功功率。当系统输出无功 功率时，功率因数为正；当系统吸收无功功率时，功率因数为负。这种定义与有 功功率的方向有关，通常在电力系统中，有功功率的方向决定了功率因数的正负。例如，发电机在向电网输出无功功率时，其功率因数为正；而当发电机需要从电 网中吸收无功功率时，其功率因数为负。

此外，功率因数的符号还可以表示负载的属性，即负号用于表示容性负载， 而正号表示感性负载。这通常是在特定的电力系统中，为了方便描述电路的特性 而采用的约定。例如，变频器、整流器、充电桩、开光电源等电力电子非线性负 载无功为容性无功，功率因数可用负号“-”表示；传统的电机或电动机负载为 感性无功，功率因数可用正号“+”表示。

二、现场功率说明

1、现场接线示意图

2 拓扑分析

便于分析现场功率情况，将系统拓扑等效一下拓扑：

图 2-2 系统等效图

现场配电等效图如图2-2 所示，属于双电源供电，电源 1 为市电电源，电源

2 为光伏供电。

计量点（即多功能表上数据）如图中红点所示，计量点有功功率 P1 、无功 功率 Q1、视在功率 S1 和功率因数的关系如下：

计量有功功率：P1=P2+P3

计量无功功率：Q1=Q2

计量视在功率：S1=sqrt（P1²+Q1² )

计量功率因数：Cosφ=P1/S1=P1/sqrt（P1²+Q1² ) =1/sqrt（1+（Q1/P1）² )

从上面式子可以看出，计量点功率因数 cosφ的符号功率 P1 相关,而 P1 的 数值等于负载消耗的有功 P2 与光伏的发电 P3 之和相关。根据第一章的分析，负 载是消耗有功，所以 P1 为正值；光伏电源是给负载提供能量，即输出有功，所以P3为负值。光伏发电功率和负载消耗功率都是波动的，所以计量点有功功率P1也是在正负值之间波动，从而导致计量点的功率因数正负值之间波动。当发 电功率 P3＜负载消耗功率 P2 时，计量点有功功率为正，对应的功率因数为正； 当发电功率 P3＞负载消耗功率 P2 时，计量点有功功率为负，对应的功率因数为负。

3 、治理原理分析

根据计量点功率因数公式：cosφ=1/sqrt（1+（Q1/P1）² ) 可以看出，功率 因数和（Q1/P1）的值反相关，即（Q1/P1）越大，cosφ越小；反之，（Q1/P1） 越小，cosφ越大。（Q1/P1）的等效式如下：

Q1/P1=Q2/（P2+P3）

从式中可以看到，减少Q2 或者增加（P2+P3）的值，可以提高瞬时功率因数。 显然，对于分子而言，SVG 的主要作用就是调节 Q2 的值，使负载的无功尽可能 的小；对于分母而言，P2 是正值，P3 是负值，要使分母变大，负载有功功率 P2 尽可能的大，同时发电功率 P3 尽可能的小。

SVG 调节负载无功功率 Q2 的参数可通过开启SVG 装置和关停 SVG 装置直接 作比较，或者观察 SVG 的输出容量，验证 SVG 装置对 Q2 的调节作用。负载消耗功率 P2 和光伏发电功率 P3 的分析如下：

当 P3 为 0（即光伏没有发电）功率因数可以显著提高，如图 2-3-1 所示。

图 2-3-1 天阴光伏为发电时记录

当光伏发电功率 P3 大于负载消耗功率 P2 时，功率因数会适当减小，主要取决于 P2 和 P3 差值的大小，如图 2-3-2 所示：

图 2-3-2 天晴光伏发电功率大于负载损耗功率时

4 、经济性分析

如上分析了在光伏输入的多电源供电系统，单点（市电变压器计量点）功率 因数的提高方法，总结有 3 个方面：

①通过 SVG 降低负载 Q2 的有效值；

②减小光伏输出的有功功率 P3 的有效值；

③增大负载消耗的有功功率 P2 的有效值。

单从经济性角度分析，消耗负载的有功功率 P2 越大，产生的市电电费费用 越高，涉及到生产正常运行，这部分电功率无法主动调节；另外，因为光伏电价 小于市电电价，而且光伏倒送地方电力公司也有相应补贴，在条件允许的情况下尽可能的多发电，提高光伏发电功率 P3 ，可以减小对市电的电费支出。所以从经济性的角度定性分析（定量分析可通过电费单自行核算），总结如下 2 点：

①负载消耗的有功 P2 越小，经济性越高；

②光伏发电功率 P3 越大，经济性越高。

三、总结

通过以上电气常识介绍、各种功率关系说明、功率因数及其影响因子的定性 分析等，最终在经济性角度确立利益最大化（在含有光伏输入的情况下，电费单中力率不低于0.9，力调电费为奖励），末端瞬时功率因数（变压器计量点的 COS φ ) 数值影响因子较多，变化范围较广。建议关注点应该在电力公司每月的力率 （0.9 以上）和力调电费的奖罚比对。

综合以上分析，关于有光伏并网的现场，功率因数和力率关系总结如下：

1 、功率因数在一定程度上反映了系统有功功率在视在功率里面的占比，在 单电源用电系统（仅市电，不含光伏输入的情况下）里，通过看功率因数就可以 评估系统对电网的无功功率的需求。但是，在多电源输入的情况下（含光伏输入 和市电等），单从市电功率因数是无法判断实际系统对无功功率的需求。

2 、供电公司力率考核中，力率的计算是通过每个月的市电无功电量和有功 电量的关系换算力率。所以在含光伏的情况下，关注点在力率，而非瞬时的功率 因数。目前这一点是很多光伏并网现场的一个误区。简言之，力率是通过电量（累 计值）计算的，市电功率因数是通过功率（瞬时值）计算的。

3 、实际目前关注点应该是系统的无功需量尽可能的由 SVG 或者末端补偿装 置提供，让市电尽可能少提供，这才是核心。

江苏安科瑞：何鹏飞

审核编辑 黄宇