關于低壓配電含光伏并網的功率因數說明

一、基礎電氣常識說明： 

1、視在功率 S、有功功率 P、無功功率 Q 

  視在功率：在交流電路中，電壓與電流的乘積；通常表示用電/供電設備的容量，是一個標量，沒有符號。其基本表達式如下： 

  S=UI 

  有功功率：在交流電路中，電阻元器件上所消耗的功率；有功功率有正負之分，P 為“+”表示設備（或系統）從外界吸收功率，P 為“-”表示設備（或系統）向外界輸出功率。比如發電機、光伏逆變器、風電變流器等工作時的有功功率為“-”，表示其向外輸出功率；而幾乎所有的用電負荷的有功功率均為“+”， 表示從外界吸收功率。其基本表達式如下： 

P=UIcosφ=S*cosφ 

  無功功率：在交流電路中，電感或電容元件與電源之間只進行能量的交換，而不消耗能量。無功功率也有正負之分，Q 為“+”表示感性無功，即電感性負載的電流波形（或相位）滯后電壓；Q 為“-”表示容性無功，即電容性負載的電流波形（或相位）超前電壓。其基本表達式如下： 

Q=UIsinφ=S*sinφ 

  有功功率、無功功率和視在功率之間的關系如下： 

S=sqrt（P²+Q²） 

2、功率因數 cosφ 

  功率因數是指在交流電路中，有功功率對視在功率的比值。其基本表達式如下： 

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

  功率因數的正負號主要表示系統是吸收還是輸出無功功率。當系統輸出無功功率時，功率因數為正；當系統吸收無功功率時，功率因數為負。這種定義與有功功率的方向有關，通常在電力系統中，有功功率的方向決定了功率因數的正負。 例如，發電機在向電網輸出無功功率時，其功率因數為正；而當發電機需要從電網中吸收無功功率時，其功率因數為負。

  此外，功率因數的符號還可以表示負載的屬性，即負號用于表示容性負載，而正號表示感性負載。這通常是在特定的電力系統中，為了方便描述電路的特性而采用的約定。例如，變頻器、整流器、充電樁、開光電源等電力電子非線性負載無功為容性無功，功率因數可用負號“-”表示；傳統的電機或電動機負載為 感性無功，功率因數可用正號“+”表示。 

二、現場功率說明 

1、現場接線示意圖 

2、拓撲分析 

  便于分析現場功率情況，將系統拓撲等效一下拓撲：

圖 2-2 系統等效圖 

  現場配電等效圖如圖 2-2 所示，屬于雙電源供電，電源 1 為市電電源，電源 2 為光伏供電。 

  計量點（即多功能表上數據）如圖中紅點所示，計量點有功功率 P1、無功 功率 Q1、視在功率 S1 和功率因數的關系如下： 

  計量有功功率：P1=P2+P3

  計量無功功率：Q1=Q2 

  計量視在功率：S1=sqrt（P1²+Q1²） 

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

  從上面式子可以看出，計量點功率因數 cosφ的符號功率 P1 相關，而 P1 的數值等于負載消耗的有功 P2 與光伏的發電 P3 之和相關。根據第一章的分析，負 載是消耗有功，所以 P1 為正值；光伏電源是給負載提供能量，即輸出有功，所 以 P3 為負值。光伏發電功率和負載消耗功率都是波動的，所以計量點有功功率 P1 也是在正負值之間波動，從而導致計量點的功率因數正負值之間波動。當發電功率 P3＜負載消耗功率 P2 時，計量點有功功率為正，對應的功率因數為正；當發電功率 P3＞負載消耗功率 P2 時，計量點有功功率為負，對應的功率因數為負。 

3、治理原理分析 

  根據計量點功率因數公式：cosφ=1/sqrt（1+（Q1/P1）²）可以看出，功率因數和（Q1/P1）的值反相關，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） 

  從式中可以看到，減少 Q2 或者增加（P2+P3）的值，可以提高瞬時功率因數。顯然，對于分子而言，SVG 的主要作用就是調節 Q2 的值，使負載的無功盡可能的小；對于分母而言，P2 是正值，P3 是負值，要使分母變大，負載有功功率 P2 盡可能的大，同時發電功率 P3 盡可能的小。 

       SVG 調節負載無功功率 Q2 的參數可通過開啟 SVG 裝置和關停 SVG 裝置直接作比較，或者觀察 SVG 的輸出容量，驗證 SVG 裝置對 Q2 的調節作用。 

  負載消耗功率 P2 和光伏發電功率 P3 的分析如下： 

  當 P3 為 0（即光伏沒有發電）功率因數可以顯著提高，如圖 2-3-1 所示。

圖 2-3-1 天陰光伏為發電時記錄 

  當光伏發電功率 P3 大于負載消耗功率 P2 時，功率因數會適當減小，主要取 決于 P2 和 P3 差值的大小，如圖 2-3-2 所示：

  圖 2-3-2 天晴光伏發電功率大于負載損耗功率時 

4、經濟性分析 

  如上分析了在光伏輸入的多電源供電系統，單點（市電變壓器計量點）功率因數的提高方法，總結有 3 個方面： 

  ①通過 SVG 降低負載 Q2 的有效值； 

  ②減小光伏輸出的有功功率 P3 的有效值； 

  ③增大負載消耗的有功功率 P2 的有效值。

  單從經濟性角度分析，消耗負載的有功功率 P2 越大，產生的市電電費費用越高，涉及到生產正常運行，這部分電功率無法主動調節；另外，因為光伏電價小于市電電價，而且光伏倒送地方電力公司也有相應補貼，在條件允許的情況下盡可能的多發電，提高光伏發電功率 P3，可以減小對市電的電費支出。所以從經濟性的角度定性分析（定量分析可通過電費單自行核算），總結如下 2 點： 

  ①負載消耗的有功 P2 越小，經濟性越高； 

  ②光伏發電功率 P3 越大，經濟性越高。 三、總結 通過以上電氣常識介紹、各種功率關系說明、功率因數及其影響因子的定性 分析等，最終在經濟性角度確立利益*大化（在含有光伏輸入的情況下，電費單 中力率不低于 0.9，力調電費為獎勵），末端瞬時功率因數（變壓器計量點的 COS φ）數值影響因子較多，變化范圍較廣。建議關注點應該在電力公司每月的力率 （0.9 以上）和力調電費的獎罰比對。 

  綜合以上分析，關于有光伏并網的現場，功率因數和力率關系總結如下： 

          1、功率因數在一定程度上反映了系統有功功率在視在功率里面的占比，在單電源用電系統（僅市電，不含光伏輸入的情況下）里，通過看功率因數就可以 評估系統對電網的無功功率的需求。但是，在多電源輸入的情況下（含光伏輸入和市電等），單從市電功率因數是無法判斷實際系統對無功功率的需求。 

          2、供電公司力率考核中，力率的計算是通過每個月的市電無功電量和有功 電量的關系換算力率。所以在含光伏的情況下，關注點在力率，而非瞬時的功率 因數。目前這一點是很多光伏并網現場的一個誤區。簡言之，力率是通過電量（累計值）計算的，市電功率因數是通過功率（瞬時值）計算的。 

         3、實際目前關注點應該是系統的無功需量盡可能的由 SVG 或者末端補償裝置提供，讓市電盡可能少提供，這才是核心