為啥低壓配電含光伏并網(wǎng)的功率因數(shù)低？

一、基礎(chǔ)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(shè)備的 容量，是一個標(biāo)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(shè)備（或系統(tǒng)）從外界吸收功率，P 為“-"表示設(shè)備（或系 統(tǒng)）向外界輸出功率。比如發(fā)電機、光伏逆變器、風(fēng)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(guān)系如下： S=sqrt（P2+Q2） 

2、功率因數(shù) cosφ 

功率因數(shù)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(shù)的正負號主要表示系統(tǒng)是吸收還是輸出無功功率。當(dāng)系統(tǒng)輸出無功 功率時，功率因數(shù)為正；當(dāng)系統(tǒng)吸收無功功率時，功率因數(shù)為負。這種定義與有 功功率的方向有關(guān)，通常在電力系統(tǒng)中，有功功率的方向決定了功率因數(shù)的正負。 例如，發(fā)電機在向電網(wǎng)輸出無功功率時，其功率因數(shù)為正；而當(dāng)發(fā)電機需要從電 網(wǎng)中吸收無功功率時，其功率因數(shù)為負。

此外，功率因數(shù)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(tǒng)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(shù)可用負號“-"表示；傳統(tǒng)的電機或電動機負載為 感性無功，功率因數(shù)可用正號“+"表示。 

二、現(xiàn)場功率說明 

1、現(xiàn)場接線示意圖

2、拓撲分析 

便于分析現(xiàn)場功率情況，將系統(tǒng)拓撲等效一下拓撲：

圖2-2系統(tǒng)等效圖

現(xiàn)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(shù)據(jù)）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(shù)的關(guān)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(shù)：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(shù) cosφ的符號功率 P1 相關(guān)，而 P1 的 數(shù)值等于負載消耗的有功 P2 與光伏的發(fā)電 P3 之和相關(guān)。根據(jù)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(fā)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(dǎo)致計量點的功率因數(shù)正負值之間波動。當(dāng)發(fā) 電功率 P3＜負載消耗功率 P2 時，計量點有功功率為正，對應(yīng)的功率因數(shù)為正； 當(dāng)發(fā)電功率 P3＞負載消耗功率 P2 時，計量點有功功率為負，對應(yīng)的功率因數(shù)為 負。 

3、治理原理分析

根據(jù)計量點功率因數(shù)公式：cosφ=1/sqrt（1+（Q1/P1）2）可以看出，功率 因數(shù)和（Q1/P1）的值反相關(guān)，即（Q1/P1）越大，cosφ越??；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(shù)。 顯然，對于分子而言，SVG 的主要作用就是調(diào)節(jié) 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(fā)電功率 P3 盡可能的小。

SVG 調(diào)節(jié)負載無功功率 Q2 的參數(shù)可通過開啟 SVG 裝置和關(guān)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(diào)節(jié)作用。 

負載消耗功率 P2 和光伏發(fā)電功率 P3 的分析如下： 

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

圖 2-3-1 天陰光伏為發(fā)電時記錄 

當(dāng)光伏發(fā)電功率 P3 大于負載消耗功率 P2 時，功率因數(shù)會適當(dāng)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(fā)電功率大于負載損耗功率時

4、經(jīng)濟性分析 

如上分析了在光伏輸入的多電源供電系統(tǒng)，單點（市電變壓器計量點）功率 因數(shù)的提高方法，總結(jié)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(jīng)濟性角度分析，消耗負載的有功功率 P2 越大，產(chǎn)生的市電電費費用 越高，涉及到生產(chǎn)正常運行，這部分電功率無法主動調(diào)節(jié)；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(yīng)補貼，在條件允許的情況下 盡可能的多發(fā)電，提高光伏發(fā)電功率 P3，可以減小對市電的電費支出。所以從 經(jīng)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(jié)如下 2 點： 

①負載消耗的有功 P2 越小，經(jīng)濟性越高； 

②光伏發(fā)電功率 P3 越大，經(jīng)濟性越高。 

三、總結(jié)

通過以上電氣常識介紹、各種功率關(guān)系說明、功率因數(shù)及其影響因子的定性 分析等，最終在經(jīng)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(diào)電費為獎勵），末端瞬時功率因數(shù)（變壓器計量點的 COS φ）數(shù)值影響因子較多，變化范圍較廣。建議關(guān)注點應(yīng)該在電力公司每月的力率 （0.9 以上）和力調(diào)電費的獎罰比對。 綜合以上分析，關(guān)于有光伏并網(wǎng)的現(xiàn)場，功率因數(shù)和力率關(guān)系總結(jié)如下： 

1、功率因數(shù)在一定程度上反映了系統(tǒng)有功功率在視在功率里面的占比，在 單電源用電系統(tǒng)（僅市電，不含光伏輸入的情況下）里，通過看功率因數(shù)就可以 評估系統(tǒng)對電網(wǎng)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(shù)是無法判斷實際系統(tǒng)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(guān)系換算力率。所以在含光伏的情況下，關(guān)注點在力率，而非瞬時的功率 因數(shù)。目前這一點是很多光伏并網(wǎng)現(xiàn)場的一個誤區(qū)。簡言之，力率是通過電量（累 計值）計算的，市電功率因數(shù)是通過功率（瞬時值）計算的。 

3、實際目前關(guān)注點應(yīng)該是系統(tǒng)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。