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(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。