CN112003336A - 分布式光伏功率因数优化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光伏功率因数优化系统及方法，该系统包括变压器输出端，变压器输出端连接光伏并网、车间动力负载、无功柜。其中，变压器输出端设置第一测量点，光伏并网端设置第二测量点，车间动力负载端设置第三测量点。智能控制器，智能控制器连接第一测量点。第一测量点采集变压器输出端的有功功率和无功功率，并将测量数据上传至智能控制器，智能控制器计算无功补偿，并将无功补偿指令传输至逆变器。逆变器动态输出无功补偿。本发明能够实时调节功率因数、动态分配无功功率、并同时简化功率调整所需的系统要求。

Description

分布式光伏功率因数优化系统及方法

技术领域

本发明涉及一种功率因数优化系统及方法，更具体地说，涉及一种分布式光伏功率因数优化系统及方法。

背景技术

光伏发电发出的是直流电，经过逆变器后才逆变为交流，在逆变的时候有电感作用，所以逆变后的交流不会是功率因数等于1的，电流一定有些滞后与电压，所以就有了功率因数。

分布式光伏发电，主要是利用工厂有限的屋顶，共享工厂原有变配电资产，建设分布式光伏电站，系统主要由太阳能电池方阵，逆变器，交流配电柜，计量柜，支架系统组成，利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转换为电能。

分布式光伏电站(以下简称光伏电站)的功率因数一般在0.99以上，可视为没有无功输出，因此光伏电站注入功率P光+jQ光＝P光。光伏电站并网后，随着P光的增大，产权分界点(即供电局和用电单位)P逐渐减少，而无功的大小几乎不变，因此，光伏并网的上级线路功率因数会减少。相对于大型电站无功控制而言，分布式电站功率因数控制更复杂：

1.控制难度大：分布式电站输出功率和厂区内的用电负荷会实时变化，有些厂区波动幅度较大，因此控制系统需要快速调节。

2.无功容量要求更大：一般大型电站按照电站容量的20％左右配置无功装置，而分布式由于不同厂区光伏电站容量不同，负荷容量不同，需要调节的无功容量波动相对较大。

3.均衡控制逆变器无功难度大：厂区内电站受屋顶大小、布局、零散度等因素影响，设计相对较为复杂，控制每台逆变器的无功输出比例难度较大。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种分布式光伏功率因数优化系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种分布式光伏功率因数优化系统，包括：变压器输出端，所述变压器输出端连接光伏并网、车间动力负载、无功柜；所述变压器输出端设置第一测量点，所述光伏并网端设置第二测量点，所述车间动力负载端设置第三测量点；智能控制器，所述智能控制器连接所述第一测量点；所述第一测量点采集变压器输出端的有功功率和无功功率，并将测量数据上传至所述智能控制器，所述智能控制器计算无功补偿，并将无功补偿指令传输至逆变器；所述逆变器动态输出无功补偿。

进一步地，在第一测量点、第二测量点和第三测量点分别安装电表，所述电表分别采集各测量点的功率因数值、有功功率、无功功率、有功总电量、无功总电量，并将数据传输给智能控制器。

进一步地，光伏并网包括多个并联的光伏线路，且多个并联的光伏线路均连接至所述第二测量点。

进一步地，分布式光伏功率因数优化系统包括多个并联的车间动力负载，且多个并联的车间动力负载均连接至所述第三测量点。

进一步地，红外采集器包括红外接口单元、中央处理单元、电源单元和通信单元。所述红外接口单元与关口表连接，用于向关口表发送电能调取指令和接收其传回的电能数据；所述中央处理单元与红外接口单元和通信单元分别连接，用于将其编码的电能调取指令通过红外接口单元发出，并将红外接口单元接收的电能数据解码，且将解码后的电能数据经通信单元向外发送；所述通信单元将中央处理单元发出的数据发送至智能控制器；所述电源单元与红外接口单元、中央处理单元和通信单元分别连接，用于分别向其提供工作电源。

为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：

一种分布式光伏功率因数优化方法，包括：步骤一，将变压器输出端连接至光伏并网、车间动力负载、无功柜；步骤二，在变压器输出端设置第一测量点，在光伏并网端设置第二测量点，在车间动力负载端设置第三测量点；步骤三，将第一测量点连接至智能控制器；步骤四，利用所述第一测量点采集变压器输出端的有功功率和无功功率，并将测量数据上传至所述智能控制器，所述智能控制器计算无功补偿，并将无功补偿指令传输至逆变器；步骤五，利用逆变器动态输出无功补偿。

进一步地，在第一测量点、第二测量点和第三测量点分别安装电表1、电表2、电表3，所述电表1、电表2、电表3分别采集各测量点的功率因数值、有功功率、无功功率、有功总电量、无功总电量，并将数据传输给智能控制器。

进一步地，步骤四包括：步骤4.1：采集产权分界点(供电局和用电单位)传回的无功功率Q_产，有功电量P_本月产和无功电量Q_本月产，上月有功总电量P_上月产，上月无功总电量Q_上月产；步骤4.2：PF＝(P_本月产-P_上月产)/(SQRT((P_本月产-P_上月产)²+(Q_本月产-Q_上月产)²))；步骤4.3：PF>＝0.9则继续采集产权分界点的数据；步骤4.4：PF<0.9，则进入采集光伏并网点T接处数据采集；步骤4.5：重复步骤4.1至4.4。

进一步地，步骤五包括：步骤5.1：智能控制器下达采集指令给电表1；步骤5.2：采集电表1传回的无功功率Q₁，有功电量P_本月1和无功电量Q_本月1，上月有功总电量_P上月1，上月无功总电量Q_上月1；步骤5.3：计算PF_表1＝(P_本月1-P_上月1)/(SQRT((P_本月1-P_上月1)²+(Q_本月1-Q_上月1)²))；步骤5.4：PF_表1>＝0.9则警示灯量，管理员巡查厂区原有无功补偿系统是否正常；步骤5.5：PF_表1<0.9，则执行步骤5.6；步骤5.6：智能智能控制器下达采集指令给电表2；步骤5.7：采集电表2传回的实时功率因数PF_表2；步骤5.8：PF_表2>＝0.95则N台逆变器每台的输出无功值＝Q₃/N；步骤5.9：PF_表2<0.95则逆变器停止输出无功；步骤5.10：智能智能控制器的下达采集指令给电表3；步骤5.11：采集电表3传回的无功功率Q₃，有功电量P_本3和无功电量Q_本3，上月有功总电量P_上月3，上月无功总电量Q_上月3；步骤5.12：计算PF_表3＝(P_本1-P_上月3)/(SQRT((P_上月3-P_本3)²+(Q_本3-Q_上月3)²))；步骤5.13：PF_表3>＝0.9则N台逆变器每台的输出无功值＝Q₃/N；步骤5.14：PF_表3<0.9则逆变器停止输出无功；步骤5.15：重复步骤5.1至5.14。

在上述技术方案中，本发明基于自发自用余电上网光伏发电技术的厂区功率因数优化，解决工厂因安装光伏系统导致的功率因数下降问题，利用光伏逆变器的无功功率输出功能功率无功控制功能，加装电表、智能控制器、红外采集器组成功率因数优化系统。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明测量点的结构示意图；

图3是智能控制器接入本发明系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

现有生产环境中，光伏项目并网发电后即发生功率因数下降问题，通过对负荷进行分析发现，无功负载主要为空压机，空压机接在变压器下，因此提高变压器功率因数即可提高产权分界点功率因数。

如图1所示，在10KV的一段母线上依次连接多个负载，分别标记为M3-M10。其中，M3连接10KV一段变车式闸刀，M4连接第一个箱式变压器、M5-M7连接变压器、M8连接第一个备用电路、M9连接第二个箱式变压器、M10连接第二个备用电路。本领域的技术人员应当认识到，上述组网结构只是本发明众多选择中的一种，其他各种可能的组网结构同样属于本发明的保护范围。

有鉴于此，本发明首先公开一种分布式光伏功率因数优化系统，起主要包括：变压器、光伏并网、车间动力负载、无功柜、智能控制器(图2中未示出)等。如图2所示，变压器输出端连接光伏并网、车间动力负载、无功柜。此外，变压器输出端设置第一测量点CH1，光伏并网端设置第二测量点CH2，车间动力负载端设置第三测量点CH3。智能控制器连接第一测量点CH1，第二测量点CH2和第三测量点CH3。本发明的系统还包括一个备用的其他线路。

第一测量点CH1设有电表，优选地，电表处加装红外采集器。在光伏组网工作时，第一测量点CH1采集变压器输出端的有功功率和无功功率，并将测量数据上传至智能控制器，智能控制器计算无功补偿，并将无功补偿指令传输至逆变器，逆变器动态输出无功补偿。

作为本发明的一种优选实施方式，如图2所示，在光伏并网点T接处安装三个智能电表，分别位于变压器出线端(电表1，第一测量点)，光伏侧(电表2，第二测量点)，负荷侧(电表3，第三测量点)。三块电表分别采集各测量点的功率因数值，有功功率，无功功率，有功总电量，无功总电量，并将数据通过RS485线路传输给智能控制器。

作为本发明的一种优选实施方式，光伏并网包括多个并联的光伏线路，并且图2所示的组网结构中还包括多个并联的车间动力负载。在此结构下，多个并联的光伏线路均连接至第二测量点CH2，并且多个并联的车间动力负载均连接至第三测量点CH3。即，通过第二测量点CH2测量光伏线路的有功功率和无功功率，利用第三测量点CH3测量车间动力负载的有功功率和无功功率。

具体来说，如图3所示，红外采集器和电表1、电表2、电表3不断采集产权分界点(供电局和用电)处，变压器出线端，光伏侧，负荷侧的功率因数值，有功功率、无功功率、有功总电量、无功总电量、上月有功总电量、上月无功总电量等，并将数据通过RS485线路传输给智能控制器。

红外采集器的红外接口单元与关口表连接，用于向关口表发送电能调取指令和接收其传回的电能数据(有功电量P、无功电量Q、功率因数PF等)，每15min发送一次调取指令并接受一次电能数据。

红外采集器的中央处理单元与红外接口单元和通信单元分别用RS485连接，用于将其编码的电能调取指令通过红外接口单元发出，并将红外接口单元接收的电能数据解码，且将解码后的电能数据经通信单元向外发送。

红外采集器的通信单元利用RS485将中央处理单元发出的数据发送至智能控制器。红外采集器的电源单元与红外接口单元、中央处理单元和通信单元分别连接，用于分别向其提供工作电源。

继续参照图3，智能控制器一方面处理产权分界点传回的数据，另一方面给光伏并网点T接处下达采集指令并处理的传回的数据。电表1的作用是采集变压器出线侧电能数据，判别此变压器的功率因数是否需要优化。电表2的作用是采集光伏系统电能数据，判断光伏系统的功率因数是否满足供电局要求，满足要求则给发送到每个逆变器下达补偿指令。电表3的作用是判别厂区负荷侧原有功率因数补偿系统是否正常。

另一方面，针对上述分布式光伏功率因数优化系统，本发明还公开一种分布式光伏功率因数优化方法，对应于本发明的系统。

相应地，本发明的方法包括以下步骤：

步骤一：将变压器输出端连接至光伏并网、车间动力负载、无功柜；

步骤二：在变压器输出端设置第一测量点，在光伏并网端设置第二测量点，在车间动力负载端设置第三测量点；

步骤三：将第一测量点连接至智能控制器；

步骤四：利用第一测量点采集变压器输出端的有功功率和无功功率，并将测量数据上传至智能控制器，智能控制器计算无功补偿，并将无功补偿指令传输至逆变器；

步骤五：利用逆变器动态输出无功补偿。

步骤四中，智能控制器计算无功补偿的具体方法为计算变压器的功率因数，并判断变压器的功率因数是否需要优化。因此，功率因数的优化方法为：

在CH1点处加装电表，采集变压器出线侧的无功功率Q_产、有功电量P_本月产和无功电量Q_本月产、上月有功总电量P_上月产、上月无功总电量Q_上月产，利用RS485通道将数据传送到智能控制器，智能控制器结合CH2和CH3点采集的数据，进行数据处理判别需要逆变器投入的无功容量，并将无功补偿指令下达给逆变器，逆变器动态输出无功，CH1点无功比例下降，产权分界点功率因数上升。智能控制器一方面处理产权分界点传回的数据，处理逻辑如下：

步骤4.1：采集产权分界点(供电局和用电单位)传回的无功功率Q_产，有功电量P_本月产和无功电量Q_本月产，上月有功总电量P_上月产，上月无功总电量Q_上月产；

步骤4.2：PF＝(P_本月产-P_上月产)/(SQRT((P_本月产-P_上月产)²+(Q_本月产-Q_上月产)²))；

步骤4.3：PF>＝0.9则继续采集产权分界点的数据；

步骤4.4：PF<0.9，则进入采集光伏并网点T接处数据采集；

步骤4.5：重复步骤4.1至4.4。

另一方面，在步骤五中，智能控制器给光伏并网点T接处下达采集指令并处理的传回的数据，从而利用逆变器动态输出无功补偿。在步骤五中，电表1的作用是采集变压器出线侧电能数据，判别此变压器的功率因数是否需要优化。电表2的作用是采集光伏系统电能数据，判断光伏系统的功率因数是否满足供电局要求，满足要求则给逆变器下达补偿指令。电表3的作用是判别厂区负荷侧原有功率因数补偿系统是否正常。

步骤5.1：智能控制器下达采集指令给电表1；

步骤5.2：采集电表1传回的无功功率Q₁，有功电量P_本月1和无功电量Q_本月1，上月有功总电量_P上月1，上月无功总电量Q_上月1；

步骤5.3：计算PF_表1＝(P_本月1-P_上月1)/(SQRT((P_本月1-P_上月1)²+(Q_本月1-Q_上月1)²))；

步骤5.4：PF_表1>＝0.9则警示灯量，管理员巡查厂区原有无功补偿系统是否正常；

步骤5.5：PF_表1<0.9，则执行步骤5.6；

步骤5.6：智能智能控制器下达采集指令给电表2；

步骤5.7：采集电表2传回的实时功率因数PF_表2；

步骤5.8：PF_表2>＝0.95则N台逆变器每台的输出无功值＝Q₃/N；

步骤5.9：PF_表2<0.95则逆变器停止输出无功；

步骤5.10：智能智能控制器的下达采集指令给电表3；

步骤5.11：采集电表3传回的无功功率Q₃，有功电量P_本3和无功电量Q_本3，上月有功总电量P_上月3，上月无功总电量Q_上月3；

步骤5.12：计算PF_表3＝(P_本1-P_上月3)/(SQRT((P_上月3-P_本3)²+(Q_本3-Q_上月3)²))；

步骤5.13：PF_表3>＝0.9则N台逆变器每台的输出无功值＝Q₃/N；

步骤5.14：PF_表3<0.9则逆变器停止输出无功；

步骤5.15：重复步骤5.1至5.14。

综合参照上述说明以及图1、图2和图3，下面通过一个实施例来进一步说明上述技术方案。

应用于一个特定的光伏组网中的变压器信息为：

变压器数量：1台

额定容量为：1600KVA

额定电流：2262A

无功补偿：纯容30KVar×12组

测量点CH1：变压器出线端

测量点CH2：光伏并网端

测量点CH3：负荷端

在该光伏组网中，对第一测量点CH1、第二测量点CH2、第三测量点CH3分别进行测量，得到的数据为：

CH1(变压器出线端)：

I＝250A

P＝21KW

Q＝54KVar

S＝58KVA

PF＝P/S＝21/58＝0.362

CH2(光伏并网端)：

I＝670A

P＝157KW

Q＝2.3KVar

S＝160KVA

PF＝P/S＝157/160＝0.982

CH3(负荷端含电容补偿)：

I＝750A

P＝166KW

Q＝53KVar

S＝175KVA

PF＝P/S＝166/175＝0.948

变压器在负荷率相对低的情况下运行时，测量时最大无功补偿需求为380KVar左右，光伏组网中原有设备实际补偿无功不足300KVar。测试记录数据显示负载侧有功P为166KW，无功53KVar，功率因数在0.95左右，变压器出线侧由于有光伏有功的汇入，相当于出线侧的有功减少了，但是无功没有改变，即P为21KW，无功54KVar，功率因数就减少至0.36左右。

在第一个测试阶段内，有功电能为437940KWH，无功电能为158160KVarH，功率因数0.94。在第二个测试阶段内，有功电能为153900KWH，无功电能为107700KVarH，功率因数0.82。

在该光伏组网中，对功率因数进行优化：

在CH1点加装电表，实时采集变压器出线侧的有功功率和无功功率，利用485线路RS将数据传送至智能控制器，控制器进行数据处理判别需要逆变器投入的无功容量，并将无功补偿指令下达给逆变器，逆变器动态输出无功，CH1点无功比例下降，产权分界点功率因数上升。

由此可见，本发明利用光伏逆变器的功率无功控制功能，加装智能控制器，红外采集器。智能控制器不断采集产权分界点(供电局和用电单位)的功率因数值，不断计算整个系统需要配置的无功，然后通过RS485将指令发送到每个逆变器。针对分布式电站功率因数控制难点，功率因数控制方案采用光伏系统中的逆变器实时控制逆变器输出无功。

综上所述，本发明具有以下优点：

1)无需加装专用的SVG装置，最大化节省投资：该方案通过调节逆变器的无功功率实时调节并网点功率因数，无需安装额外的补偿装置，不需要相应的配电及安装空间，有效降低投资成本。

2)实时调节功率因数，电能质量高：本发明通过红外数据采集器实时检测功率因数与目标值差异，功率因数不达标时，智能提高功率因数实际值，保证厂区功率因数实时满足电网公司要求，不影响厂区的电能质量，保证电网安全和设备运行安全。

3)动态分配无功功率，发电有保障：功率因数控制方案可同时调节多个方阵，自动分配所需无功至每台逆变器，保证各逆变器无功输出比例均衡，即使在装机容量较大、多个方阵的分布式电站，也不会影响光伏系统的有功发电。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种分布式光伏功率因数优化系统，其特征在于，包括：

变压器输出端，所述变压器输出端连接光伏并网、车间动力负载、无功柜；

所述变压器输出端设置第一测量点，所述光伏并网端设置第二测量点，所述车间动力负载端设置第三测量点；

智能控制器，所述智能控制器连接所述第一测量点；

所述第一测量点采集变压器输出端的有功功率和无功功率，并将测量数据上传至所述智能控制器，所述智能控制器计算无功补偿，并将无功补偿指令传输至逆变器；

所述逆变器动态输出无功补偿。

2.如权利要求1所述的分布式光伏功率因数优化系统，其特征在于，在第一测量点、第二测量点和第三测量点分别安装电表，所述电表分别采集各测量点的功率因数值、有功功率、无功功率、有功总电量、无功总电量，并将数据传输给智能控制器。

3.如权利要求1所述的分布式光伏功率因数优化系统，其特征在于，所述光伏并网包括多个并联的光伏线路，且多个并联的光伏线路均连接至所述第二测量点。

4.如权利要求1所述的分布式光伏功率因数优化系统，其特征在于，所述分布式光伏功率因数优化系统包括多个并联的车间动力负载，且多个并联的车间动力负载均连接至所述第三测量点。

5.如权利要求1所述的分布式光伏功率因数优化系统，其特征在于，所述红外采集器包括红外接口单元、中央处理单元、电源单元和通信单元；

所述红外接口单元与关口表连接，用于向关口表发送电能调取指令和接收其传回的电能数据；

所述中央处理单元与红外接口单元和通信单元分别连接，用于将其编码的电能调取指令通过红外接口单元发出，并将红外接口单元接收的电能数据解码，且将解码后的电能数据经通信单元向外发送；

所述通信单元将中央处理单元发出的数据发送至智能控制器；

所述电源单元与红外接口单元、中央处理单元和通信单元分别连接，用于分别向其提供工作电源。

6.一种分布式光伏功率因数优化方法，其特征在于，包括：

步骤一，将变压器输出端连接至光伏并网、车间动力负载、无功柜；

步骤二，在变压器输出端设置第一测量点，在光伏并网端设置第二测量点，在车间动力负载端设置第三测量点；

步骤三，将第一测量点连接至智能控制器；

步骤四，利用所述第一测量点采集变压器输出端的有功功率和无功功率，并将测量数据上传至所述智能控制器，所述智能控制器计算无功补偿，并将无功补偿指令传输至逆变器；

步骤五，利用逆变器动态输出无功补偿。

7.如权利要求6所述的分布式光伏功率因数优化方法，其特征在于，在第一测量点、第二测量点和第三测量点分别安装电表1、电表2、电表3，所述电表1、电表2、电表3分别采集各测量点的功率因数值、有功功率、无功功率、有功总电量、无功总电量，并将数据传输给智能控制器。

8.如权利要求6所述的分布式光伏功率因数优化方法，其特征在于，所述步骤四包括：

步骤4.1：采集产权分界点(供电局和用电单位)传回的无功功率Q_产，有功电量P_本月产和无功电量Q_本月产，上月有功总电量P_上月产，上月无功总电量Q_上月产；

步骤4.2：PF＝(P_本月产-P_上月产)/(SQRT((P_本月产-P_上月产)²+(Q_本月产-Q_上月产)²))；

步骤4.3：PF>＝0.9则继续采集产权分界点的数据；

步骤4.4：PF<0.9，则进入采集光伏并网点T接处数据采集；

步骤4.5：重复步骤4.1至4.4。

9.如权利要求6所述的分布式光伏功率因数优化方法，其特征在于，所述步骤五包括：

步骤5.1：智能控制器下达采集指令给电表1；

步骤5.2：采集电表1传回的无功功率Q₁，有功电量P_本月1和无功电量Q_本月1，上月有功总电量_P上月1，上月无功总电量Q_上月1；

步骤5.3：计算PF_表1＝(P_本月1-P_上月1)/(SQRT((P_本月1-P_上月1)²+(Q_本月1-Q_上月1)²))；

步骤5.4：PF_表1>＝0.9则警示灯量，管理员巡查厂区原有无功补偿系统是否正常；

步骤5.5：PF_表1<0.9，则执行步骤5.6；

步骤5.6：智能智能控制器下达采集指令给电表2；

步骤5.7：采集电表2传回的实时功率因数PF_表2；

步骤5.8：PF_表2>＝0.95则N台逆变器每台的输出无功值＝Q₃/N；

步骤5.9：PF_表2<0.95则逆变器停止输出无功；

步骤5.10：智能智能控制器的下达采集指令给电表3；

步骤5.11：采集电表3传回的无功功率Q₃，有功电量P_本3和无功电量Q_本3，上月有功总电量P_上月3，上月无功总电量Q_上月3；

步骤5.12：计算PF_表3＝(P_本1-P_上月3)/(SQRT((P_上月3-P_本3)²+(Q_本3-Q_上月3)²))；

步骤5.13：PF_表3>＝0.9则N台逆变器每台的输出无功值＝Q₃/N；

步骤5.14：PF_表3<0.9则逆变器停止输出无功；

步骤5.15：重复步骤5.1至5.14。

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