浅谈分布式光伏发电系统低压并网后导致功率因数降低的解决方案

闫欢,曾德谟

【摘要】在国家大力发展光伏发电系统的政策下，大量的分布式光伏发电项目接踵而至，而部分低压并网的分布式光伏发电工程在投运后，会导致用户配电系统功率因数降低的问题。本文分析了用户配电系统功率因数降低的原因并提出了解决方案，为分布式光伏发电系统的设计提供理论支持。

【关键词】分布式光伏；功率因数；接入点；无功补偿

1、引言

分布式光伏发电系统是指将太阳能光伏发电装置安装在各种用户的住宅、商业场所、工业厂房的屋顶或其他地方，为用户提供电力的系统。随着国家采取措施支持分布式光伏发电的发展，我国的分布式光伏发电系统正在迅速发展。在“双碳目标”引领下，2020年中国光伏发电新增装机容量为 48.2 GW，其中分布式光伏发电新增装机容量为 15.52 GW，占比高32.2%，分布式光伏发电已成为光伏行业的发展重点[1]。2021年我国光伏新增装机容量为 54.88 GW，其中分布式光伏为29.28 GW、光伏电站为25.60 GW[2]。2022年中国分布式光伏市场更加强劲发展，2022年1月-9月，中国分布式光伏新增装35.3GW，与去年同期相比增长115%。经过多年的发展，中国的分布式光伏发电系统已经成为全球最大的发电装机容量，在全球环境保护、节能减排和可再生能源发展中发挥着重要作用。

电网公司将功率因数作为考核电力用户用电质量的重要指标，高压供电的用户功率因数为 0．90以上; 其他电力用户和大中型电力企业功率因数为 0． 85 以上; 农业用电功率因数为 0．80 以上[3]，，未达到考核标准将加收功率因数调节费(即力调电费)。为此，用电企业会在配电装置上安装无功补偿装置。但据笔者了解，分布式光伏电站的并网运行会影响企业用电无功补偿装置的运行[4]，而光伏发电站发电功率越接近企业用电负荷，对无功补偿装置补偿精度的影响越大，甚至会造成无功补偿装置退出运行，导致功率因数不合格。本文分析了造成这一现象的原因，提出了几种有效的解决方案，以保证分布式光伏电站的有效运行。

2、原因分析

光伏系统投运之前，企业用电负荷电能均由系统侧（变压器侧）提供，如图1中P1,Q1。无功补偿装置控制器通过监测进线处的CT电流和母线电压计算功率因数，当控制器判断功率因数过低时，自动投入适量的电容器组，以保证K点的功率因数值能满足电力公司的要求。

图1 企业配电装置主接线示意图

1）当光伏电站并网发电后，企业用电负荷吸收的电能由系统侧与光伏电站共同提供，即P3=P1+P2,Q3=Q1+Q2[5]。由于逆变器发出的电能的功率因数接近于1，即光伏电站发出的几乎都为有功功率，当光伏电站发出的有功越大，企业用电负荷从电网吸收的有功就越小，当光伏电站发电量接近于企业用电负荷时，企业用电负荷吸收的有功几乎全部由光伏电站提供，P1接近于0，而吸收的无功仍然由系统侧提供，此时监测点K的功率因数cosφ=，由于P1很小，且小于补偿电容的分组容量，导致无功补偿装置无法继续追加投入电容器组，进而导致监测点K的功率因数过低。例如：在光伏电站发电量接近于用电负荷时，P1仅有15kW，经无功补偿装置补偿后，Q1为20kVar，无功补偿装置的单个电容器容量为30kVar，无法再追加投入电容器，此时的功率因数cosφ==0.6，无法满足电网公司的要求。

2)为了防止电容器受到谐波污染的严重影响，无功补偿装置通常配置有谐波过限保护功能。该功能能够根据取样点的谐波含量是否超出规定范围，自动切断或投入电容器。这样既能避免电容器因为谐波过载而损坏，又能在系统谐波水平降低后及时恢复无功补偿效果。无功补偿装置在母线处采样谐波电压，在电网低压侧采样谐波电流。现场光伏发电系统输出电能质量优良，几乎只含有基波电流。流经变压器的基波电流（即从电网来的基波电流）与逆变器输出的基波电流（即光伏发电系统输出的基波电流）之和等于流经厂用负荷的基波电流，当光伏发电达到高峰时，由于光伏发电系统提供了大量基波电流，变压器（即从电网来的基波）只提供少量基波，而系统中谐波没有变化，所以流经变压器的谐波（即从电网来谐波）也没有变化。由于基波减少而谐波不变，在无功补偿装置采样谐波时检测到了较高比例的谐波，无功补偿装置启动了超值保护，切断了容器，导致系统功率因数降低。 当光伏发电处于低谷时，基波和谐波都来自于电网，采样点检测到正常比例 谐波，无功补偿装置能够正常投入运行。

3、解决方案

1）将光伏发电系统的接入点设置在无功补偿装置采样电流互感器的上端[6]，如图2所示，此时企业用电负荷P3仍等于P1+P2，Q3 仍等于Q1+Q2,但无功补偿装置的电流采样值变为系统侧（变压器侧）电流与光伏电站发出电流的和电流，当P2增大，P1减小时，流经监测点K的有功电流仍然很大，

且无功补偿装置能够正常投运，K点功率因数能够满足电网要求，同时光伏电站发出的正弦基波电流流过K点，有效降低谐波含量，避免无功补偿装置因为负荷变化或者谐波含量高而退出的问题。

图2 光伏发电系统接入点改造后的主接线示意图

2）在光伏并网柜内增设电流互感器，该电流互感器型号与无功补偿装置采样电流互感器同型号参数。将两组电流互感器二次绕组并联接入无功补偿控制器，如图3所示，目的是将光伏电站发电量信息和系统侧用电量信息同时输入无功补偿装置控制器，从而实现动态调节投切电容器组，以保证配电装置处的功率因数达标。

图3无功补偿装置采样点改造后的主接线示意图

3）市面上已有成熟的无功补偿修正装置，它可以采集并网点信息和低压总进线电压、电流和向量角，并通过RS485线将数据发送给无功补偿修正装置，补偿修正装置接收到数据后，由中央主控单元进行快速的逻辑和数值运算。补偿修正装置内部有标准电流源，电流信号通过专用线缆传输到原无功补偿柜控制器。通过对无功补偿柜控制器的采样进行矫正，使得无功补偿柜能够精确投切，从而保证整个系统的功率因数不下降。

4）保持原有的无功补偿柜不变，但将其内部更换为SVG及控制器，结合电容器和协调控制，使补偿装置能够灵活地输出连续可调的无功电流，从而实现对小容量负荷的精确补偿，确保各时段功率因数均达到较高水平,并在此基础上加装一套有源滤波装置，防止无功补偿装置由于谐波含量超限而退出运行。

4、结束语

对于解决方案1）、2）、3）中的方法，可解决绝大多数用户配电系统功率因数降低的问题，但如果原无功补偿装置分组容量较大，则不能实现精确补偿，在光伏发电系统发电量非常接近负荷用电量时，虽然监测点K的功率因数合格，但10kv关口侧仍可能短时导致功率因数不合格。对于解决方案4）中方法，则可完全解决用户配电系统功率因数降低的问题，但投资较大。在实际应用中，需要根据不同用户的实际情况和需求，综合考虑各种方案的经济性、可行性、可靠性等因素，选择最适合的方案进行实施。

[1]张珍珍,吕清泉,张健美.“双碳”目标下分布式光伏发电技术的研究进展及展望[J].太阳能,2023,No.345(01):17-21.DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20211104.01.

[2]张羽.分布式光伏电站智能运营平台的设计与实现[J].现代制造技术与装备,2022,58(12):34-37.DOI:10.16107/j.cnki.mmte.2022.0776.

[3]水利电力部.关于颁发《功率因数调整电费办法》的通知( ( 83) 水电财字第 215 号) ［EB /OL］．［2012-04-28］

[4]陈伟． 分布式光伏发电接入对用电客户功率因数的影响及计算方法探讨［J］． 安徽电气工程职业技术学院学报，2015( S1) : 18-21．

[5]康盟越.分布式光伏接入电网后对用户功率因数的影响分析[J].机电信息,2019,No.587(17):65+67.DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2019.17.035.

[6]李雪松.分布式光伏并网后对功率因数的影响和解决方案[J].上海节能,2018,No.359(11):887-891.DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2018.11.011.

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