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[摘 要]分布式光伏发电系统在接入用户配电网后，可能会出现并网高压侧功率因数过低且出现跳跃的现象；本文分析引起该现象的原因，通过增加无功补偿设备解决该问题，提高系统效率并避免经济损失。
[关键词]分布式光伏；功率因数；无功补偿
中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0222-02
分布式光伏发电，主要是利用有限的屋顶或地面，建设小型光伏电站，该系统主要由太阳能电池方阵和逆变器两部分组成。分布式光伏发电具有因地制宜，所发电力就近吸收，效率较高等优点，一直受到人们的关注。最近随着国家的政策支持，分布式光伏发电系统开始如雨后春笋般的发展起来。
在实际应用中，从经济性出发，需要考虑光伏发电系统的输出功率和负荷吸纳的匹配情况。但在二者完全匹配时，经变压器输入的有功功率会下降较大，从而导致整个配电系统项目的功率因数出现较大下降并出现波动，引起电网的损耗增加，电能质量降低，严重时甚至会损坏相关设备；更有甚者，用电单位甚至会因为功率因数过低而导致被罚款。本文針对以上问题进行了分析，提出了解决问题的措施，提高系统的功率因数，满足了接入光伏系统后配电网的功率因数要求，具有一定的典型性。
分布式光伏发电系统的接入方式
新疆某机场采用1回路10KV线路供电，经两台1000KVA变压器转为380V后提供机场负荷，其中一台变压器（1#变）布置在中心变，提供机场照明、日常生活用电等；另一台变压器（2#变）提供机场跑道灯光、辅助照明等设备，由于该机场的特殊性，2#变并不经常投入使用。中心变配备有200Kvar的无功补偿装置，该装置采用分组投入方式进行控制。按照事先调研，该机场中心变白天的平均负荷在90KW左右。为促进节能减排，该机场新上了一套分布式光伏发电系统，按照与机场负荷匹配的原则，该光伏系统的最大输出功率设计为150KW，使项目的经济性达到最优。考虑到光伏系统的发电功率不大，机场原有的无功补偿装置基本可以满足要求，因此就没有增加新的无功补偿设备。
该机场的接入分布式光伏系统的配电网如图1所示：
问题的现象
在该项目接入机场配电系统前，配电系统工作正常，功率因数基本上在0.95以上；该项目接入配电系统并正常发电后，配电系统出现了如下异常：功率因数在某一时段下降很大，且存在一定的波动现象；断开光伏系统后，配电系统即恢复正常。由于逆变器功率因数在-0.8到0.8之间可调，在把逆变器功率因数调整到接近1时，配电系统的功率因数依然随着逆变器的输出功率增加而下降，经现场测量：逆变器输出的电能质量均符合国家电网要求。因此初步断定是光伏系统输出功率的变化引起了功率因数下降的问题。
问题分析
在发现该问题后，技术人员在现场做了交叉对比实验，实验数据如下：
从以上数据可以看出，在未接入光伏发电系统时，不论是否投入SVG，系统的功率因数变化都不大；在接入光伏系统后，SVG对系统功率因数的影响也基本可以忽略。对以上结果的分析原因如下：该机场的无功功率较小，而机场中心变的SVG为分组投切方式，共200Kvar，分为8组（8 组25Kvar）。由于配电网总的无功功率太小，达不到SVG投切的最小无功功率要求，因此该SVG并未投入。
因此，该系统的功率因数变化仅仅与接入光伏发电功率大小有关：改变逆变器发出的有功功率数值，配电系统的功率因数出现了变化，输出有功越少，配电系统的功率因数越高。根据以上现象判断如下：光伏系统发电功率的变化引起了配电系统功率因数的变化。由于光伏系统的发电功率随太阳高度呈现规律性变化，技术人员采集了光伏系统未接入配电系统时机场的功率数据和光伏系统接入配电系统时机场的功率数据，并分别计算其功率因数，光伏系统未接入配电系统时机场功率数据及功率因数的数据如图2所示：
从上图可以看出，正常情况下，机场在白天的有功功率在60KW到100KW之间，无功功率基本上在-10KVar到15KVar之间，功率因数稳定在0.95以上。
光伏系统接入配电系统时机场的功率数据如图3所示：
通过对比图2与图3可以发现：在光伏系统接入配电系统后，机场的无功功率并未发生明显变化，但是有功功率却出现了较大波动，从上午10点开始到下午4点，有功功率变化明显，某些时段甚至低于无功功率，从而造成了机场的功率因数也随之波动。最典型变化出现在上午10点开始到下午4点这一时间段内，此时正是光伏系统的发电功率较高的时间；下午1点左右是光伏发电功率最大时刻，此时的配电网有功功率最低，监测到的数据显示为4.39KW，此时的无功功率为9.5Kvar，相应的功率因数为0.42。
进一步分析发现：光伏发电功率因数在0.99以上，所发功率基本上为有功功率，该有功功率能够满足机场的有功负荷要求。由于该光伏系统是按照最大输出功率匹配机场的负荷需求来设计的，当光伏系统输出功率代替电网有功功率满足机场负荷后，通过10KV变压器传输的有功功率就随之减少，甚至会出现电能“倒送”的情况。因此光伏发电功率越大，经变压器传输的有功功率就越小，功率因数也随之降低，到一定程度时，变压器就处于轻载甚至空载状态；光伏系统的输出功率受天气条件影响而波动较大，加上机场负荷也具有波动性，在变压器轻载条件下，这种波动对功率因数的影响就比较明显，从而造成了功率因数的波动；而由于系统无功功率太低，本地SVG检测到的电流较小从而不投入，无功功率得不到补偿，这就造成了配电系统功率因数过低且出现波动的现象。
采取措施及结果
由于引起该问题的原因主要是变压器轻载时，经变压器传输的有功功率相对无功功率过小引起的，因此解决办法主要是通过补偿设备来补偿变压器本身的无功损耗。经过和SVG厂家讨论后，增加一套300Kvar的高压侧SVG，该套SVG的电压电流互感器均安装在10KV变压器的一次侧，补偿点也选在10KV变压器的一次侧，系统如图4所示：
经合理调整参数后，系统可以做到较好的补偿变压器的无功损耗，补偿后整个配电网的功率因数最低为0.923，补偿后系统的功率数据如图5所示：
结束语
综上所述，根据项目的实际情况，结合SVG设备的特点，在SVG厂家的协助下，通过在变压器一次侧测量，一次侧功率因数自动无功补偿的方法，解决了在分布式光伏发电系统并网时容易出现的功率因数过低且经常出现波动的问题，从而避免了电能质量下降或电网罚款的情况，具有较好的经济意义。
参考文献
[1] 李树坚，曹延朋 浅谈低压无功补偿电容器组投切震荡的防治 机电工程技术，2004，3（8）：129-130
[2] 闻桂成，李湘君 变压器无功补偿问题探讨 电气技术 2009，10：87
[3] 李杭，耿磊 某厂房400V配电段接入光伏发电系统后功率因数下降原因的分析 华东科技：学术版 2012，05：6-7
[关键词]分布式光伏；功率因数；无功补偿
中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0222-02
分布式光伏发电，主要是利用有限的屋顶或地面，建设小型光伏电站，该系统主要由太阳能电池方阵和逆变器两部分组成。分布式光伏发电具有因地制宜，所发电力就近吸收，效率较高等优点，一直受到人们的关注。最近随着国家的政策支持，分布式光伏发电系统开始如雨后春笋般的发展起来。
在实际应用中，从经济性出发，需要考虑光伏发电系统的输出功率和负荷吸纳的匹配情况。但在二者完全匹配时，经变压器输入的有功功率会下降较大，从而导致整个配电系统项目的功率因数出现较大下降并出现波动，引起电网的损耗增加，电能质量降低，严重时甚至会损坏相关设备；更有甚者，用电单位甚至会因为功率因数过低而导致被罚款。本文針对以上问题进行了分析，提出了解决问题的措施，提高系统的功率因数，满足了接入光伏系统后配电网的功率因数要求，具有一定的典型性。
分布式光伏发电系统的接入方式
新疆某机场采用1回路10KV线路供电，经两台1000KVA变压器转为380V后提供机场负荷，其中一台变压器（1#变）布置在中心变，提供机场照明、日常生活用电等；另一台变压器（2#变）提供机场跑道灯光、辅助照明等设备，由于该机场的特殊性，2#变并不经常投入使用。中心变配备有200Kvar的无功补偿装置，该装置采用分组投入方式进行控制。按照事先调研，该机场中心变白天的平均负荷在90KW左右。为促进节能减排，该机场新上了一套分布式光伏发电系统，按照与机场负荷匹配的原则，该光伏系统的最大输出功率设计为150KW，使项目的经济性达到最优。考虑到光伏系统的发电功率不大，机场原有的无功补偿装置基本可以满足要求，因此就没有增加新的无功补偿设备。
该机场的接入分布式光伏系统的配电网如图1所示：
问题的现象
在该项目接入机场配电系统前，配电系统工作正常，功率因数基本上在0.95以上；该项目接入配电系统并正常发电后，配电系统出现了如下异常：功率因数在某一时段下降很大，且存在一定的波动现象；断开光伏系统后，配电系统即恢复正常。由于逆变器功率因数在-0.8到0.8之间可调，在把逆变器功率因数调整到接近1时，配电系统的功率因数依然随着逆变器的输出功率增加而下降，经现场测量：逆变器输出的电能质量均符合国家电网要求。因此初步断定是光伏系统输出功率的变化引起了功率因数下降的问题。
问题分析
在发现该问题后，技术人员在现场做了交叉对比实验，实验数据如下：
从以上数据可以看出，在未接入光伏发电系统时，不论是否投入SVG，系统的功率因数变化都不大；在接入光伏系统后，SVG对系统功率因数的影响也基本可以忽略。对以上结果的分析原因如下：该机场的无功功率较小，而机场中心变的SVG为分组投切方式，共200Kvar，分为8组（8 组25Kvar）。由于配电网总的无功功率太小，达不到SVG投切的最小无功功率要求，因此该SVG并未投入。
因此，该系统的功率因数变化仅仅与接入光伏发电功率大小有关：改变逆变器发出的有功功率数值，配电系统的功率因数出现了变化，输出有功越少，配电系统的功率因数越高。根据以上现象判断如下：光伏系统发电功率的变化引起了配电系统功率因数的变化。由于光伏系统的发电功率随太阳高度呈现规律性变化，技术人员采集了光伏系统未接入配电系统时机场的功率数据和光伏系统接入配电系统时机场的功率数据，并分别计算其功率因数，光伏系统未接入配电系统时机场功率数据及功率因数的数据如图2所示：
从上图可以看出，正常情况下，机场在白天的有功功率在60KW到100KW之间，无功功率基本上在-10KVar到15KVar之间，功率因数稳定在0.95以上。
光伏系统接入配电系统时机场的功率数据如图3所示：
通过对比图2与图3可以发现：在光伏系统接入配电系统后，机场的无功功率并未发生明显变化，但是有功功率却出现了较大波动，从上午10点开始到下午4点，有功功率变化明显，某些时段甚至低于无功功率，从而造成了机场的功率因数也随之波动。最典型变化出现在上午10点开始到下午4点这一时间段内，此时正是光伏系统的发电功率较高的时间；下午1点左右是光伏发电功率最大时刻，此时的配电网有功功率最低，监测到的数据显示为4.39KW，此时的无功功率为9.5Kvar，相应的功率因数为0.42。
进一步分析发现：光伏发电功率因数在0.99以上，所发功率基本上为有功功率，该有功功率能够满足机场的有功负荷要求。由于该光伏系统是按照最大输出功率匹配机场的负荷需求来设计的，当光伏系统输出功率代替电网有功功率满足机场负荷后，通过10KV变压器传输的有功功率就随之减少，甚至会出现电能“倒送”的情况。因此光伏发电功率越大，经变压器传输的有功功率就越小，功率因数也随之降低，到一定程度时，变压器就处于轻载甚至空载状态；光伏系统的输出功率受天气条件影响而波动较大，加上机场负荷也具有波动性，在变压器轻载条件下，这种波动对功率因数的影响就比较明显，从而造成了功率因数的波动；而由于系统无功功率太低，本地SVG检测到的电流较小从而不投入，无功功率得不到补偿，这就造成了配电系统功率因数过低且出现波动的现象。
采取措施及结果
由于引起该问题的原因主要是变压器轻载时，经变压器传输的有功功率相对无功功率过小引起的，因此解决办法主要是通过补偿设备来补偿变压器本身的无功损耗。经过和SVG厂家讨论后，增加一套300Kvar的高压侧SVG，该套SVG的电压电流互感器均安装在10KV变压器的一次侧，补偿点也选在10KV变压器的一次侧，系统如图4所示：
经合理调整参数后，系统可以做到较好的补偿变压器的无功损耗，补偿后整个配电网的功率因数最低为0.923，补偿后系统的功率数据如图5所示：
结束语
综上所述，根据项目的实际情况，结合SVG设备的特点，在SVG厂家的协助下，通过在变压器一次侧测量，一次侧功率因数自动无功补偿的方法，解决了在分布式光伏发电系统并网时容易出现的功率因数过低且经常出现波动的问题，从而避免了电能质量下降或电网罚款的情况，具有较好的经济意义。
参考文献
[1] 李树坚，曹延朋 浅谈低压无功补偿电容器组投切震荡的防治 机电工程技术，2004，3（8）：129-130
[2] 闻桂成，李湘君 变压器无功补偿问题探讨 电气技术 2009，10：87
[3] 李杭，耿磊 某厂房400V配电段接入光伏发电系统后功率因数下降原因的分析 华东科技：学术版 2012，05：6-7