分布式光伏無功補償問題探討

張銘輝 施飛 陳東楚

摘要：文章從某分布式光伏發電項目發生的功率因數異常出發，介紹了目前分布式光伏發電幾種不同并網接入形式可能存在的無功補償問題，分析了功率因數失調的原因，旨在總結經驗，探討分布式光伏無功補償的合理模式，為電站設計提供參考。

關鍵詞：分布式光伏；并網點；無功補償；功率因數；控制器；電站設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM615 文章編號：1009-2374（2016）06-0141-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.070

分布式光伏發電具有因地制宜、分散布局、就地消納的特點，是未來光伏發電發展的重要方向，市場潛力巨大。近年來鼓勵發展清潔能源，分布式光伏的裝機容量逐年提高，取得了良好的經濟效益和社會效益，但是分布式光伏接入電網以后出現的各種問題也日益顯現，其中就包括無功補償問題。

1 功率因數失調分析

1.1 無功補償退出的問題

某齒輪廠屋頂光伏發電總裝機容量為600kWp，分兩個逆變器就近并入380V配電母線，再通過工廠內部設備與公用電網連接，10kV變壓器容量為1250kVA，如圖1。由于光伏裝機容量較小，考慮配電側原有的無功補償裝置能提供足夠的無功，故沒有另外再加裝無功補償。在接入光伏發電系統以后，其中一個廠房（接入點1）的電氣系統頻繁出現功率因數下降的情況，功率因數在0.3～0.7之間，而另一個廠房卻運行正常。

檢查功率因數異常期間，無功補償控制器出現報警（諧波），電容器1不能投入，即無功補償退出。而且根據現場人員反映，功率因數低都是在光照條件好、逆變器輸出最大的時刻。在后來的排查中試著拉開光伏接入1的開關，無功補償恢復投入，測量此時電網獨立供電的下行功率為249.4kW（即廠房1負載功率）。重新合上光伏開關，由逆變器輸出的功率為150.7kW。對比接入點2的光伏輸出功率相當，但廠房2的穩定負載功率超過了800kW。

分析：該低壓配電區無功補償采樣點取自10kV變壓器低壓側電流，光伏接入點在取樣CT以下，如圖1。根據測得的負載大小和光伏輸出功率推斷，接入點1由于光伏提供了負載需要的大部分功率，導致無功補償采樣點的電流大幅下降（基波電流），諧波電流比例上升，超過了設定限值時無功補償退出。

現場將無功補償控制器1的諧波保護定值調高，諧波報警消失，電容器1又能投入補償。至此，諧波超值問題似乎得到印證，但是該方法同時削弱了諧波保護功能，不利于電容器長期運行。要解決本例中的功率因數下降問題，宜改用有源電力濾波器APF，通過動態跟蹤補償來補償無功、抑制諧波。

根據筆者經歷，對于同樣的光伏并網點在補償控制采樣CT以下的接入方式，還可能出現另一種因補償控制器故障引起的功率因數失調。通常工廠的生產活動不是固定的，由于負荷發生變化，當光伏系統輸出功率P2大于接入區域的負載P3時，就出現功率往變壓器高壓側倒送的情況（P1'），如圖1。此時，下行的無功功率Q不變，而P1變成P1'，工作點從A點移到B點，如圖2。

對于很多非四象限的補償控制器，一旦出現功率倒送的情況就無法測量功率因數，在報故障的同時將電容器切出，導致無功補償退出。因此針對工廠負載變化較大可能出現功率倒送的補償監測點，必須更換為四象限無功功率型的控制器。

1.2 無功補償不足的問題

由于逆變器輸出的無功分量較小，分布式光伏系統接入工廠以后，如果原有的無功余量足夠，一般不需要額外再增加電容器組。實際應用中，有工廠反映，接入光伏系統以后無功補償正常投入，但一段時間內有電費增加的情況。經過調查，這種現象發生在光伏接入點在無功補償采樣點上方的接線方式，而且光伏安裝容量相對較大。特別是工廠某月度穩定負荷比平時下降時，由光伏提供的功率比例大幅上升，可能超過設計時負荷的25%。此時，即使無功補償控制器按設定的功率因數值進行補償，但仍有一部分無功功率取自電網，對于電網考核點來說功率因數必然降低，如圖3。A點為光伏接入前，電網下行功率P和Q。接入光伏以后，由于光伏提供功率△P，使得電網下行有功減少為P'，功率因數降低。要使考核點回到原先的功率因數水平，則至少還需要增加無功△Q。

因此經常出現無功補償不足時，該無功補償控制器應該調整為按無功功率補償的方案。

2 無功補償的設計因素

分布式光伏接入電網以后出現的無功補償問題，大多與安裝容量、接入點位置等因素有關，而這些要素在設計階段就要加以考察分析，盡可能規避補償失配。

根據《國家電網分布式能源接入系統技術規定》的要求：“分布式電源總容量原則上不宜超過上一級變壓器供電區域內最大負荷的25%。”但是由于光伏隨天氣變化輸出功率不穩定，負載本身也會變化，很多在設計光伏安裝容量時，往往只是按變壓器容量而不是最大負荷考慮，實際運行中出現逆流的情況很常見。因此當設計容量可能超過最大負荷的25%時，必須按規范要求進行無功補償和電能質量的專題分析。

在選擇并網點時，還要考慮接入點與采樣點CT的位置關系，是否適應原有補償控制器的功能。例如，當光伏接入點在采樣CT以上，則本文提到無功補償退出的兩個案例都不會出現。對于光伏系統有多個接入點的，建議分散在負荷波動較小的不同支路并網，有利于功率的平衡穩定，減少對單個支路的影響。

由于接入光伏系統以后補償采樣點可能出現逆流，采樣點和電網考核點的功率因數有差異等問題，根據實際情況要求使用適應性強的無功補償，有條件的宜選擇無功功率型的補償方式。

3 結語

分布式光伏一般通過用戶原有的電力設施并入中、低壓配電網，適用于建筑屋頂、工業廠房等，外部情況復雜。由于接線方式、負荷波動等原因，容易出現無功補償失配問題。筆者通過總結電站運營經驗，提出了規避一些常見補償問題的建議，供大家參考。

參考文獻

[1] 國家電網分布式能源接入系統技術規定（Q/GDW480-2010）[S].北京：中國電力出版社，2010.

[2] 李宏仲.地區電網無功補償與電壓無功控制[M].北京：機械工業出版社，2012.

作者簡介：張銘輝（1982-），男，浙江杭州人，浙江正泰新能源開發有限公司繼電保護技師，工程師，研究方向：電力管理。

（責任編輯：蔣建華）