近幾年，我國光伏併網發電項目發展迅速，根據國家能源局統計數據，我國2014年光伏併網發電總裝機量10.5GW，其中分布式2.05GW，2015年上半年總裝機量7.73GW，分布式1.04GW。隨著裝機容量的快速增長，光伏併網發電與原有電網兼容性問題日益顯現，特別是分布式光伏併網項目，一般電網容量較小，容易出現兼容性問題，其中發生較多的是光伏設備投入後，原配電網出口功率因數下降至0.9以下，造成不良影響。
這裡就我公司光伏逆變器在不同現場接入後功率因數下降問題和相應解決方法做一簡單總結，也簡單談一下對分布式光伏電站設計的一些理解和建議。
首先說明一下功率因數相關公式：
η=P/S，其中P為有功功率，S為視在功率，
S2=P2+Q2，Q為無功功率，
由公式可知，功率因數大小與系統有功功率P和無功功率Q相關，當Q為零時，功率因數為1，當Q小於零時，系統吸收無功，η為負值，當Q大於零時，系統輸出無功，η為正值。
下面以幾個例子分析一下光伏設備接入後功率因數下降的原因。
例一
示意圖如圖1所示，某工廠通過一條10KV線路供電，變壓器容量2000kVA，光伏發電設備總容量400kW，併網點在總400V配電櫃，工廠原來安裝有400V三相共補型SVC，電流電壓採樣點均在10kV變400V變壓器下口。在光伏設備投運前，系統功率因數穩定在0.9~0.95之間，光伏設備投運後，功率因數在0.7~0.9之間跳變。
分析：該分布式項目電網結構簡單，並且光伏併網點接近總變壓器，只有一臺SVC設備，問題排除可逐步確認，首先通過工廠併網點電錶確認光伏設備接入前系統的有功功率和無功功率，P為700kW，Q為300kVA，光伏設備接入後，P為350kW~500kW，Q為310kVA。根據數據可見，光伏設備接入後系統無功基本無變化，因為光伏逆變器大多以單位功率因數運行，輸出基本為全有功，系統功率因數下降原因主要為系統消耗有功功率有一部分由光伏設備提供，從電網吸收有功功率減少，因此根據公式η=P/S，功率因數降低。從數據中同樣可以看出，在光伏設備未接入前，系統無功Q為300kVA，其值偏大，一般SVC設備設定補償起始功率因數為0.95左右，而現場功率因數低於該值，懷疑現場SVC設備運行不正常，經現場檢查，SVC設備所有電容全部投入，懷疑SVC設備容量不足，因SVC設備為工廠方面原有設備，而且使用時間較長，檢查和維修均不方便，因此放棄通過調整SVC提高功率因數的方案。現場將光伏逆變器輸出更改為無功給定模式，調整逆變器使總無功輸出為200kVA，再次投入使用後，觀察併網點數據。P為350kW~500kW。Q為100kVA，功率因數保持在0.95以上，至此問題解決。
例二
某工廠通過一臺1000kVA容量變壓器供電，光伏設備總容量200kW，同樣配有SVC設備，光伏設備接入前系統功率因數0.95~0.97之間，光伏設備接入後，功率因數0.3~0.7之間。
分析：同樣先通過工廠總併網點電錶觀察光伏設備接入前後有功無功變化，接入前P為200~300kW，Q為30kVA，接入後P為50~150kW，Q為70~110kVA。通過數據可以看出光伏設備接入後系統總無功上升較多，檢查SVC設備後發現，電容組投切不正常，有時會出現報警，全部電容同時切出狀況，查詢無功補償控制器手冊，報警原因為系統電流諧波超標，為保護電容器，因此將其切出。通過在網上查找相關資料，具體的原因是因為在光伏設備接入後，由於逆變器以單位功率因數輸出，而且電流諧波含量較少，可以認為其提供了部分基波電流，流經變壓器的基波電流因而減小。而系統中的諧波電流沒有變化，這樣在諧波濾波、無功補償的取樣點，即變壓器低壓側，電流諧波相對含量就變大了，也就是無功補償控制器計算出的THD值變大了，當這個值超過報警值時，SVC設備就無法正常進行無功補償了。現場處理方法為修改無功補償控制器THD保護值，保證在THD相對較大情況下也可以正常運行，但這種方案存在一定風險，有可能導致SVC的電容組損壞。如果想要從根本上解決，最好的方法是將SVC更換為APF設備，在補償無功的同時也可以補償諧波，就不會出現諧波超標問題。通過這個項目我們可以看出，雖然光伏接入容量滿足了小於其上級變壓器容量25%的限制，但實際運行時仍可能出現問題，在設計中應當充分考慮用戶實際用電功率，光伏設備總功率可以配置為實際用電功率的一半，這樣對電網的影響一般較小，各配電設備基本都可不受影響正常運行。
例三
示意圖如圖2所示，某工廠通過一條10KV線路供電，變壓器容量2000kVA，400V線路共分為5個車間，每個車間400kVA，均配有SVC設備，光伏設備總量400kW，接入點為焊接車間400V配電櫃下口，該車間SVC設備採樣點也為該配電櫃。光伏設備接入前，10kV併網點功率因數0.95左右，光伏設備接入後，功率因數下降到0.8左右。
分析：首先可以很明顯的看出該項目設計的不合理，光伏設備併網點選在一個車間母線上，與該車間用電功率幾乎相等，線路很容易出現逆流情況，對補償設備和採集設備都有較大影響。因為光伏接入在焊接車間支路母線，因此從焊接車間接入上級母線接入點電錶讀數開始分析，在光伏接入之前，P為190~260kW，Q為30kVA，光伏設備接入後，P為-50~-100kW，Q為-250kVA。在光伏設備接入後，焊接車間SVC設備所有電容全部切出，功率因數顯示-0.1~-0.3，很明顯SVC檢測到的有功功率和無功功率不正確，導致其工作異常。將光伏設備從系統斷開，將SVC電容手動全部切出，觀察電錶顯示P為190~260kW，Q為250kVA，逐臺併入光伏設備，觀察到電錶有功功率P逐漸減小，Q基本不變，當P減小到負值後，Q由250kVA變為-250kVA，至此問題原因找到，是因為無功補償控制器不兼容逆向功率，導致測量結果錯誤，從而錯誤的控制電容器切出，最終導致總併網點功率因數下降。具體解決方法為更換新型號無功補償控制器，禁用控制器的自動檢測接線功能，重新接入光伏設備，觀察焊接車間電錶顯示P為-50~-100kW，Q為30kVA，總併網點功率因數恢復正常。
總結
通過以上三個實際例子，基本上可以總結出解決這類問題的方法：首先確定光伏設備接入母線，其次確認該母線上無功補償設備採樣點，最後根據母線總出口電錶數據分析問題原因。有的時候原因很容易找到，但是解決起來很困難，在項目整體施工都完成的情況下更換併網點，或者原本不會出現逆流的支路現在會出現逆流，這些問題有時只能採取臨時方案或者妥協放任低功率因數，再者只能多花錢採購功能更強大的無功補償設備，無論對用戶還是對設備廠商都是不願看到的，因此在項目初期就做好設計才能從根本上避免問題的出現。
項目設計首先需要確定的是容量，根據客戶需求容量分析現有線路、變壓器、併網點是否滿足要求，小型光伏電站總容量原則上不宜超過上一級變壓器供電區域內的最大負荷的25%。這裡不超過最大負荷的25%對所有支路都要分別考慮，特別是每個支路都有獨立無功補償設備的時候，比較好的設計是把光伏設備分散在不同支路併網，這樣對單個支路的影響可以減到最小。
其次設計中需要考慮的是總體母線或者支路中的負載情況，對於負載變化頻繁而且功率波動較大的支路不宜選為光伏接入點，光伏設備的加入可能加大該支路功率的波動，造成支路電壓和頻率變化，嚴重時會導致逆變器脫網，負載損壞等，同時線路電壓、電流諧波也有可能受到影響，導致對諧波敏感設備不能正常工作。
設計中最好提前了解用戶配電網中已有的無功補償或者APF等設備，對光伏設備接入相應支路可能造成的影響提前做好預案，一旦出現情況可以有方案進行補救。最好能夠提前了解相關設備的功能和參數，有條件的可以提前測試性能和保護值。
以上幾點就是對分布式電站設計中功率因數相關問題的一些小建議，希望能給大家在電站設計中做個參考，其中例子只是對特定項目的一些總結，難免有所疏漏，其他現場的實際情況可能存在不同，具體問題還要具體分析。
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