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

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【摘要】由于屋顶光伏发电项目具有节约占地面积、所发电能可就地消化、系统损耗小等优点，近年来得到了大力发展。本文对某厂房400v配电段接入光伏发电系统后出现功率因数下降的原因进行分析，提出了屋顶光伏就地接入厂房配电系统的建议和设计中的注意事项。

【关键词】屋顶光伏；无功补偿；谐波

1　引言

太阳能屋顶光伏发电系统由光伏组件、光伏汇流箱、直流汇流柜、逆变器、交流并网开关柜及电气保护、监控和数据传输系统等部分组成。

其中，光伏组件、光伏汇流箱布置在建筑屋顶上，直流汇流柜、逆变器、交流并网开关柜及电气二次设备一般布置在建筑一楼新建的电气设备室内。

光伏发电系统的构成如图1所示：

光伏发电工程每兆瓦装机容量需占地1.5万平米左右。在建筑物屋顶建设光伏电站，节约了大量地面土地，并且所发电能一般就近接入建筑配电系统，送出线路长度短，系统损耗小，近年来得到了迅速发展。

2　某3MWp屋顶光伏发电工程概况

该工程建立在某厂区内6栋厂房建筑屋顶上，每个厂房屋顶装设峰值功率为240Wp的光伏多晶硅组件2100块，装机容量为504kWp，全厂6栋厂房总装机容量为3024kWp。每个厂房屋顶光伏组件所发直流电通过逆变器逆变成400V交流电，就近直接接到各厂房的400V配电母线上，通过用户内部电网连接公用电网。由于光伏装机容量较小，所发电力可在用户内部就地消化。考虑到光伏装机容量不大且逆变器输出的电能中无功分量较小，原有配电段装设的无功补偿装置能提供足够的无功，无功功率可在就地平衡，故没有另外再装设无功补偿装置。

每个厂房400V配电变压器的容量均为2500kVA，而光伏装机容量为504kWP，满足《光伏电站接入电网技术规定》（Q／GDW　617-2011）中要求的：小型光伏电站总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内的最大负荷的25％。

图2示出了其中一个厂房的光伏并网电气接线情况，其余5个厂房的电气接线情况与此类似。图中，虚线框内的光伏发电系统为新建工程，其余为厂房原有配电系统。谐波滤波、无功补偿取样电流取自变压器低压侧进线总开关柜内的电流互感器。

3　功率因数下降情况

在屋顶光伏发电项目投运后，每天上午九、十点钟，太阳光照强度达到多晶硅组件工作条件，逆变器交流侧输出开始有电流流过。在逆变器没有工作时，6个厂房的电气系统全部运行良好。而在逆变器工作后，6个厂房中有5个厂房的电气系统运行良好，符合设计预期。有一个厂房的电气系统在光伏逆变器启动后出现了功率因数下降的情况。

4　原因分析

按照逆变器厂家资料，逆变器交流侧输出电能功率因数在-0.9～+0.9之间可调，实际能实现此功能，且将逆变器功率因数调至接近1的时候，系统依然出现了功率因数下降的情况。通过对逆变器交流侧输出进行实际测量，其电能质量符合设备设计参数，证明系统功率因数下降不是由于逆变器设备本身的问题。

经现收资，5个运行良好的厂房，其经常负载在1800kW左右。而功率因数下降的厂房，由于生产线没有满负荷运行，其经常负载在700kW左右。

分析原因如下：

在逆变器没有启动时，厂用负荷工作流过的电流等于流过变压器低压侧的电流，电流由基波和谐波构成，谐波含量相对较小。谐波滤波、无功补偿取样电流取自变压器低压侧进线总开关柜内的电流互感器。于是无功补偿装置开始工作，以平衡系统无功和抵消系统中的谐波。

而在逆变器启动后，逆变器输出的电能质量较好，可近似看成仅输出基波电流。流经变压器的基波电流（即电网送来的基波电流）加上逆变器输出的基波电流等于流经厂用电负荷的基波电流。所以在逆变器启动后，由于逆变器提供了部分基波电流，流经变压器的基波电流减小了。而系统中的谐波电流没有变化，这样，流经变压器的谐波电流没有变化。基波电流减小，而谐波电流不变，这样在谐波滤波、无功补偿的取样点，即变压器低压侧，电流谐波含量就变大了。

谐波污染会对传统的无功补偿装置一并联电容器造成危害。原因是：1.并联电容器组对谐波有放大作用，易发生串联谐振或并联谐振，使得系统电压及电流的畸变更加严重：2.由于谐波电流叠加在电容器基波电流上，使电容器的电流有效值增大，造成温度升高，减少使用寿命，甚至永久损坏。

因此无功补偿装置多装设有谐波超值保护，当取样点处谐波含有率超标时，切除电容器，从而保护电容器不会由于谐波过载而损坏。当系统的谐波电流减少时，可以自动重新投入电容器。

本例中出现的系统功率因数下降，正是因为逆变器启动后，取样点处电流谐波含量增大，无功补偿装置谐波超值保护启动，电容器切除，造成系统功率因数下降。

而生产线接近满负荷运行的厂房，逆变器启动后，其所提供的基波电流相对于整个系统所占比例较小，仅为约20％，造成谐波含量所占基波的比例变化不大，故谐波超值保护未启动，无功补偿装置能正常运行，系统运行良好。

后项目业主经与无功补偿厂家沟通后，将无功补偿谐波超值保护设定值实验性调大后，无功补偿能正常运行，系统功率因数能达到要求，证明上述分析是合理的。

5　对屋顶光伏系统就地接入配电网的建议

5.1　光伏电站并网应严格遵守《光伏电站接入电网技术规定》中要求的：“小型光伏电站总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内的最大负荷的25％。T接于公用电网的中型光伏电站总容量宜控制在所接入的公用电网线路最大输送容量的30％内。”当光伏电站总容量相对于上级电网容量较小时，其运行状况不会对上级电网造成影响。

5.2　屋顶光伏工程并网在条件允许时，应尽量以10kV或者6kV电压等级而非400V电压等级接入建筑原有配电段。这是因为：10kV系统用电设备台数和设备容量的动态变化较小，系统较稳定；而400V系统负荷投切较频繁，系统容量变化大。在本例中，400V系统满负荷运行时，其最大负荷容量可达约1800kW，而在生产线没有满负荷运行时，其经常负载在700kW左右。这样光伏系统的投切就会对接入点的系统造成较大影响。

5.3　在有光伏接入的建筑配电设计时，应综合考虑建筑负荷和光伏投切的影响，若谐波污染较重，宜采用抗谐波能力强的调谐型无功功率补偿装置，以保证无功就地平衡。