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光伏设备接入后功率因数下降的原因
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智能电容器

近几年,我国光伏并网发电项目发展迅速,根据国家能源局统计数据,我国2014年光伏并网发电总装机量10.5GW,其中分布式2.05GW,2015年上半年总装机量7.73GW,分布式1.04GW。随着装机容量的快速增长,光伏并网发电与原有电网兼容性问题日益显现,特别是分布式光伏并网项目,一般电网容量较小,容易出现兼容性问题,其中发生较多的是光伏设备投入后,原配电网出口功率因数下降至0.9以下,造成不良影响。

这里就我公司光伏逆变器在不同现场接入后功率因数下降问题和相应解决方法做一简单总结,也简单谈一下对分布式光伏电站设计的一些理解和建议。

首先说明一下功率因数相关公式:

cosΦ= P/S,其中P为有功功率,S为视在功率,

S^2=P^2+Q^2,Q为无功功率,

由公式可知,功率因数大小与系统有功功率P和无功功率Q相关,当Q为零时,功率因数为1,当Q小于零时,系统吸收无功,cosΦ为负值,当Q大于零时,系统输出无功,cosΦ为正值。

下面以几个例子分析一下光伏设备接入后功率因数下降的原因。

1 例子一

示意图如图1所示,某工厂通过一条10kV线路供电,变压器容量2000kVA,光伏发电设备总容量400kW,并网点在总400V配电柜,工厂原来安装有400V三相共补型SVC,电流电压采样点均在10kV变400V变压器下口。在光伏设备投运前,系统功率因数稳定在0.9~0.95之间,光伏设备投运后,功率因数在0.7~0.9之间跳变。

图片1 

分析:该分布式项目电网结构简单,并且光伏并网点接近总变压器,只有一台SVC设备,问题排除可逐步确认,首先通过工厂并网点电表确认光伏设备接入前系统的有功功率和无功功率,P为700kW,Q为300kVA,光伏设备接入后,P为350kW~500kW,Q为310kVA。根据数据可见,光伏设备接入后系统无功基本无变化,因为光伏逆变器大多以单位功率因数运行,输出基本为全有功,系统功率因数下降原因主要为系统消耗有功功率有一部分由光伏设备提供,从电网吸收有功功率减少,因此根据公式 cosΦ= P/S,功率因数降低。从数据中同样可以看出,在光伏设备未接入前,系统无功Q为300kVA,其值偏大,一般SVC设备设定补偿起始功率因数为0.95左右,而现场功率因数低于该值,怀疑现场SVC设备运行不正常,经现场检查,SVC设备所有电容全部投入,怀疑SVC设备容量不足,因SVC设备为工厂方面原有设备,而且使用时间较长,检查和维修均不方便,因此放弃通过调整SVC提高功率因数的方案。现场将光伏逆变器输出更改为无功给定模式,调整逆变器使总无功输出为200kVA,再次投入使用后,观察并网点数据。P为350kW~500kW。Q为100kVA,功率因数保持在0.95以上,至此问题解决。

2 例子二

某工厂通过一台1000kVA容量变压器供电,光伏设备总容量200kW,同样配有SVC设备,光伏设备接入前系统功率因数0.95~0.97之间,光伏设备接入后,功率因数0.3~0.7之间。

分析:同样先通过工厂总并网点电表观察光伏设备接入前后有功无功变化,接入前P为200~300kW,Q为30kVA,接入后P为50~150kW,Q为70~110kVA。通过数据可以看出光伏设备接入后系统总无功上升较多,检查SVC设备后发现,电容组投切不正常,有时会出现报警,全部电容同时切出状况,查询无功补偿控制器手册,报警原因为系统电流谐波超标,为保护电容器,因此将其切出。通过在网上查找相关资料,具体的原因是因为在光伏设备接入后,由于逆变器以单位功率因数输出,而且电流谐波含量较少,可以认为其提供了部分基波电流,流经变压器的基波电流因而减小。而系统中的谐波电流没有变化,这样在谐波滤波、无功补偿的取样点,即变压器低压侧,电流谐波相对含量就变大了,也就是无功补偿控制器计算出的THD值变大了,当这个值超过报警值时,SVC设备就无法正常进行无功补偿了。现场处理方法为修改无功补偿控制器THD保护值,保证在THD相对较大情况下也可以正常运行,但这种方案存在一定风险,有可能导致SVC的电容组损坏。如果想要从根本上解决,最好的方法是将SVC更换为APF设备,在补偿无功的同时也可以补偿谐波,就不会出现谐波超标问题。通过这个项目我们可以看出,虽然光伏接入容量满足了小于其上级变压器容量25%的限制,但实际运行时仍可能出现问题,在设计中应当充分考虑用户实际用电功率,光伏设备总功率可以配置为实际用电功率的一半,这样对电网的影响一般较小,各配电设备基本都可不受影响正常运行。

3 例子三

示意图如图2所示,某工厂通过一条10kV线路供电,变压器容量2000kVA,400V线路共分为5个车间,每个车间400kVA,均配有SVC设备,光伏设备总量400kW,接入点为焊接车间400V配电柜下口,该车间SVC设备采样点也为该配电柜。光伏设备接入前,10kV并网点功率因数0.95左右,光伏设备接入后,功率因数下降到0.8左右。

图片2 

分析:首先可以很明显的看出该项目设计的不合理,光伏设备并网点选在一个车间母线上,与该车间用电功率几乎相等,线路很容易出现逆流情况,对补偿设备和采集设备都有较大影响。因为光伏接入在焊接车间支路母线,因此从焊接车间接入上级母线接入点电表读数开始分析,在光伏接入之前,P为190~260kW,Q为30kVA,光伏设备接入后,P为-50~-100kW,Q为-250kVA。在光伏设备接入后,焊接车间SVC设备所有电容全部切出,功率因数显示-0.1~-0.3,很明显SVC检测到的有功功率和无功功率不正确,导致其工作异常。将光伏设备从系统断开,将SVC电容手动全部切出,观察电表显示P为190~260kW,Q为250kVA,逐台并入光伏设备,观察到电表有功功率P逐渐减小,Q基本不变,当P减小到负值后,Q由250kVA变为-250kVA,至此问题原因找到,是因为无功补偿控制器不兼容逆向功率,导致测量结果错误,从而错误的控制电容器切出,最终导致总并网点功率因数下降。具体解决方法为更换新型号无功补偿控制器,禁用控制器的自动检测接线功能,重新接入光伏设备,观察焊接车间电表显示P为-50~-100kW,Q为30kVA,总并网点功率因数恢复正常。

4 总结

通过以上三个实际例子,基本上可以总结出解决这类问题的方法,首先确定光伏设备接入母线,其次确认该母线上无功补偿设备采样点,最后根据母线总出口电表数据分析问题原因。有的时候原因很容易找到,但是解决起来很困难,在项目整体施工都完成的情况下更换并网点,或者原本不会出现逆流的支路现在会出现逆流,这些问题有时只能采取临时方案或者妥协放任低功率因数,再者只能多花钱采购功能更强大的无功补偿设备,无论对用户还是对设备厂商都是不愿看到的,因此在项目初期就做好设计才能从根本上避免问题的出现。

项目设计首先需要确定的是容量,根据客户需求容量分析现有线路、变压器、并网点是否满足要求,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%。这里不超过最大负荷的25%对所有支路都要分别考虑,特别是每个支路都有独立无功补偿设备的时候,比较好的设计是把光伏设备分散在不同支路并网,这样对单个支路的影响可以减到最小。

其次设计中需要考虑的是总体母线或者支路中的负载情况,对于负载变化频繁而且功率波动较大的支路不宜选为光伏接入点,光伏设备的加入可能加大该支路功率的波动,造成支路电压和频率变化,严重时会导致逆变器脱网,负载损坏等,同时线路电压、电流谐波也有可能受到影响,导致对谐波敏感设备不能正常工作。

设计中最好提前了解用户配电网中已有的无功补偿或者APF等设备,对光伏设备接入相应支路可能造成的影响提前做好预案,一旦出现情况可以有方案进行补救。最好能够提前了解相关设备的功能和参数,有条件的可以提前测试性能和保护值。

以上几点就是对分布式电站设计中功率因数相关问题的一些小建议,希望能给大家在电站设计中做个参考,其中例子只是对特定项目的一些总结,难免有所疏漏,其他现场的实际情况可能存在不同,具体问题还要具体分析,如果大家在电站设计中有什么好的想法欢迎来电交流。

 


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