引言
分布式光伏系统可以显著降低工商业用户从电网获取的能源消耗。
不过，接入大型 PV 系统会改变公共耦合点的电气条件。
如果现有电气系统在安装 PV 之前就已完成设计，以下各部分之间的相互作用：
- PV 逆变器
- 现有负载
- 变压器
- 电容器组
- 谐波源
- 无功功率控制器
可能产生新的电能质量问题。
典型表现包括：
- 功率因数偏低
- 电容器组异常动作
- 谐波放大
- 主断路器跳闸
- 电容器熔断器动作
- 电压畸变
- 三相不平衡
- 电力公司罚款
PV 系统本身未必是唯一原因。在许多项目中，根本问题在于新增 PV 发电系统与现有补偿系统之间的相互作用。
并网 PV 系统如何改变功率流向
PV 逆变器将太阳能组件产生的 DC 电能转换为 AC 电能。
当 PV 输出增加时，从电网输入的有功功率会下降。
对于一个用电设施：
电网有功功率 = 负载有功功率 − PV 有功功率
然而，该设施的无功功率需求可能不会按相同比例下降。
这就产生了一个重要的功率因数问题。
安装 PV 后功率因数为何会下降
功率因数与有功功率和视在功率相关。
以一家原本从电网获取以下功率的工厂为例：
- 较高的有功功率
- 一定量的无功功率
安装 PV 后，PV 系统会在本地供应部分有功功率。
因此，电网有功功率下降。
但如果设施的无功功率需求大致不变，相对于电网有功功率而言，无功功率所占比例就会增大。
因此，测得的电网侧功率因数可能下降。
在以下时段，这种影响可能尤为明显：
- PV 发电量高
- 设施负载低
- 向电网反送电
现有电容器控制器也可能受到影响
许多较早的无功功率控制器主要针对单向功率流设计。
接入分布式发电后，电网侧功率可能接近零或反向流动。
根据控制器设计和测量方法，这可能干扰：
- 无功功率计算
- 电容器分级投切
- 功率因数调节
其结果可能是补偿不足或错误投切。
因此，只要在现有工业电气系统中接入较大容量的 PV 发电，就应审查完整的测量与控制架构。
谐波问题
PV 逆变器属于电力电子变换器。
现代设备按照适用的电网谐波要求设计，但现场的整体谐波状况并不只取决于 PV 逆变器。
工厂内可能已经存在以下谐波负载：
- 变频驱动器
- UPS 系统
- 整流器
- 高频加热设备
- 焊机
- 开关模式电源
当 PV 发电、电容器组和这些非线性负载与系统阻抗相互作用时，谐波水平可能发生变化。
谐波谐振
其中一项特殊风险是谐振。
电容器与变压器和电缆的电感共同作用，可能形成谐振频率。
如果系统中幅值较大的谐波接近某个谐振频率，谐波电流或电压可能被放大。
可能出现的现象包括：
- 电容器过热
- 熔断器失效
- 电容器电流过大
- 电压畸变
- 断路器过热
- 误跳闸
因此，如果尚未评估谐波状况，安装 PV 后仅仅增加电容器容量反而可能使情况恶化。
三相不平衡
PV 应用中也可能出现三相不平衡。
可能的原因包括：
- 单相逆变器分配不均
- 不同的 PV 阵列朝向
- 局部遮挡
- 发电量不均
- 现有不平衡负载
对于大型三相工商业 PV 系统，PV 本身通常是平衡的，但仍应在接入点对设施整体进行评估。
常见无功功率控制方法
工商业 PV 系统采用多种控制方法。
1. PV 逆变器无功功率控制
部分 PV 逆变器可依据以下方式提供无功功率：
- 固定功率因数
- Q 设定值
- Volt-VAR 功能
- 外部控制器命令
经过妥善协调后，这种方法会很有用。
不过，可用无功功率能力与逆变器的视在功率容量和运行条件相关。
2. 现有电容器组
现有电容器组可以继续提供低成本无功功率。
但控制器必须正确处理新的双向功率流工况。
3. 静止无功发生器
SVG 可以动态调节容性或感性无功电流。
当无功功率需求快速变化，或需要精确调节电网侧 PF 时，这种设备十分实用。
4. 有源电力滤波器
存在过大谐波电流时，可专门配置 AHF 进行谐波补偿。
5. 混合补偿
TSC/电容器分级可提供大容量无功功率，而 SVG/AHF 设备负责动态精细补偿和谐波治理。
案例：金属加工厂
某金属加工厂的电气系统如下：
- 变压器：1000 kVA
- 用电负载：约 500–600 kW
- 约 30% 的负载为高频加热设备
- 现有电容器组：300 kVar
- 历史月平均功率因数：高于 0.90
安装 PV 系统之前，电气系统运行正常。
PV 接入后出现的问题
接入 PV 发电后，工厂出现：
- 功率因数降至约 0.8
- 电容器熔断器反复动作
- 电容器损坏
- 主断路器跳闸
现场测量表明，问题涉及现有电容补偿系统与产生谐波的工业设备之间的相互作用。
原有电容器电流明显高于其额定值。
测量结果还显示 11 次和 13 次谐波分量被放大。
在出现问题的运行工况下，记录的 THDi 从约 18% 上升至 43%。
这说明该项目并不只是一个“低功率因数”问题。
它是以下问题的综合：
无功功率 + 谐波 + 谐振。
实施的解决方案
最终方案分别解决了两个问题。
无功功率补偿
安装一台 200 kVar SVG，并配合适当配置的电容器/电抗器系统，实现混合无功补偿。
谐波补偿
为高频加热设备安装一台 200 A 有源电力滤波器。
这种架构能够：
- 由电容器提供大容量无功功率
- 由 SVG 动态调节无功功率
- 由 AHF 治理谐波电流
结果
实施后，工厂月平均功率因数提高至 0.95 以上。
在观察到的运行期间，先前报告的断路器跳闸问题也得到消除。
该案例说明一项重要原则：
安装 PV 后出现电能质量问题时，应依据测量结果进行诊断，而不应假定仅增加电容器就能解决问题。
PV 项目的建议诊断流程
接入 PV 后出现低功率因数或谐波问题时，请按以下顺序审查系统：
步骤 1 — 记录运行工况
测量以下工况：
- 无 PV
- 低 PV 输出
- 高 PV 输出
- 低负载
- 高负载
- 适用情况下的反送电运行
步骤 2 — 测量电能质量
记录：
- 有功功率
- 无功功率
- 功率因数
- THDi
- THDu
- 谐波频谱
- 三相电流
- 三相电压
步骤 3 — 检查现有补偿设备
检查：
- 电容器容量
- 电容器电流
- 电抗率
- 控制器测量方法
- CT 位置和方向
步骤 4 — 判断实际问题
区分：
- 无功功率问题
- 谐波问题
- 谐振问题
- 三相不平衡
- 控制问题
步骤 5 — 选择合适技术
采用：
- 电容器/TSC 承担大容量无功功率
- SVG 进行动态无功功率补偿
- AHF 进行谐波补偿
- 在适合的情况下采用混合架构
结论
分布式 PV 改变了有功功率在工业电气系统中的流动方式。
这种变化可能暴露较早电容控制系统的薄弱环节，或改变谐波与谐振条件。
因此，大型工商业 PV 项目应从设计阶段就考虑电能质量，而不是等到问题出现后再处理。
如需开展项目分析，请提供：
- 单线图
- 变压器数据
- PV 容量
- 负载曲线
- 现有电容器组信息
- 电能质量测量数据
并提交给恩玖科技工程团队。
邮箱： sales@enjoypowers.com
https://staging.szenjoy.com.cn/contact/
