分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)方案研究

趙萌萌，胡琴洪，楊大勇，江新峰，賀錦麗

(國家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000)

分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)方案研究

趙萌萌，胡琴洪，楊大勇，江新峰，賀錦麗

(國家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000)

介紹了分布式光伏電站接入配電網(wǎng)的整體設(shè)計(jì)原則，包括接入方式的選擇、繼電保護(hù)和調(diào)度自動化的配置。介紹了光伏側(cè)和電網(wǎng)側(cè)保護(hù)配置及短路電流、電壓波動率的計(jì)算方法，并提出一種10 kV并網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度自動化的典型方案。通過實(shí)際工程中的應(yīng)用驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性及穩(wěn)定性。通過對并網(wǎng)接入技術(shù)的研究，為分布式光伏接入設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

分布式光伏；并網(wǎng)；保護(hù)；調(diào)度自動化

分布式發(fā)電是指裝機(jī)規(guī)模小、分散利用資源、布置在用戶側(cè)附近的發(fā)電單元，通常以10 kV及以下電壓等級接入，且單個并網(wǎng)點(diǎn)總裝機(jī)容量不超過6 MW，或以35/10 kV電壓等級接入，容量超過6 MW，年自發(fā)自用電量大于50%的發(fā)電項(xiàng)目。光伏發(fā)電作為分布式新能源，為當(dāng)?shù)刎?fù)荷提供了電源支撐，光伏電源接入配電網(wǎng)已成為光伏利用的主要方式。目前，關(guān)于分布式光伏接入對配電網(wǎng)的影響已存在大量的研究成果。但是，為了實(shí)現(xiàn)分布式光伏柔性并網(wǎng)，科學(xué)地制定并網(wǎng)接入方案方面的研究比較少。

并網(wǎng)接入方案涵蓋的內(nèi)容包括并網(wǎng)接入方式、電氣主接線圖、防雷接地要求、無功配置方案、保護(hù)、自動化配置要求以及監(jiān)控、通信系統(tǒng)要求等[1]。本文在研究分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程，對并網(wǎng)接入方式、保護(hù)、自動化配置進(jìn)行研究，提出了接入方案的一些設(shè)計(jì)思路及典型配置。

1 并網(wǎng)接入方式

根據(jù)分布式電源接入點(diǎn)處是否設(shè)置有分布式電源專用的開關(guān)設(shè)備，可將接入形式分為專線接入和T接，如圖1(以10 kV電壓等級接入為例)所示。由分布式電源接入點(diǎn)位置位于公共電網(wǎng)側(cè)或用戶側(cè)，分布式電源可分為統(tǒng)購統(tǒng)銷和自發(fā)自用、余量上網(wǎng)兩種運(yùn)營模式。

對于單個并網(wǎng)點(diǎn)，接入電壓等級應(yīng)依據(jù)分布式電源容量、發(fā)電特性、導(dǎo)線載流量、上級變壓器及線路可接納能力、配電網(wǎng)情況綜合分析后確定[2]。一般情況下，單個并網(wǎng)點(diǎn)容量如果在400 kW以下，通常以380/220 V電壓等級接入，大于400 kW以10 kV等級接入，若大于6 MW，考慮35 kV電壓等級接入。

圖1 并網(wǎng)接入方式

2 繼電保護(hù)

光伏電源的并網(wǎng)會造成電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及短路電流的大小、流向發(fā)生變化，配電網(wǎng)也從原來的單電源系統(tǒng)變成多電源系統(tǒng)。分布式電源側(cè)宜配置相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置，且配電網(wǎng)原有的系統(tǒng)保護(hù)和重合閘裝置需相應(yīng)地調(diào)整，并需要具有方向性，確保配電網(wǎng)保護(hù)能準(zhǔn)確、快速地切除故障[3]。

2.1 繼電保護(hù)配置

35/10 kV電壓等級接入時(shí)，若光伏側(cè)設(shè)有母線，不必配置專用的母線保護(hù)裝置。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通過光伏的后備保護(hù)(線路保護(hù))切除故障；并網(wǎng)點(diǎn)處需配置安全自動裝置，若線路保護(hù)具備失壓跳閘及低壓閉鎖合閘功能，也可不配置單獨(dú)的安全自動裝置。

專線接入時(shí)，線路保護(hù)需配置方向過電流保護(hù)(或距離保護(hù)，若靈敏度要求較高時(shí)，也可以配置縱差保護(hù))。T接于配電網(wǎng)線路的分布式電源側(cè)應(yīng)配置電流速斷保護(hù)。

對于380/220 V接入的分布式電源由于接入容量小，對配電網(wǎng)影響很小，不需要單獨(dú)配置繼電保護(hù)，要求并網(wǎng)點(diǎn)和公共連接點(diǎn)的斷路器應(yīng)具備短路瞬時(shí)、長延時(shí)保護(hù)功能和分勵脫扣、失壓跳閘及低壓閉鎖合閘等功能[4]。

2.2 短路電流計(jì)算

光伏逆變器過載能力最高可達(dá)150%，因此，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，向電網(wǎng)提供的最大短路電流不超過額定電流的1.5倍，即1.5。光伏接入后，公共連接點(diǎn)處的短路電流，并網(wǎng)點(diǎn)短路電流分別為：

2.3 電壓波動率計(jì)算

光伏電源輸出功率受光照影響大，具有波動性、間歇性的特點(diǎn)，會引起電網(wǎng)電壓的波動和閃變。根據(jù) Q/GDW 11147-2013《分布式電源接入配電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，光伏接入公共連接點(diǎn)造成的電壓波動率不能超過 5%。GB/T12326-2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》給出了電壓波動率的計(jì)算公式：

3 調(diào)度自動化配置

由于分布式光伏接入會影響電網(wǎng)的潮流分布，增加電網(wǎng)調(diào)度的復(fù)雜度。因此，需要監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析分布式光伏電源與主配網(wǎng)間的運(yùn)行方式，給出調(diào)度輔助策略分析，協(xié)助調(diào)度員進(jìn)行調(diào)度和控制[7]。

3.1 35/10 kV并網(wǎng)調(diào)度自動化配置

35/10 kV接入的光伏電站，應(yīng)將并網(wǎng)狀態(tài)、并網(wǎng)電壓、電流、有功無功輸出、發(fā)電量、頻率、功率因數(shù)、主斷路器開關(guān)狀態(tài)等信息，通過遠(yuǎn)動通信裝置送至調(diào)度中心[4]。遠(yuǎn)動功能可以集成在光伏監(jiān)控系統(tǒng)，也可以單獨(dú)配置。

與調(diào)度之間的通信宜采用電力調(diào)度數(shù)據(jù)專網(wǎng)，通信方式有光纖通信和電力載波通信。其中，光纖通信具有通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾、高速率傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。目前常用的光纖通信方案有同步數(shù)字體系(SDH)、準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)、并網(wǎng)接口裝置三種。

35/10 kV接入系統(tǒng)應(yīng)在每個并網(wǎng)點(diǎn)配置電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，以無線的方式傳輸至上級運(yùn)行管理部門，用來監(jiān)測光伏接入產(chǎn)生諧波、三相不平衡電流、對電網(wǎng)造成電壓波動和閃變的問題[8]。

3.2 35/10 kV SDH通信方式

目前的分布式光伏項(xiàng)目大多數(shù)采用SDH通信方式。在光伏電站配置一臺SDH光端機(jī)，利用光纜接入變電站的通信電路，將光伏電站的通信、自動化等信息接入系統(tǒng)的通信通道。以10 kV并網(wǎng)為例，單個并網(wǎng)點(diǎn)調(diào)度自動化方案見圖2，其中包含個發(fā)電單元。

圖2 10 kV SDH調(diào)度自動化方案

光伏站設(shè)備逆變器、電能表、智能匯流箱等裝置通過485線接入通信接入裝置(規(guī)約轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換為與監(jiān)控主站一致的規(guī)約，并通過遠(yuǎn)動裝置上傳至調(diào)度中心。保護(hù)裝置的通訊協(xié)議若與監(jiān)控主站的規(guī)約一致，可以直接接入監(jiān)控主站和遠(yuǎn)動。

3.3 35/10 kV并網(wǎng)接口裝置通信方式

并網(wǎng)接口裝置是一種用于分布式光伏發(fā)電與電網(wǎng)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)分布式光伏發(fā)電信息采集和運(yùn)行控制的裝置，集成了保護(hù)、測控、遠(yuǎn)動、電能質(zhì)量分析、規(guī)約轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)上送等功能，可簡化調(diào)度自動化方案、節(jié)省設(shè)備。

380 V接入用戶側(cè)的發(fā)電系統(tǒng)，由于沒有控制要求，并且只需向調(diào)度中心上傳發(fā)電量信息。因此，通常采用無線公網(wǎng)傳輸?shù)男问?GPRS)接入配網(wǎng)的調(diào)度自動化系統(tǒng)，接入電力系統(tǒng)時(shí)必須采取安全隔離措施和傳輸加密技術(shù)，保障數(shù)據(jù)的安全性[9]，不配置獨(dú)立遠(yuǎn)動系統(tǒng)，而是通過負(fù)控裝置實(shí)現(xiàn)電量信息的采集并遠(yuǎn)傳。由于容量小，對電網(wǎng)沖擊不大，不需配置電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，但計(jì)量電能表應(yīng)具備電能質(zhì)量在線監(jiān)測功能，可監(jiān)測三相不平衡電流。

4 工程案例分析

以浙江某工程為例，光伏電站建設(shè)容量為1.06 MW，分為兩個530 kW的發(fā)電單元，通過一臺1 000 kVA的雙分裂變壓器升壓到10 kV，經(jīng)10 kV開關(guān)站接入用戶的10 kV母線光伏間隔，運(yùn)營模式為自發(fā)自用，余量上網(wǎng)，接入系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 接入系統(tǒng)示意圖

其繼電保護(hù)方案為：2DL處配置階段式方向過電流保護(hù)，方向指向用戶母線，與1DL配合。線路保護(hù)裝置包含了故障解列功能，動作跳3DL。3DL配置階段式方向過電流保護(hù)、失壓跳閘及低壓閉鎖合閘功能，方向指向光伏側(cè)，整定與2DL配合。

根據(jù)供電公司提供的信息，用戶目前廠區(qū)變壓器安裝容量為630 kVA，上級110 kV變電站最高負(fù)荷達(dá)62.1 MW。光伏電站按0.8倍裝機(jī)容量 (即848 kW)輸出至110 kV變電站10 kV線路(最大負(fù)荷3.79 MW)，110 kV變10 kV母線基本能消納。

10 kV母線最大運(yùn)行方式阻抗(標(biāo)幺值)為0.394 3，10 kV架空線(JK-240)路長1.126 km，線路阻抗(標(biāo)幺值)為每千米0.317。光伏電站經(jīng)過接入方案示意圖，開關(guān)站至配電房和配電房至10 kV架空線路的距離很近，線路阻抗可以忽略。因此，并網(wǎng)點(diǎn)可近似看作是公共連接點(diǎn)，其最大運(yùn)行方式下的短路阻抗相等。

接入光伏后，公共連接點(diǎn)(并網(wǎng)點(diǎn))短路電流：

電壓波動滿足小于5%的要求。公共連接點(diǎn)和并網(wǎng)點(diǎn)的短路電流按照7.41 kA整定，調(diào)度自動化依據(jù)第四節(jié)的配置原則，結(jié)合浙江地區(qū)電力公司的要求，選用并網(wǎng)接口裝置的方式。該電站目前已投入運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文研究了分布式光伏電站接入配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，合理規(guī)劃了接入方案的配置，并建立了保護(hù)定制的計(jì)算模型以及調(diào)度自動化的典型方案。通過在浙江某個分布式項(xiàng)目中的應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的設(shè)計(jì)方法對指導(dǎo)分布式光伏電源有序、可控地接入配電網(wǎng)具有一定的指導(dǎo)作用。

[1]謝知寒.杭州地區(qū)分布式光伏電源接入方式及其保護(hù)與控制研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2013.

[2]國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 11147-2013分布式電源接入配電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：國家電網(wǎng)公司，2013.

[3]FAYSAL H.Grid-connection study of the centralized photovoltaic power system in Zarzitta[J].International Journal of Distributed Energy Resources，2006，2(4):325-342.

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[5]湯繼東.中低壓電氣設(shè)計(jì)與電氣設(shè)備成套技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010：38

[6]中國國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 12326-2008電能質(zhì)量電壓波動和閃變[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7]繆迸榮.太陽能光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

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[9]劉偉，彭冬，卜廣全，等.光伏發(fā)電接入智能配電網(wǎng)后的系統(tǒng)問題綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(19)：1-6.

Research on grid-connected scheme of distributed photovoltaic power generation

The overall design principle of distributed photovoltaic connected to the distribution network was introduced， including the choice of grid-connected method， configuration of relay protection and dispatching automation.The design of relay protection on photovoltaic side and line side as well as the calculation of short-circuit current and fluctuation ratio of voltage was introduced. A typical dispatching automation scheme of 10 kV grid-connected system was proposed.The feasibility and stability of the design scheme was verified by the practical engineering application.The design guidance of distributed photovoltaic grid-connected was provided through by the research on grid-connected technology.

distributed photovoltaic;grid-connected;protection;dispatching automation

TM 615

A

1002-087 X(2016)04-0783-03

2015-09-16

趙萌萌(1989—)，女，河南省人，碩士，主要研究方向?yàn)楣夥l(fā)電。