并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)線路保護(hù)的影響

黃波

（中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南火電建設(shè)有限公司 湖南長沙 410000）

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)線路保護(hù)的影響

黃波

（中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南火電建設(shè)有限公司 湖南長沙 410000）

基于節(jié)約環(huán)保的理念，光伏發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展起來，在電網(wǎng)電源中得到了廣泛的應(yīng)用，光伏接入配電網(wǎng)對于電網(wǎng)配電繼電保護(hù)方面存在的影響不容忽視。本文針對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對于配電網(wǎng)線路保護(hù)的影響進(jìn)行了探討，以供參考。

光伏發(fā)電；配電網(wǎng)；線路保護(hù)；影響

1 引言

利用光伏發(fā)電方式，不僅利用的是可再生太陽光資源實(shí)現(xiàn)發(fā)電，還具有系統(tǒng)機(jī)動(dòng)靈活、技術(shù)含量高等優(yōu)勢。光伏發(fā)電系統(tǒng)中多分布式光伏電源并網(wǎng)成為發(fā)展潮流時(shí)，并網(wǎng)配電網(wǎng)引起的繼電保護(hù)問題也就越來越多，對配電網(wǎng)保護(hù)的影響也就越來越嚴(yán)重。

2 并網(wǎng)光伏發(fā)電的種類

2.1 單極式發(fā)電

所謂單極式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)較為簡單，所需要的元器件相對較少，且不需要儲(chǔ)能組成，因而降低了建設(shè)成本，同時(shí)具有較高的轉(zhuǎn)換效率。但該系統(tǒng)的母線直流電壓是不可控的，因此需要采取母線電流保護(hù)措施；逆變器在控制并網(wǎng)的同時(shí)，還需要兼顧跟蹤最大功率，對于控制器的控制性能要求也更高。雙極式的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，通常是由光伏陣列、DC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC轉(zhuǎn)換器、控制系統(tǒng)以及逆變器等幾個(gè)部分組成的。系統(tǒng)采用DC/DC，來提升光伏陣列的輸出直流電壓，然后使用DC/AC逆變器將其轉(zhuǎn)換成交流電，并直接接入電網(wǎng)。DC/DC能夠?qū)崿F(xiàn)對于光伏陣列最大功率的跟蹤，而DC/AC部分則能夠?qū)崿F(xiàn)直流變交流，從而為當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電要求，將多余的電能輸入電網(wǎng)。

2.2 雙極式并網(wǎng)光伏

發(fā)電系統(tǒng)不需要將光伏陣列串聯(lián)入高電壓等級中，在進(jìn)行兩極轉(zhuǎn)換的過程中，對于控制器的要求也不高。但是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身具有復(fù)雜性，元器件較多，系統(tǒng)需利用DC/DC、DC/AC兩部分進(jìn)行控制，因而導(dǎo)致能耗增加；而在雙極式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中運(yùn)用的DC/DC與DC/AC，第一部分進(jìn)行光伏陣列輸出電壓、電流檢測時(shí)，可通過調(diào)節(jié)輸出電壓，實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)的跟蹤。第二部分則能夠?qū)⒅绷麟娔孓D(zhuǎn)化為交流電，維持與電網(wǎng)電壓頻率、相序的一致性，功率數(shù)接近于1，從而提高輸入電網(wǎng)的有功功率。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性

3.1 光伏出力的隨機(jī)波動(dòng)性

太陽能的光照強(qiáng)度和天氣條件對光伏發(fā)電的影響十分強(qiáng)烈。光伏的出力呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性。用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建30MW光伏電站仿真模型，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃，光照強(qiáng)度為1kW/m2時(shí)。

3.2 光伏并網(wǎng)的故障電流、負(fù)荷電流特性

光伏發(fā)電出現(xiàn)短路時(shí)，以逆變技術(shù)作為主要的電流輸出，而短路電流則取決于逆變器電流的飽和模塊限值，因?yàn)槟孀兤鞯入娏﹄娮友b置的熱過載能力很低，為了保護(hù)元件不被損壞往往限制逆變器的輸出電流，這就意味著逆變型并網(wǎng)的分布式電源在電網(wǎng)故障時(shí)對故障點(diǎn)短路電流的貢獻(xiàn)不可能很大。并網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)荷電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光伏離網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)荷電流，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷電流主要由配電網(wǎng)提供，而光伏電源提供的負(fù)荷電流相對較小。

3.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)涉網(wǎng)保護(hù)位置

并入電網(wǎng)光伏發(fā)電涉網(wǎng)的保護(hù)位置，一般有以下兩種情況：①光伏系統(tǒng)直接連接電網(wǎng)低壓母線，具體的接入方式如下：a.如果低壓母線所帶負(fù)荷較大，則本地負(fù)荷可由正常運(yùn)行的PV與系統(tǒng)共同供電；b.若低壓母線所帶負(fù)荷小，則正常運(yùn)行時(shí)PV向低壓母線負(fù)荷和系統(tǒng)同時(shí)提供電能，減少低壓母線所帶負(fù)荷從系統(tǒng)的涉及容量來提PV。②光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)一起對負(fù)荷供電，從高壓母線側(cè)接入經(jīng)變壓器。

4 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

某工程的地下一層設(shè)置有地下車庫及設(shè)備用房，配電房及門衛(wèi)為一層公建，功能為配電房、柴油發(fā)電機(jī)房、門衛(wèi)休息室及消防控制室兼值班室，配電房及門衛(wèi)建筑面積為201.66m2。多晶硅太陽能光伏陣列安裝于建筑屋頂上，系統(tǒng)采用200kW光伏并網(wǎng)逆變器需要配置太陽電池組件20串一個(gè)陣列，有40個(gè)這樣的陣列并聯(lián)，共計(jì)800塊太陽電池組件，實(shí)際功率達(dá)到200kWp整。組件的尺寸為1650×990×50mm，重量約20kg，且以此規(guī)格組件20片一串，在設(shè)計(jì)時(shí)參考此組串來規(guī)劃支撐結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 多晶硅電池組件

在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，若突然出現(xiàn)配電網(wǎng)故障問題，需要立即切出光伏電網(wǎng)的配電系統(tǒng)，以防光伏電源影響電網(wǎng)短路電流與繼電保護(hù)，達(dá)到保證繼電保護(hù)裝置正常運(yùn)行的目的。

4.1 系統(tǒng)位置的影響

接入光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，接入的位置通常在上游或下游。上游即指的是光伏電源相所保護(hù)電動(dòng)勢的方向應(yīng)當(dāng)與節(jié)點(diǎn)保持相同；下游則是指光伏電源相對于所保護(hù)的電動(dòng)勢方向，應(yīng)當(dāng)與節(jié)點(diǎn)相反。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)接入的是上游，則光伏電源會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)短路電流出現(xiàn)增大，且在越靠近故障點(diǎn)的地方，短路電流也就越大，因而能夠增大保護(hù)范圍。但這樣會(huì)影響下一級的故障動(dòng)作，甚至導(dǎo)致誤動(dòng)。而如果接入的是下游，則光伏電源的保護(hù)會(huì)產(chǎn)生相反的短路電流，而不影響光伏電源保護(hù)。

4.2 系統(tǒng)容量的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入，往往會(huì)產(chǎn)生反方向的短路電流，該電流對于上一級的保護(hù)影響并不大，但對處于故障點(diǎn)和光伏電源之間的保護(hù)，則影響較大。該反向電流會(huì)流過保護(hù)，倘若光伏電源的容量充足，或故障點(diǎn)過于靠近保護(hù)，將導(dǎo)致保護(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)作。由于接入電力系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)其容量會(huì)不斷增加，所產(chǎn)生的反向短路電流也會(huì)隨之不斷增加，進(jìn)而擴(kuò)大下游的保護(hù)范圍，縮小上游保護(hù)范圍，甚至導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)失去應(yīng)有的選擇能力。

4.3 系統(tǒng)對電流保護(hù)和重合閘的影響

三相短路的故障一般最為嚴(yán)重（見圖2），在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下發(fā)生三相短路時(shí)的情況來定義并網(wǎng)系統(tǒng)的保護(hù)安全界限。當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)電電源與并網(wǎng)系統(tǒng)電源之間存在的聯(lián)接線出現(xiàn)故障時(shí)，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作之后而在自動(dòng)重合閘重合之前，與光伏電源保持聯(lián)絡(luò)，而光伏電源未能解列，因而會(huì)繼續(xù)加大故障點(diǎn)故障電流，持續(xù)向故障點(diǎn)供電，最終導(dǎo)致電弧無法熄滅，且重合閘重合會(huì)導(dǎo)致故障點(diǎn)電弧階躍重燃，使臨時(shí)性的故障轉(zhuǎn)變成永久性故障，造成巨大損失。

圖2 三相光伏發(fā)電系統(tǒng)

4.4 系統(tǒng)對熔斷器重合器及分段器的影響

廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和用電設(shè)備中的熔斷器是一種電流保護(hù)器，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低且操作便捷等優(yōu)勢。具備反時(shí)限特性的熔斷器，如果通過的電流大則熔斷時(shí)間較短，若電流小則熔斷時(shí)間較長。通常采用的是能夠在整定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行動(dòng)作檢測故障的電流跳閘。

為預(yù)防事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，一般講第一、二次整定為快速分閘，能夠被預(yù)先整定的重合器動(dòng)作程序，其分閘動(dòng)作迅速，可消除瞬時(shí)故障。而重合器后續(xù)動(dòng)作往往存在時(shí)限，需要和分段器配合運(yùn)作。分段器的開關(guān)設(shè)備處于失壓、無電流狀況下，仍然可以自動(dòng)分閘，因而在配電網(wǎng)中適用于隔離線路區(qū)段。

5 光伏發(fā)電并網(wǎng)配電網(wǎng)保護(hù)對策

5.1 針對孤島運(yùn)行的保護(hù)方案概述

該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，可能會(huì)對原有的保護(hù)配合造成影響，甚至導(dǎo)致誤動(dòng)作。對于配電網(wǎng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置而言，現(xiàn)有的該系統(tǒng)涉網(wǎng)保護(hù)措施，主要針對的對象是發(fā)生故障的配電網(wǎng)，采取的處理措施有兩方面：當(dāng)并網(wǎng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障或發(fā)生孤島運(yùn)行狀況時(shí)，將從電網(wǎng)解列，或者在做出相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作之前，采取反孤島保護(hù)光伏電源措施；而在保護(hù)動(dòng)作之后退出電網(wǎng)。

5.2 保護(hù)對策的研究

以允許孤島運(yùn)行作為前提的保護(hù)對策，主要目的在于實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)涉網(wǎng)保護(hù)方案的實(shí)施。結(jié)合對于孤島運(yùn)行的分析所采取的保護(hù)方案，需要考慮到可能影響配電網(wǎng)保護(hù)方案與光伏發(fā)電系統(tǒng)涉網(wǎng)保護(hù)方案的相關(guān)因素，為確保保護(hù)措施的實(shí)際效果，可采用的保護(hù)方案包括：①依靠通信系統(tǒng)的保護(hù)方案；②基于微電網(wǎng)條件的保護(hù)方案；③以廣域測量系統(tǒng)為基礎(chǔ)的保護(hù)方案。

主要研究方向則包括：①以重合閘前加速、電流保護(hù)配合措施，作為基礎(chǔ)保護(hù)方案；②改進(jìn)以重合閘后的加速配合電流保護(hù)措施；③改進(jìn)對于配置熔斷器的保護(hù)方案；④改進(jìn)重合器與電壓的時(shí)間式分段器配合原則；⑤改善對反時(shí)限過電流保護(hù)；⑥改善基于縱聯(lián)保護(hù)的方案。

6 結(jié)束語

光伏發(fā)電由于大量節(jié)約了能耗，成為新興的重要發(fā)電形式，針對采用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對于配電網(wǎng)保護(hù)所造成的不良影響，采取解決的方案與改進(jìn)措施，從而有助于光伏發(fā)電并網(wǎng)的普及，以及配電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。隨著并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的不斷改進(jìn)，有關(guān)光伏發(fā)電并網(wǎng)的保護(hù)將更合理、更完善。

[1]章激揚(yáng)，李達(dá)，楊蘋，等.光伏發(fā)電發(fā)展趨勢分析[J].可再生能源，2014，32（2）：127～132.

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TM77

A

1004-7344（2016）21-0058-02

2016-7-9

黃波（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事光伏工作。