分布式光伏發(fā)電的繼電保護策略

張戈

摘 要：基于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的案例，闡述光伏系統(tǒng)接入對配網(wǎng)繼電保護的影響，孤島效應(yīng)對配電網(wǎng)的影響，分布式光伏電源的配電網(wǎng)保護不正確動作的解決對策。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;孤島效應(yīng);繼電保護

引言

本文結(jié)合光伏發(fā)電的現(xiàn)狀，分析了大規(guī)模光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)對繼電保護的影響因素，探討分布式光伏發(fā)電的配電網(wǎng)繼電保護措施。

1 分布式光伏發(fā)電概述

1.1 分布式光伏發(fā)電的定義

分布式光伏發(fā)電是采用光伏組件將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)。在用戶場地附近建設(shè)，運行方式以用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量上網(wǎng)，在配電系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)為特征的光伏發(fā)電設(shè)施。分布式光伏發(fā)電遵循因地制宜、清潔高效、分散布局、就近利用的原則，充分利用當?shù)靥柲苜Y源，替代和減少能源消費。

1.2 分布式光伏發(fā)電特征

分布式光伏發(fā)電可以抗污染，能夠在一定程度上緩解用電緊張的狀況。但由于其能量密度相對較低，每平方米分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率僅為100瓦，再加上適合安裝光伏組件的建筑屋頂面積有限，不能從根本上解決用電緊張的問題;另外，分布式光伏發(fā)電可以發(fā)電用電并存。大型地面電站發(fā)電是升壓接入輸電網(wǎng)，僅作為發(fā)電電站而運行;而分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)，具有發(fā)電用電并存的特點。

2 光伏發(fā)電的案例

某地區(qū)常年日照數(shù)2431.4h，太陽能資源豐富且穩(wěn)定，優(yōu)越的光照條件適合大規(guī)模地建設(shè)光伏發(fā)電項目。光伏發(fā)電主要采用光伏并網(wǎng)發(fā)電的形式，可以分成集中式與分布式光伏發(fā)電。集中式并網(wǎng)系統(tǒng)是將光伏發(fā)電站產(chǎn)生的電能輸送到電網(wǎng)的統(tǒng)一供電系統(tǒng);分布式并網(wǎng)是指在靠近負荷供電的配置較小的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可直接分配到負載上，再通過電網(wǎng)進行余電調(diào)節(jié)以及電力不足時的電力供應(yīng)。

3 光伏系統(tǒng)接入對配網(wǎng)繼電保護的影響

該地區(qū)已建成的配電網(wǎng)大部分是單一輻射狀供電結(jié)構(gòu)，其潮流從電源到負荷單向流動，自變電站出線以后逐級配送到主干線、支路、公用變壓器及專用變壓器。其繼電保護的配置，也呈成放射狀，自變電站10kV出線開始，到主干線上聯(lián)絡(luò)斷路器、支路斷路器、配電站所及專用變壓器進線斷路器，實行逐級配置、上下配合的方案，以達到減少停電范圍、準確定位故障點的目的。

大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將由單一的輻射狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)潮流流向發(fā)生大幅度變化，電網(wǎng)的潮流分布點也隨著光伏發(fā)電投入的容量、位置的不同而發(fā)生改變，進而導(dǎo)致原有的繼電保護設(shè)備受到影響當電網(wǎng)發(fā)生故障時，短路電流方向和大小的變化不僅會引起孤島運行，而且會引起繼電保護裝置的誤動作，如保護靈敏度降低、距離保護失靈、重合閘重合失敗等。隨著光伏并網(wǎng)容量的增加，傳統(tǒng)的繼電保護配置方案已不適用，這些問題將變得較為嚴重。

對三段式電流保護的影響。該地區(qū)大部分配電網(wǎng)都廣泛使用三段式電流保護，當光伏發(fā)電接入后將使配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜，對三段式電流保護的影響最大。具體影響主要有以下三點：（1）影響保護的靈敏性。接入光伏系統(tǒng)前，如果配電網(wǎng)發(fā)生故障，只有電網(wǎng)輸送短路電流，僅需要對系統(tǒng)自身的電流進行處理即可實現(xiàn)保護作用。但是接入光伏系統(tǒng)之后， 如光伏并網(wǎng)點下游的線路發(fā)生故障時，光伏電源還會額外提供短路電流。原有的繼電保護設(shè)備僅能夠感應(yīng)到系統(tǒng)所提供的電流，而光伏電站的短路電流無法進行感知，所以降低了保護裝置的靈敏性。（2）影響保護準確性。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，光伏電源將在很大程度上增加下游保護的短路電流，導(dǎo)致線路保護靈敏度降低，進而造成保護裝置誤動或拒動。（3）影響相鄰線路動作。線路發(fā)生故障后，因故障點具有絕緣效果，隨著光伏電源的接入，流向相鄰線路的電流也會相應(yīng)增加，進而擴大了保護范圍，使得相鄰的線路受到影響。接入位置對繼電保護的影響。光伏電源在始端接入。光伏電源的供電將大大增加短路點下游保護的故障電流，其增大的電流易造成繼電保護誤動。光伏電源在中段接入。當并網(wǎng)點介于保護設(shè)備和短路點之間時，光伏電源會減少流過保護的短路電流，容易造成保護拒動。光伏電源在末端接入。光伏電源接入對故障點上游處沒有影響，但會在故障點的下游產(chǎn)生孤島效應(yīng)。

4 孤島效應(yīng)對配電網(wǎng)的影響

孤島效應(yīng)是指含分布式電源的配電網(wǎng)中，電網(wǎng)側(cè)故障或停電檢修時， 分布式電源未及時斷開與電網(wǎng)的連接，分布式電源會持續(xù)向周圍供電，從而形成了一個自給的供電孤島。孤島對電網(wǎng)帶來的影響主要有以下幾個方面：（1）孤島系統(tǒng)的電壓和頻率不穩(wěn)定，會損壞用戶端的設(shè)備;（2）孤島系統(tǒng)重新接入電網(wǎng)時，可能造成非同步并網(wǎng)，對電網(wǎng)和設(shè)備產(chǎn)生電流沖擊;（3）會威脅人身安全，當電網(wǎng)停電時，電網(wǎng)維護人員和用戶能不知道孤島系統(tǒng)在繼續(xù)送電。

5 分布式光伏電源的配電網(wǎng)保護的措施

分布式光伏電源的配電網(wǎng)保護不正確動作的解決對策。（1）基于方向元件的繼電保護改進策略。一般配網(wǎng)線路采用的是三段式電流保護，不需要設(shè)置方向元件就可以有效地保護線路全長，然而光伏電源的接入，使系統(tǒng)潮流結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。故加裝功率方向元件來判別故障方向成為目前主流方案。然而受逆變器的影響，電網(wǎng)側(cè)和光伏電源側(cè)的保護安裝點電流與電壓相位差有明顯不同，傳統(tǒng)方向元件可能會產(chǎn)生誤判。當光伏系統(tǒng)采用非低電壓穿越控制時，電網(wǎng)側(cè)和光伏側(cè)保護方向元件的動作判據(jù)分別為和-75° ≤ ɑ≤ 100°和-80° ≤ ɑ≤ 105°;光伏系統(tǒng)采用低電壓穿越控制時， 電網(wǎng)側(cè)和光伏側(cè)保護方向元件的動作判據(jù)分別為和-75° ≤ ɑ≤ 170°和-10°≤ ɑ≤ 105°（ɑ為正序電流和保護安裝點電壓和的向量夾角）。按照整定原則，方向元件能判斷正確的故障方向，保護可以正確動作。（2）自適應(yīng)電流保護改進方案。該方案通過功率方向元件首先判別故障方向，再根據(jù)短路電流零序、負序分量確定故障類別從而選擇相應(yīng)整定值，最后根據(jù)保護的電流和電壓信息與相應(yīng)的整定值比較來決定是否動作。該方案的整定值可根據(jù)光伏電源的不同接入容量和位置進行實時改變，避免了因光伏電源接入導(dǎo)致的繼電保護誤動與拒動，但此方案需對系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)同步采樣，信息量大，對于配網(wǎng)自動化程度要求高，經(jīng)濟性較低。（3）基于通信原理的電流保護改進方案。相對于自適應(yīng)保護，從經(jīng)濟性角度考慮，對配電網(wǎng)保護進行升級改造更能適應(yīng)該地區(qū)當前配電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，提出一種基于通信原理的電流保護改進方案，該方案依據(jù)縱聯(lián)保護的思想，引入對端互發(fā)信號在縱聯(lián)保護中的作用，通過電氣量的方向性來斷是否區(qū)內(nèi)外故障，通過助單側(cè)通信設(shè)備的傳輸準確排除故障線路。該方法需要為線路兩端裝設(shè)通信設(shè)備，但避免了線路兩端都需要安裝互感器導(dǎo)致的成本增加。（4）防孤島保護措施。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的成熟，越來越多的光伏發(fā)電接入電網(wǎng)，大規(guī)模分布式發(fā)電造成的孤島問題日益突出。為此，許多學者提出了基于孤島運行方案的微電網(wǎng)概念，微電網(wǎng)是指由分布式電源、負荷、儲能、控制裝置、保護裝置等組成的電力系統(tǒng)。微電網(wǎng)可根據(jù)光伏并網(wǎng)的容量及當?shù)刎摵蓙泶_定計劃性孤島區(qū)域，在電網(wǎng)停電的情況下根據(jù)預(yù)定的控制策略形成有計劃的孤島運行，并通過相應(yīng)的技術(shù)手段維持微電網(wǎng)電能質(zhì)量的穩(wěn)定，向周圍負荷可靠供電。

6 結(jié)束語

目前，微電網(wǎng)的應(yīng)用還有許多問題需要解決，其中計劃性孤島需要先選擇好與電力系統(tǒng)的解列點，當發(fā)生故障時能使微電網(wǎng)內(nèi)部基本功率平衡，而電力系統(tǒng)的實際運行情況有較多的不確定性，給微電網(wǎng)的規(guī)劃帶來較大難度。

參考文獻：

[1]張惠智.逆變型分布式電源接入配電網(wǎng)的故障分析及保護原理的研究[D].天津：天津大學，2015.

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