分布式儲能系統(tǒng)用斷路器改進(jìn)與應(yīng)用

曹元威，郭寅遠(yuǎn)*，陳 卓，賀 春，王 龍

（1.許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461000；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州 450000）

隨著新能源電力的推進(jìn)，大量的風(fēng)電、光伏等分布式電源接入配電網(wǎng)，由于地理、天氣、季節(jié)等因素影響，新能源發(fā)電的不確定性、隨機(jī)性給電網(wǎng)帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。分布式儲能系統(tǒng)作為新型電力系統(tǒng)重要組成部分，具有功率吞吐快、控制精度高、安裝靈活等特點，更易實現(xiàn)分布式能源的就地快速消納[1-2]。此外，分布式儲能相較于集中式儲能系統(tǒng)，減小了電能的線路損耗和投資壓力，可實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)峰、延緩電網(wǎng)改造和提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性等功能。

為充分挖掘分布式儲能系統(tǒng)對配電網(wǎng)的價值，提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)型和可靠性，有必要通過深入了解分析分布式儲能的并網(wǎng)特性和并網(wǎng)注意事項，對分布式儲能系統(tǒng)實施主動管理和控制，使其安全穩(wěn)定運行。為此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對分布式電源接入配電網(wǎng)的接入系統(tǒng)設(shè)計、運行、維護(hù)、測試及調(diào)度等提出了原則性技術(shù)要求，從而最大限度發(fā)揮分布式電源并網(wǎng)的積極效益[3]。

本文從分布式儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運行時可能存在的并網(wǎng)開關(guān)柜斷路器因失壓不能合閘問題，分析斷路器失壓的動作特性和檢測機(jī)理，提出了改進(jìn)方案，在工程應(yīng)用中具有較高的推廣應(yīng)用價值。

1 分布式電源接入的一般技術(shù)原則

國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 10370—2016《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》第11 章分布式電源接入導(dǎo)則，針對分布式電源接入容量、并網(wǎng)電壓、接入系統(tǒng)方案、并網(wǎng)接口和裝置功能要求等方面做了規(guī)定。

針對并網(wǎng)接口和裝置功能要求方面，技術(shù)導(dǎo)則明確指出，接入分布式電源的380（220）V 用戶進(jìn)線計量裝置后開關(guān)及10（35）kV 用戶公共連接點處分界開關(guān)，應(yīng)具備電網(wǎng)側(cè)失壓延時跳閘、用戶單側(cè)及兩側(cè)有壓閉鎖合閘、電網(wǎng)側(cè)有壓延時自動合閘等功能，確保電網(wǎng)設(shè)備、檢修（搶修）作業(yè)人員及同網(wǎng)其他客戶的設(shè)備、人身安全。其中，380（220）V 用戶進(jìn)線計量裝置后開關(guān)失壓跳閘定值宜整定為20%UN、10 s，檢有壓定值宜整定為大于85%UN[4-5]。

逆變器類型的分布式電源接入220/380 V 配電網(wǎng)技術(shù)要求中也明確規(guī)定，并網(wǎng)點應(yīng)安裝易操作，具有明顯開斷指示、具備開斷故障電流能力的低壓并網(wǎng)專用開關(guān)，具備失壓跳閘及檢有壓合閘功能[6-7]。

因此，分布式電源接入公共連接點處所用斷路器必須具備失壓跳閘功能。對于失壓跳閘功能的實現(xiàn)，最常用實現(xiàn)方式是配置失壓脫扣器，對于采用塑殼斷路器和框架式斷路器的并網(wǎng)保護(hù)電路，可采用失壓脫扣器來達(dá)到此功能。

2 分布式儲能離網(wǎng)控制問題隱患

儲能系統(tǒng)典型運行狀態(tài)有2 種，儲能系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，儲能系統(tǒng)與微電網(wǎng)相連，運行在PQ 模式；離網(wǎng)運行時，儲能系統(tǒng)提供支撐微網(wǎng)運行的電壓和頻率，運行在VF 模式[8-10]。儲能系統(tǒng)典型運行拓?fù)鋱D如圖1 所示，當(dāng)離網(wǎng)運行時，網(wǎng)測斷路器Q1斷開，儲能系統(tǒng)并網(wǎng)柜斷路器Q2閉合，給負(fù)載提供電能支撐。

圖1 儲能系統(tǒng)典型運行拓?fù)鋱D

為規(guī)范分布式儲能系統(tǒng)接入系統(tǒng)設(shè)計，保障儲能系統(tǒng)和配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，中國電力企業(yè)聯(lián)合會T/CEC 0231—2017《分布式儲能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》第6 章二次系統(tǒng)設(shè)計中明確：分布式儲能系統(tǒng)應(yīng)具備頻率和電壓異常時的緊急離網(wǎng)功能，該功能由專用安裝自動裝置實現(xiàn)，也可以有具備該功能的并網(wǎng)點快速開關(guān)實現(xiàn)[11]。

目前，在分布式光伏系統(tǒng)配置儲能系統(tǒng)所用并網(wǎng)開關(guān)柜的斷路器等開關(guān)，具有失壓跳閘功能，最常用的失壓跳閘功能是采用失壓脫扣器來實現(xiàn)。失壓跳閘功能檢測斷路器上端口（電網(wǎng)側(cè)）電壓，當(dāng)電網(wǎng)失壓斷電，斷路器跳閘。當(dāng)儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運行時，由于電網(wǎng)失電，并網(wǎng)開關(guān)柜斷路器上端口（電網(wǎng)側(cè)）沒有電壓，只有斷路器下端口（儲能變流器及電池端）有電壓，會導(dǎo)致離網(wǎng)時并網(wǎng)開關(guān)柜的斷路器失電跳閘，不能進(jìn)行離網(wǎng)操作。

因此，分布式光伏配置儲能系統(tǒng)考慮到儲能離網(wǎng)控制的特殊需求，可能會遇到公共連接點斷路器等開關(guān)在離網(wǎng)時不能有效合閘的問題，因此，有必要對斷路器的失壓脫扣器動作特性和檢測機(jī)理進(jìn)行分析。

3 失壓脫扣器動作特性及檢測機(jī)理

3.1 失壓脫扣器動作特性

對于通過失壓脫扣器實現(xiàn)失壓跳閘的斷路器，其常規(guī)失壓脫扣器動作特性。

1）當(dāng)外施電壓突降至額定工作電壓的35%～10%范圍內(nèi)，失壓脫扣器釋放使斷路器斷開。

2）當(dāng)外施電壓低于失壓脫扣器的額定工作電壓的35%時，失壓脫扣器使斷路器不能閉合。

3）當(dāng)外施電壓為失壓脫扣器的額定工作電壓的85%～110%時，失壓脫扣器能保證斷路器可靠閉合。

4）當(dāng)外施電壓下降，在不低于額定工作電壓的35%時，失壓脫扣器吸合保證斷路器可靠閉合。

根據(jù)斷路器的動作特性并結(jié)合Q/GDW 10370—2016《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》相關(guān)規(guī)定，失壓跳閘檢測確保系統(tǒng)發(fā)生額定工作電壓突降至20%故障時，分布式電源斷路器斷開與電網(wǎng)系統(tǒng)連接，轉(zhuǎn)入故障或離網(wǎng)運行狀態(tài)。

3.2 失壓脫扣器檢測機(jī)理

欠壓脫扣器主要包括電磁系統(tǒng)和控制電路2 部分[12]，其中，電磁系統(tǒng)主要由鐵心、彈簧、吸合線圈等組成，檢測電路主要用于檢測斷路器上端口（電網(wǎng)電壓端）相電壓幅值大小。當(dāng)發(fā)生電壓突降至動作電壓時，欠壓脫扣器控制電路快速檢測到電壓跌落，并給出脫扣指令，電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)線圈失電，推桿在彈簧作用下沖擊脫扣板使其動作，從而斷路器脫扣，從而起到保護(hù)作用。

4 儲能系統(tǒng)用斷路器改進(jìn)方案

針對儲能系統(tǒng)在離網(wǎng)條件下并網(wǎng)開關(guān)柜斷路器因失壓脫扣器失壓跳閘，斷路器不能合閘問題，本文增加并網(wǎng)開關(guān)柜失壓跳閘檢測點，在原有并網(wǎng)模式斷路器上端口（電網(wǎng)測）檢測點檢測失壓的同時，采用轉(zhuǎn)換開關(guān)的方式設(shè)置離網(wǎng)模式，當(dāng)儲能系統(tǒng)工作在離網(wǎng)狀態(tài)下，斷路器失壓脫扣器檢測斷路器下端口電壓。此時，處于離網(wǎng)狀態(tài)下的儲能系統(tǒng)并網(wǎng)開關(guān)柜斷路器下端口帶電，斷路器的失壓跳閘檢測點將不再報失壓跳閘故障，斷路器具備了并網(wǎng)和離網(wǎng)2 種模式正常運行的功能。

并離網(wǎng)條件下斷路器失壓脫扣器檢測示意圖如圖2 所示。

圖2 并離網(wǎng)條件下斷路器失壓脫扣器檢測原理圖

由圖2 可知，當(dāng)儲能系統(tǒng)工作在并網(wǎng)模式時，將并離網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換至并網(wǎng)模式，此時，并網(wǎng)開關(guān)柜斷路器按照常規(guī)的檢測手段，檢測上端口（電網(wǎng)測）電壓，斷路器可有效執(zhí)行帶電合閘和失電跳閘功能。當(dāng)儲能系統(tǒng)工作在離網(wǎng)模式時，將并離網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換至離網(wǎng)模式，此時，采用檢測并網(wǎng)柜斷路器下端口（PCS 和電池側(cè)）電壓，儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運行，儲能電池和儲能變流器工作，并網(wǎng)點開關(guān)柜斷路器下端口帶電，可有效閉合斷路器，儲能系統(tǒng)可穩(wěn)定在孤島離網(wǎng)工況下帶載運行。

需要強調(diào)的是，光伏系統(tǒng)所用并電柜斷路器應(yīng)具備失壓跳閘和檢有壓合閘功能，儲能系統(tǒng)也應(yīng)具備失壓跳閘功能，但是對于儲能系統(tǒng)出于安全考慮不能具備檢有壓合閘功能，防止因儲能離網(wǎng)運行等操作導(dǎo)致的人身及設(shè)備的損害。同時，基于光儲等混合微電網(wǎng)連接至公共連接點的配電柜斷路器，也不應(yīng)具備檢有壓合閘功能。

5 應(yīng)用

某園區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)如圖3 所示，包含2 個子系統(tǒng)，1#子系統(tǒng)為712 kWp 光伏發(fā)電系統(tǒng)，2#子系統(tǒng)為由285 kWp 光伏、250 kW/600 kWh 儲能、1 臺5 kW 風(fēng)機(jī)及2 臺160 kW 直流充電樁組成的智能微電網(wǎng)。其中，儲能系統(tǒng)并網(wǎng)柜斷路器為Q1，風(fēng)光儲充微電網(wǎng)并網(wǎng)柜斷路器為Q2。

圖3 微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

當(dāng)電網(wǎng)失電，微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)運行在離網(wǎng)狀態(tài)，由于儲能系統(tǒng)用斷路器Q1的失壓跳閘脫扣器檢測的是斷路器上端電壓，上端因大電網(wǎng)失電致使斷路器失壓報故無法合閘，因此，采用上述斷路器改進(jìn)方案，在原有斷路器上端口檢測失壓的同時，采用轉(zhuǎn)換開關(guān)的方式設(shè)置離網(wǎng)模式，在儲能系統(tǒng)離網(wǎng)控制時，斷路器失壓脫扣器檢測斷路器下端口電壓。此時，儲能電池作為能量源，儲能變流器工作在離網(wǎng)穩(wěn)穩(wěn)壓模式，斷路器Q1下端口帶電，斷路器可有效合閘，微電網(wǎng)系統(tǒng)可離網(wǎng)運行。

微電網(wǎng)公共連接點并網(wǎng)柜的斷路器Q2采用相同的改進(jìn)方案增加離網(wǎng)轉(zhuǎn)換開關(guān)和增加斷路器下端口失壓跳閘點檢測，確保整個微網(wǎng)系統(tǒng)的在大電網(wǎng)失電的情況下能夠可靠離網(wǎng)運行。

改進(jìn)及應(yīng)用效果如圖4 和5 所示。

圖4 儲能系統(tǒng)并網(wǎng)柜斷路器Q1 改進(jìn)圖

圖5 微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)柜斷路器Q2 改進(jìn)圖

6 結(jié)論

本文從分布式儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運行時可能存在的并網(wǎng)開關(guān)柜斷路器因失壓不能合閘問題，分析分布式電源接入的一般技術(shù)原則，詳述儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運行時開關(guān)柜斷路器失壓脫扣器的動作特性及檢測機(jī)理，給出了采用增加并離網(wǎng)轉(zhuǎn)換開關(guān)和失壓脫扣器檢測點的方案，在保證儲能系統(tǒng)并網(wǎng)柜斷路器離網(wǎng)時并網(wǎng)柜斷路器能夠可靠運行。

并網(wǎng)柜斷路器離網(wǎng)合閘問題，在某園區(qū)風(fēng)光儲充微電網(wǎng)離網(wǎng)控制項目中出現(xiàn)，通過上述方法和改進(jìn)措施，項目在離網(wǎng)工況下可靠閉合并得到有效實現(xiàn)，從工程實踐上驗證了此方法的可行性，具有較好的推廣價值。