太陽能分布式光伏電站接入配電網(wǎng)繼電保護配置研究

河南中原金太陽技術有限公司 程傳新

1 引言

隨著全球能源需求的增加和環(huán)境污染日益加劇，太陽能作為清潔、可再生的能源形式受到廣泛的關注和應用。太陽能分布式光伏電站作為重要的太陽能利用方式，已經(jīng)逐漸成為未來能源發(fā)展的趨勢。然而在太陽能分布式光伏電站接入配電網(wǎng)過程中，由于運行特點不同，可能會出現(xiàn)一些電網(wǎng)故障，如過電壓、欠電壓、短路等，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成威脅。因此，如何對太陽能分布式光伏電站進行繼電保護的配置，成為當前亟待解決的問題[1]。

2 分布式光伏電站并網(wǎng)對配電網(wǎng)繼電保護的影響

2.1 太陽能分布式光伏電站概述

太陽能分布式光伏電站是指將多個小型光伏電站分布式地建設在電網(wǎng)用戶側的鄉(xiāng)村、城市、工廠等地方，將分散的光伏發(fā)電資源集成到電網(wǎng)中，實現(xiàn)分布式發(fā)電。與傳統(tǒng)的大型中心化光伏電站相比，具有許多優(yōu)勢[2]。

一是降低輸電損耗。太陽能分布式光伏電站建設在電網(wǎng)用戶側，與用電負荷相近，避免了遠距離輸電帶來的損耗，提高了發(fā)電效率。

二是減少土地占用。太陽能分布式光伏電站建設在建筑物、工廠、商場等建筑群中，充分利用已有的空間，減少了土地占用，避免了因為建設光伏電站而進行土地征用的問題。

三是增強電網(wǎng)穩(wěn)定性。太陽能分布式光伏電站分散建設在用戶側，能夠有效平衡電網(wǎng)負荷，減少電網(wǎng)的負荷壓力，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

四是降低環(huán)保成本。太陽能分布式光伏電站能夠減少化石能源的使用，降低環(huán)境污染，同時也降低了環(huán)保成本。

2.2 分布式光伏電站并網(wǎng)對配電網(wǎng)繼電保護的影響

太陽能分布式光伏電站雖然具有諸多優(yōu)勢，但是在使用過程中也有許多技術難題需要解決。以接近負荷的方式向配電網(wǎng)輸送電能對三段式電流保護、自動重合閘和熔斷器保護都會產(chǎn)生一定的影響[3]。

2.2.1 影響三段式電流保護

三段式電流保護主要是針對中低壓配電網(wǎng)的保護措施，基本原理為在配電線路的起點、中段和終點分別設立斷路器或負載開關，通過測量不同位置的電流、電壓變化，實現(xiàn)對故障電流的精確定位和及時切除，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。隨著太陽能分布式光伏電站的接入，這種傳統(tǒng)的保護機制存在的問題如下。

一是不穩(wěn)定的電壓和電流造成保護誤動，增加誤報率。由于太陽能分布式光伏電站的發(fā)電量受天氣等自然條件的影響較大，產(chǎn)生的電壓和電流會有一定的波動，這會導致傳統(tǒng)的電流保護系統(tǒng)產(chǎn)生誤動，錯誤地切除正常的負載電流，從而造成供電中斷或安全事故。

二是電流反演導致保護失效，增加電網(wǎng)風險。在太陽能分布式光伏電站的接入中，發(fā)電裝置通常是通過逆變器將直流電轉換為交流電后再接入配電網(wǎng)。由于逆變器會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響，在某些情況下，可能會出現(xiàn)“電流反演”的問題，即逆變器輸出的電流方向與負載側電流方向相反，造成傳統(tǒng)電流保護系統(tǒng)無法有效檢測到故障電流，從而導致保護失效。

2.2.2 影響自動重合閘

太陽能分布式光伏電站接入配電網(wǎng)后，由于其電流方向和電壓波動等因素，可能會對自動重合閘產(chǎn)生影響，影響電網(wǎng)的供電能力。

一是電流方向變化。在傳統(tǒng)的電網(wǎng)中，電流的流向是單向的，即從發(fā)電站到用戶，但是太陽能分布式光伏電站接入電網(wǎng)后，電流的流向會發(fā)生變化，可能會向電站內(nèi)部或者其他分布式電源流動。這種電流的變化可能會使得自動重合閘不能正常地工作，從而影響電網(wǎng)的供電能力。

二是電壓波動。光伏電站接入電網(wǎng)后，由于光照等因素的影響，可能會引起電壓的波動。這種電壓波動可能會對電網(wǎng)中的自動重合閘裝置產(chǎn)生影響，使其失去了靈敏度，不能及時地檢測到故障，并進行隔離和恢復操作，從而影響電網(wǎng)的供電能力。

2.2.3 影響熔斷器保護

一是熔斷器額定電流不匹配。太陽能分布式光伏電站接入電網(wǎng)后，由于光照等因素的影響，可能會引起電壓的波動和電流的變化。這種電流的變化可能會使得熔斷器的額定電流不匹配，從而導致熔斷器無法正常地保護電路，損壞電設備，甚至引起火災等危險情況。

二是熔斷器故障檢測不及時。太陽能分布式光伏電站接入電網(wǎng)后，電流的變化可能會對熔斷器的故障檢測產(chǎn)生影響，使得熔斷器不能及時地檢測到故障，并進行隔離和恢復操作，從而影響電網(wǎng)的供電能力，甚至導致設備損壞和人身傷亡等危險情況。

3 分布式光伏電站并網(wǎng)接入方式

太陽能分布式光伏電站通常采用并網(wǎng)接入方式，將發(fā)電的直流電轉化為交流電，并通過并網(wǎng)點接入電網(wǎng)。常見的接入方式包括單相并網(wǎng)接入、三相并網(wǎng)接入以及逆變器并網(wǎng)接入等三種。

3.1 單相并網(wǎng)接入

單相并網(wǎng)接入的原理是將發(fā)電的單相交流電與電網(wǎng)單相交流電并聯(lián)，通過電網(wǎng)點接入電網(wǎng)。單相并網(wǎng)接入的優(yōu)點是結構簡單、安裝方便、成本低廉，適用于小型分布式光伏電站，如家庭、企業(yè)等小規(guī)模場所。但由于單相電力的特性，容易出現(xiàn)電壓波動、諧波擾動等問題，不適用于大規(guī)模分布式光伏電站。

單相并網(wǎng)接入的技術方案主要包括串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種，將太陽能電池板串聯(lián)或并聯(lián)連接成一個大電池組，通過逆變器將直流電轉換為交流電，并與電網(wǎng)單相交流電串聯(lián)或并聯(lián)連接。

兩種接入方式都需要保證電池板的電壓和電流在一定范圍內(nèi)，避免電池板之間的電壓失衡和電流不一致。串聯(lián)式單相并網(wǎng)接入的特點是結構簡單、易于安裝和維護，并聯(lián)式單相并網(wǎng)接入的特點是電池板之間的電壓和電流均衡，能夠充分利用太陽能電池板的發(fā)電能力。

3.2 三相并網(wǎng)接入

三相并網(wǎng)接入是太陽能分布式光伏電站中常用的一種接入方式。三相并網(wǎng)接入將發(fā)電的三相交流電與電網(wǎng)三相交流電并聯(lián)接入電網(wǎng)。其原理是將發(fā)電的三相交流電與電網(wǎng)三相交流電并聯(lián)，通過電網(wǎng)點接入電網(wǎng)。三相并網(wǎng)接入的優(yōu)點是電力穩(wěn)定、諧波小、傳輸距離遠等，適用于大規(guī)模分布式光伏電站。但由于三相電力的特性，其結構復雜、安裝和維護難度較大。

直接并網(wǎng)。逆變器直接與電網(wǎng)相連，并通過電網(wǎng)保護裝置進行保護。這種方式結構簡單，但是需要逆變器具備一定的功率調(diào)節(jié)功能，以適應電網(wǎng)負載變化。

集中式控制。通過集中式控制器對光伏電站的功率輸出進行調(diào)節(jié)，以滿足電網(wǎng)負載需求。這種方式可以更好地實現(xiàn)分配和調(diào)度，但是需要額外的控制系統(tǒng)和通信設備，增加了成本和復雜度。

3.3 逆變器并網(wǎng)接入

逆變器并網(wǎng)接入是將太陽能電池板發(fā)出的直流電轉化為交流電，再通過并聯(lián)接入電網(wǎng)。其原理是將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器輸出的交流電與電網(wǎng)交流電并聯(lián)連接，將太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的電能注入電網(wǎng)。逆變器并網(wǎng)接入的優(yōu)點是光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝和維護較為簡單，且能夠充分利用太陽能電池板的發(fā)電能力。逆變器并網(wǎng)接入的技術方案主要包括單相和三相兩種。單相逆變器并網(wǎng)接入的特點是適用范圍窄，但結構簡單、易于安裝和維護，成本較低。三相逆變器并網(wǎng)接入的特點是適用范圍廣，能夠充分利用太陽能電池板的發(fā)電能力，但結構復雜、安裝和維護難度較大。

4 分布式光伏電站并網(wǎng)方式及其繼電保護設置

在太陽能分布式光伏電站并網(wǎng)時，必須進行相應的保護配置和并網(wǎng)斷路器保護，以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。具體的保護配置需要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況來決定，并且應定期檢查和維護，以確保系統(tǒng)的正常運行。

分布式光伏電站接入配電網(wǎng)時，需要進行相應的繼電保護配置，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。具體的繼電保護配置需要根據(jù)電站和電網(wǎng)的具體情況進行選擇和設置，并且需要定期檢查和維護，以確保系統(tǒng)的正常運行。系統(tǒng)側的保護和并網(wǎng)斷路器保護是兩個重要繼電保護配置。

4.1 系統(tǒng)側的保護配置

系統(tǒng)側的保護配置是指在光伏電站接入配電網(wǎng)時，針對配電網(wǎng)側的電力系統(tǒng)進行的保護配置。其目的是確保電力系統(tǒng)的安全運行，防止因光伏電站接入而引起的故障和事故。

4.1.1 根據(jù)電壓等級進行分段保護

在系統(tǒng)側的保護配置中，需要對110kV 電壓進行分段保護，以母線段為單位進行設置。這樣能夠涵蓋高頻、低頻、高壓和低壓燈保護設施，并且包括光伏電站連接線斷路器，從而保證電力系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性。

4.1.2 針對連接線路進行過電流保護

在配電網(wǎng)10kV 光伏電站連接線路中，需要設置過電流保護設施。這是因為過電流是光伏電站接入配電網(wǎng)時常見的故障類型之一，需要進行有效的保護。同時，還需要能夠進行方向元件投退和方向閉鎖，以防止反方向故障的發(fā)生。

4.1.3 保證三相一次重合閘功能的正常發(fā)揮

系統(tǒng)側的保護配置中，需要確保三相一次重合閘能夠正常發(fā)揮作用，并且在時間方面與光伏電站切除所需的最長時間保持一致。此外還需要具備無壓檢測和同期功能，以避免非同期合閘帶來的危害。

4.1.4 根據(jù)地區(qū)規(guī)定配置斷路器

針對節(jié)點位置，需要根據(jù)地區(qū)的相關規(guī)定采用合適的方式配置斷路器。這需要先調(diào)查分布式光伏電站的容量，然后才能進行專門配置。對于斷路器的保護，應采用常規(guī)的線路，并且需要對線路進行無壓檢測，以確保電力系統(tǒng)的安全運行。

4.2 并網(wǎng)斷路器保護

并網(wǎng)斷路器保護是指在光伏電站與配電網(wǎng)連接時，在并網(wǎng)斷路器處設置的保護措施，其目的是確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，防止因光伏電站接入而引起的故障和事故。

4.2.1 速斷保護

速斷保護是指在出現(xiàn)故障時，通過速斷設備迅速切斷光伏電站與配電網(wǎng)的連接，以防止故障擴大和事故發(fā)生。常用的速斷設備包括光纖差動保護、過流保護以及帶方向的過流保護等，這些設備能夠快速檢測出故障，并對電力系統(tǒng)進行保護。

4.2.2 孤島保護

孤島保護是指在光伏電站接入配電網(wǎng)后，能夠快速監(jiān)測孤島，并對其與配電網(wǎng)的連接進行快速切斷。對于非計劃孤島，從發(fā)生孤島開始到并網(wǎng)斷路器斷開的時間應確保在2s 之內(nèi)，能夠確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

4.2.3 逆功率保護

逆功率保護是指在光伏電站采用不可逆的并網(wǎng)方式時，需要進行逆功率保護的配置，能夠避免光伏電站向配電網(wǎng)輸送過多的電力，對電力系統(tǒng)造成危害。

4.2.4 功能要求

并網(wǎng)斷路器的保護還需要具備低周、低壓解列功能和高周、高壓解列等功能。這些功能能夠有效地保護電力系統(tǒng)，避免因光伏電站接入而引起的故障和事故。

5 結語

本文主要研究了太陽能分布式光伏電站接入配電網(wǎng)繼電保護配置問題。通過分析太陽能分布式光伏電站接入配電網(wǎng)的特點和故障類型，提出了一套完整的繼電保護配置方案。在實際工程中，可以根據(jù)該方案進行繼電保護的配置，以保證太陽能分布式光伏電站接入配電網(wǎng)的正常運行和安全穩(wěn)定。