淺談光伏電源接入配電網(wǎng)對(duì)饋線繼電保護(hù)的影響

【摘要】光伏電源是分布式電源的一種，現(xiàn)如今已經(jīng)越來(lái)越成為了最為重要的電力電源形式。一些大規(guī)模的光伏電站接入到了配電網(wǎng)中，導(dǎo)致原先的單端配電網(wǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡p端甚至是多端的供電性網(wǎng)絡(luò)，這會(huì)引起配電網(wǎng)中的潮流分布出現(xiàn)一定的變化，當(dāng)出現(xiàn)短路故障的時(shí)候，會(huì)發(fā)生繼電保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng)，從而對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成很大的影響。本文通過(guò)對(duì)光伏電源在接入配電網(wǎng)對(duì)饋線繼電保護(hù)帶來(lái)的影響展開(kāi)了一定的分析和探討，提出相應(yīng)的解決方案，希望對(duì)相關(guān)部門能夠有所幫助。

【關(guān)鍵詞】光伏電源；繼電網(wǎng)；饋線繼電保護(hù)；重合閘

隨著以化石原料為主體的傳統(tǒng)能源體系面臨著前所未有的危機(jī)，現(xiàn)在社會(huì)逐漸在發(fā)展以可再生能源為主體的新型能源，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能源。

國(guó)際能源署已經(jīng)發(fā)布了2013世界能源年度展望報(bào)告，報(bào)告中預(yù)測(cè)到2035年，世界新增發(fā)電量的近一半都是可再生能源，風(fēng)能和太陽(yáng)能光伏電將占到可再生能源比重的45%。國(guó)際能源署預(yù)計(jì)到在亞洲，日本和韓國(guó)之外的國(guó)家將占到2013年到2035年主要能源需求增長(zhǎng)的65%，中國(guó)的需求將在2035年超過(guò)美國(guó)和歐盟的總和。

可再生能源包括太陽(yáng)能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等，它們?cè)谧匀唤缈梢匝h(huán)再生。將可再生能源轉(zhuǎn)化為電能是我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)是較少受地域限制，具有安全可靠、無(wú)噪聲、低污染、無(wú)需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)同期短的優(yōu)點(diǎn)。

不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板，組件、控制器和逆變器三大部分電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場(chǎng)合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級(jí)電站，小到玩具，光伏電源無(wú)處不在。

目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無(wú)電場(chǎng)合提供電源，主要為廣大無(wú)電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，還有微波中繼電源、通訊電源等，另外還包括一些移動(dòng)電源和備用電源；二是太陽(yáng)能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能路燈和太陽(yáng)能草坪燈等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在我國(guó)已經(jīng)大面積推廣實(shí)施。

1.光伏能源的發(fā)展分析

70年代開(kāi)始，太陽(yáng)能逐漸在社會(huì)中得到了廣泛的應(yīng)用。到了80年代，盡管世界的經(jīng)濟(jì)都在下滑，但光伏技術(shù)并沒(méi)有因此而減慢腳步，而是依舊以遞增趨勢(shì)發(fā)展著。90年代后期，世界上都意識(shí)到了太陽(yáng)能的重要性，太陽(yáng)能電池達(dá)到了供不應(yīng)求的狀態(tài)，導(dǎo)致發(fā)展更加迅速。現(xiàn)如今，我們?nèi)粘Ｉ钜呀?jīng)完全離不開(kāi)太陽(yáng)能了。照明、鐵路交通、廣播電視、郵電通信、軍事國(guó)防、農(nóng)業(yè)牧業(yè)等等各個(gè)領(lǐng)域，都需要太陽(yáng)能的幫忙。隨著制作光伏電源的成本越來(lái)越低，它也逐漸應(yīng)用于更大更高難度的的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，例如電動(dòng)車充電系統(tǒng)、光電制氫和海水淡化等等。太陽(yáng)能也有著更大的發(fā)展目標(biāo)，希望能夠建造更多更大的補(bǔ)電站，為世界各地隨時(shí)隨地提供源源不斷的電能。

國(guó)家能源局對(duì)光伏發(fā)電實(shí)行年度規(guī)模管理，根據(jù)其的預(yù)計(jì)，2013年新增裝機(jī)約10GW。到2013年底，中國(guó)累計(jì)光伏裝機(jī)將達(dá)到16.5GW，其中分布式光伏項(xiàng)目為5.7GW，光伏電站約10.8GW。根據(jù)披露的數(shù)據(jù)顯示，2014年，江蘇、山東、浙江的光伏預(yù)裝機(jī)容量排在前三，其中江蘇累計(jì)預(yù)裝機(jī)容量為130GW，山東、浙江分部為120GW、110GW。

2.配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和饋線保護(hù)裝置

配電網(wǎng)是指由架空線路、電纜、配電變壓器、開(kāi)關(guān)、無(wú)功補(bǔ)償電容和一些其他設(shè)施所組成，在電力網(wǎng)中起著重要的分配電能作用。配電網(wǎng)按照電壓的等級(jí)來(lái)分類，可以分為高壓配電網(wǎng)、中壓配電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)。如果按供電區(qū)的功能來(lái)分，又可將配電網(wǎng)分為城市配電網(wǎng)、農(nóng)村配電網(wǎng)和工廠配電網(wǎng)等。而城市配電網(wǎng)一般都是指高壓配電網(wǎng)。配電網(wǎng)一般都采用閉環(huán)設(shè)計(jì)和開(kāi)環(huán)運(yùn)行的方式，它的結(jié)構(gòu)呈輻射狀。

饋線保護(hù)包括瞬時(shí)電流、定時(shí)限電流和過(guò)電流三種速斷保護(hù)。

（1）瞬時(shí)電流的速斷保護(hù)，又被稱為電流速斷保護(hù)，指的是根據(jù)能夠躲過(guò)饋線末端短路時(shí)流過(guò)保護(hù)的最大三相短路電流來(lái)進(jìn)行斷定，能夠快速的對(duì)故障展開(kāi)切除工作。

（2）定時(shí)限電流速斷保護(hù)，則是和相鄰線進(jìn)行共同配合保護(hù)整定。

（3）過(guò)流速斷保護(hù)，指的是根據(jù)能夠躲過(guò)饋線最大的負(fù)荷電流，結(jié)合與相鄰饋線和過(guò)流保護(hù)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)共同配合保護(hù)，能夠在很大程度上保證相鄰饋線的安全。而就架空的饋線來(lái)說(shuō)，電力人員應(yīng)該為其配備一個(gè)三相一次重合閘。通過(guò)這樣的方式能夠在發(fā)生配電網(wǎng)故障的時(shí)候，迅速的發(fā)展問(wèn)題并加以解決，從而盡快的恢復(fù)正常供電。而對(duì)于不與相鄰饋線進(jìn)行保護(hù)整定配合的饋線，通常只需要采用瞬時(shí)電流速斷保護(hù)以及過(guò)電流速斷保護(hù)。

3.光伏電源接入配電網(wǎng)對(duì)饋線繼電保護(hù)的不利影響

近些年來(lái)，我國(guó)的光伏能源規(guī)模和容量都在迅速的擴(kuò)大，也促使之前的單端配電網(wǎng)逐漸朝著多端方向發(fā)展，這種轉(zhuǎn)變可能會(huì)引起電網(wǎng)內(nèi)故障電流的方向以及時(shí)間發(fā)生改變，從而使得繼電保護(hù)出現(xiàn)有誤動(dòng)或者是拒動(dòng)現(xiàn)象。從這個(gè)角度上看，對(duì)于光伏電源接入配電網(wǎng)中，對(duì)饋線繼電保護(hù)造成的影響研究是非常重要的，電力企業(yè)需要在保證獲取光伏電源的積極效益的同時(shí)，最大化的降低其所造成的不良影響。

在國(guó)際電網(wǎng)公司采用的技術(shù)規(guī)范《國(guó)家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中，指出了當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路時(shí)，光伏電站向電網(wǎng)輸出的短路電流應(yīng)不大于額定電流的150%。如果電網(wǎng)側(cè)或者是饋線出現(xiàn)了任何形式的短路故障，都需要迅速的切除光伏電源光伏電站。在這種情況下，光伏電站的接入只會(huì)對(duì)饋線的電流速斷保護(hù)造成影響。然而在實(shí)際的電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，卻更加的復(fù)雜化。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)或饋線發(fā)生故障時(shí)，光伏電站的電源基本上都不能馬上的跳離配電網(wǎng)。因此，我們應(yīng)該想些其他方法來(lái)解決如何在光伏電源沒(méi)有正常跳離配電網(wǎng)時(shí)，又能做到配電網(wǎng)的保護(hù)。我們需要利用公式計(jì)算出短路電流的大小和方向，進(jìn)而分析在光伏電源的不同位置、不同流量接入對(duì)配電網(wǎng)饋線的保護(hù)和重合閘的影響。

3.1 光伏電源對(duì)饋線電流保護(hù)的影響

例如如果將1MWp的并網(wǎng)電站通過(guò)一臺(tái)1MVA升壓變壓器，將其升壓為10KV，然后通過(guò)10kV饋線接到110KV變電站的某個(gè)10KV饋線接入系統(tǒng)中。未接入光伏電源時(shí)，電流速斷保護(hù)的速斷方向以及低電壓閉鎖保護(hù)的控制字都是退出狀態(tài)。當(dāng)接入光伏電源后，有些饋線電流就會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，同時(shí)產(chǎn)生的保護(hù)效果也會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)本線發(fā)生故障時(shí)，由于故障電流僅是由電網(wǎng)提供的，而與光伏電源無(wú)關(guān)，因此此時(shí)光伏電源的接入對(duì)饋線的保護(hù)是沒(méi)有任何影響的。但當(dāng)有的饋線發(fā)生故障時(shí)，由于光伏電源的存在，給電路提供了短路電流，從而降低了保護(hù)電阻的靈敏度。也有的饋線或電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，又會(huì)由于光伏電源的存在而使得檢測(cè)到的電阻的反向電流值小于速斷電流保護(hù)的定值，從而引起誤動(dòng)。

3.2 對(duì)饋線重合閘的影響

在根本上，大多數(shù)配電網(wǎng)所出現(xiàn)的故障現(xiàn)象都是瞬時(shí)性的問(wèn)題。在這個(gè)角度上看，在配電網(wǎng)系統(tǒng)中采用重合閘能夠有效地提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)還能夠降低電網(wǎng)系統(tǒng)維護(hù)的工作量。在單端供電的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，對(duì)架空饋線都是用重合閘來(lái)實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)故障的供電的，這樣便可以很好的保護(hù)配電網(wǎng)的正常運(yùn)行了。但隨著光伏電源的引入，這個(gè)問(wèn)題就不那么簡(jiǎn)單了。如果光伏電源與配電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線在發(fā)生故障后跳開(kāi)了，那么光伏電源就不會(huì)影響重合閘對(duì)配電網(wǎng)的保護(hù)作用。

但是在出現(xiàn)故障的時(shí)候，光伏電站電源如果并未及時(shí)的跳離饋線，則會(huì)同部分電網(wǎng)共同成為電力孤島。而光伏電源在保證孤島電源的條件下，會(huì)給重合閘造成巨大的安全隱患，直接影響到重合閘的正常功能運(yùn)行，使得重合過(guò)程失敗或者是導(dǎo)致非同時(shí)期的重合閘。

3.3 對(duì)備用電源的影響

通常來(lái)說(shuō)，主流電源在故障影響的情況斷開(kāi)時(shí)，一般需要自動(dòng)利用備用電源供電，以不影響正常的供電工作。而光伏電源在使用中，要求快速高效自動(dòng)投入備用電源，并滿足同期合閘的要求，這樣做的目的是為防止非同期合閘產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊電流，而破壞配電網(wǎng)和光伏電源設(shè)備。

4.總結(jié)

將光伏電源接入到配電網(wǎng)中，能夠提供大量的能源支持，節(jié)省大量的化石能源，改善了電力企業(yè)的供電水平。但是同時(shí)，光伏電源的接入也對(duì)饋線繼電保護(hù)造成了一定的影響，和電源的容量、接入位置以及其他方面的因素都有著密切的聯(lián)系。由于相當(dāng)容量的光伏電源接入到不同位置的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生差異化的效果，極可能促進(jìn)對(duì)饋線的保護(hù)，拓展其保護(hù)的范圍，也很可能進(jìn)一步縮小該范圍。在這樣的前提下，電力系統(tǒng)需要采用相應(yīng)的措施來(lái)保證光伏電源的接入能夠加強(qiáng)饋線繼電保護(hù)狀態(tài)，比如加裝方向原件就是一種有效的措施。在光伏電源測(cè)電力人員也能夠設(shè)置部分低頻設(shè)備，并且實(shí)行同期入網(wǎng)的方式，能夠避免對(duì)重合閘造成不良影響。總的來(lái)說(shuō)，針對(duì)于光伏電源接入配電網(wǎng)對(duì)饋線繼電保護(hù)造成的各種影響，電力企業(yè)需要進(jìn)行全面深入的探索，找到相應(yīng)的解決措施，不斷的進(jìn)行改正和完善，使得光伏電源能夠更好地為人們所利用。

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作者簡(jiǎn)介：吳畏（1971—），男，華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院電氣工程專業(yè)2010級(jí)在讀研究生，電力系統(tǒng)高級(jí)工程師，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)高級(jí)技師。