并網型光伏電站工作原理及其一二次設備配置原則

趙 杰，王 碩，楊玉周，武 劍，宋 靜，于贊梅

（1.國網石家莊供電公司，河北 石家莊 050000；2.河北省送變電公司，河北 石家莊 050000）

并網型光伏電站工作原理及其一二次設備配置原則

趙 杰1，王 碩1，楊玉周2，武 劍1，宋 靜1，于贊梅1

（1.國網石家莊供電公司，河北 石家莊 050000；2.河北省送變電公司，河北 石家莊 050000）

世界光伏產業和市場在嚴峻的能源形勢和人類生態環境形勢的壓力下，進入到了快速發展時期，并網光伏電站逐年增加。以光伏發電并網系統為研究對象，對其工作原理進行了詳細介紹和分析，并結合《地區電源并網工程繼電保護及安全自動裝置配置規范》要求對石家莊地區35 kV并網型光伏電站一二次設備配置情況進行了說明，以其為今后大規模光伏并網發電提供參考依據。

光伏發電；并網系統；保護；規范

分布式電源對優化能源結構、推動節能減排、實現經濟可持續發展具有重要意義。國家電網公司認真貫徹落實國家能源發展戰略，積極支持分布式電源快速發展，依據《中華人民共和國電力法》、《中華人民共和國可再生能源法》等法律法規以及有關規程規定，按照優化并網流程、簡化并網手續、提高服務效率的原則，積極為分布式電源項目接入電網提供便利條件，為接入系統工程建設開辟綠色通道。與此同時，國網河北省電力公司制定了《地區電源并網工程繼電保護及安全自動裝置配置規范》技術標準，用于規范河北南部電網分布式電源并網工程中繼電保護及安全自動裝置配置［1］。

截止到2014年12月底，石家莊地區共有3座光伏電站并網發電，其中通過35 kV專線并網2座，10 kV專線并網1座。總容量為61.6 MW。這些光伏電站為石家莊地區首批投運的并網型光伏電站，具有十分重要的研究價值和實用意義。這些光伏電站的順利投運為石家莊供電公司相關部門提供了近距離接觸、了解、學習光伏發電的機會，為優化光伏發電對配電網繼電保護、配網規劃、負荷預測［2］、電能質量分析、并網項目審批流程等方面的問題提供了真實可靠的數據基礎和難得的實踐機會，同時對石家莊調控中心如何實現光伏電源并網發電的優化調度提出了新的問題和考驗［3］。

1 光伏并網發電原理

光伏發電是一種能將太陽能轉化為電能的新型清潔能源發電模式，具有綠色、環保、可再生；儲量巨大、無枯竭；安全、可靠、無污染；資源分布廣泛、普遍等優點。同時，光伏發電具有削峰填谷的正特性，對解決石家莊地區谷峰差大，大負荷期間電網調度裕度不足的問題具有重要意義［4-6］。

圖1為光伏并網發電系統示意圖，主要包括：光伏電源、直流電容、逆變器、熔斷器、濾波器、升壓變壓器、模擬無窮大系統以及實現光伏電源最大功率跟蹤、并網功率控制等環節［7-8］。

圖1 光伏并網發電系統示意圖

光伏電源是一種非線性直流電源，其輸出功率能力主要受光照強度和環境溫度影響。按圖1，通過MATLAB／SIMULINK仿真軟件搭建光伏并網發電模型，對光伏發電的特性進行仿真研究［5］。

由圖2可知，在相同溫度下，光照強度越強，光伏電源輸出電流越大、輸出功率也越大，具有正特性。

圖2 溫度相同日照強度不同的仿真曲線（a）——P-U曲線；（b）——I-U曲線

由圖3可知，在相同光照強度下，溫度越大，輸出功率越小，具有負溫度特性。

圖3 光照強度相同溫度不同的仿真曲線（a）——P-U曲線；（b）——I-U曲線

總體而言，光照強度對光伏發電的影響較溫度要大得多。光伏發電最適宜的環境為光照強度大、環境溫度低的天氣。

由圖4可知，當溫度一定時，光照強度由1 000 W／m2下降到800 W／m2時，并網側A相并網電流能快速、平穩跟蹤電網A相電壓的變化。

圖4 并網側的A相電流和電壓（功率因數＝1）

2 并網型光伏發電一次系統結構

以某35 kV光伏電站為例，其一次接線示意圖如圖5所示。該電站經110 kV站主變中壓側母線直接與系統相連，該光伏電站容量為30 MW，站內為35 kV單母接線方式，35 kV并網線1條，2回光伏進線，站變兼接地變1臺，SVG型無功補償裝置及其升壓變1臺。多晶硅電池組件98 120塊（峰值功率：245 Wp，峰值電壓：30.8 V，峰值電流：7.96 A），1MW集裝箱式逆變房（包含2臺集中式逆變器，每臺輸出功率0.5 MW，輸入直流電壓450～820 V，輸出交流電壓315 V，最大輸入直流電流1 200A），組串式逆變器335臺（每臺輸出功率28 kW），箱式變壓器S11-1100／35（14臺），S11-500／35（2臺），S11-800／35（1臺），S11-1250／35（6臺）。

光伏電站接線方式主要有：集中式逆變器光伏陣列和組串式逆變器光伏陣列。

2.1 集中式逆變器光伏陣列設計

經對光伏組件進行串、并聯設計，最終確定為22塊多晶硅光伏組件組成1串，12或16路光伏組串經光伏專用直流電纜（PV1-F-0.9／1.8-1×4 mm2）接入1臺光伏防雷匯流箱，其系統圖如圖6所示。7～9臺光伏防雷匯流箱經直流電纜（ZRCYJV23-0.6／1-2×50／70 mm2）接入1臺直流防雷配電柜（共2臺直流防雷配電柜），每臺直流防雷配電柜接入1臺0.5 MW光伏逆變器（1臺1 MW集裝箱式逆變房由2臺0.5 MW光伏逆變器組成），每臺集裝箱式逆變房通過交流電纜（3×（ZRCYJV23-0.6／1 kV-3×240））接入1臺1 100 kVA升壓變壓器（SF11-1100／35，38.5±2×2.5%／0.315 kV，Y-d11-d11，Uk%＝6.5%），部分參數由表1所示。

2.2 組串式逆變器光伏陣列設計

經對光伏組件進行串、并聯設計，最終確定為22塊多晶硅光伏組件組成1串，3～5路光伏組串經光伏專用直流電纜（PV1-F-0.9／1.8-1×4mm2）接入1臺串式逆變器，6～7臺組串式逆變器經交流電纜（3×（ZRC-YJV23-0.6／1 kV-3×16或25））接入1臺交流匯流箱，然后經交流電纜（3×（ZRC-YJV23-0.6／1 kV-3×150或185））引至升壓變壓器（S11-1250（800／500）／35，38.5±2×2.5%／0.315 kV，Yd11，Uk%＝6%，接入交流匯流箱的臺數由升壓變容量決定），部分參數由表2所示。

圖5 光伏電站一次接線示意圖

表1 集中式逆變器光伏陣列設計參數

表2 組串式逆變器光伏陣列設計參數

圖6 光伏匯流箱系統圖

3 并網型光伏發電保護配置原則

根據《地區電源并網工程繼電保護及安全自動裝置配置規范》要求，為了實現該光伏電站的投運，需要對該光伏電站直接接入的110 kV站相關保護及安全自動裝置進行完善和升級。主要工作有：在原有110 kV、35 kV備自投裝置中增加跳開工作電源斷路器的同時，聯跳經失壓母線并網的并網斷路器功能；在原有1號、2號主變間隙保護中增加一時限跳并網線斷路器的功能；增加故障解列裝置1臺，具備低頻、低壓、高頻、過壓、失步解列功能。裝置動作時跳開機組；增加故障錄波器1臺，記錄故障時變電站各側母線電壓，110 kV進線間隔、主變間隔、并網線路的交流量和開關量，相應設備的保護裝置、各側備自投裝置、故障解列裝置的開關量等信息，為故障分析提供可靠數據。35 kV直接并網線兩側應配置光纖縱聯差動保護為主保護，方向過流保護為后備保護的成套線路保護裝置。保護動作時，作用于并網線兩側斷路器。110 kV站與并網線相關的保護配置如表3所示。

表3 110 kV站保護配置表

35 kV光伏站內配置35 kV母差保護1套；站內進線開關保護3套三段式過流保護；主變保護（接地變、SVG升壓變、光伏電壓升壓變）、逆變器保護具備過流、過壓、欠壓、過頻、低頻、孤島檢測等功能；增加故障錄波器1臺，記錄光伏電站母線電壓，主變間隔、SVG間隔、進線間隔、并網線路的交流量和開關量等。同時配置電能質量檢測裝置，實時檢測記錄電能質量。35 kV光伏電站保護配置如表4所示。

表4 35 kV光伏電站保護配置表

4 結束語

光伏發電對節能減排、優化能源結構具有重要的意義。本文首先對光伏并網發電系統進行建模仿真，以此為基礎分析光伏發電的工作原理、工作特點；其次本文依據《地區電源并網工程繼電保護及安全自動裝置配置規范》，結合某在運的35 kV光伏電站，對并網型光伏電站一二次系統配置進行了深入分析和探討，以便為電力工作者提供更加直觀、簡練的光伏發電及相關情況參考。

［1］ 地區電源并網工程繼電保護及安全自動裝置配置規范［Z］.國網河北省電力公司，2013.

［2］ 張艷霞，趙 杰.基于反饋型神經網絡的光伏系統發電功率預測［J］.電力系統保護與控制，2011，39（15）：96-101.

［3］ 趙 杰，張艷霞，宣文博，等.分布式電源中逆變器的故障特征和保護方案研究［J］.電力系統自動化，2012，36（1）：51-54.

［4］ 趙 杰，王 碩，李吉昌，等.基于多種分布式電源的微電網控制策略與仿真［J］.中國電力，2013，46（6）：95-100.

［5］ 趙 璐，張立穎，李天立，等.光伏并網發電系統逆變器的研究［J］.東北電力技術，2014，35（12）：20-23.

［6］ 張燕妮.淺談光伏發電的方案設計［J］.東北電力技術，2014，35（2）：34-26.

［7］ 孟 懿.太陽能光伏發電的發展［J］.東北電力技術，2010，31（11）：19-21.

［8］ 張艷霞，趙 杰，鄧中原.太陽能光伏發電并網系統的建模和仿真［J］.高電壓技術，2010，36（12）：3 097-3 102.

Working Principle of the Grid?connected Photovoltaic Power Station and Primary and Secondary Device Configuration Principles

ZHAO Jie1，WANG Shuo1，YANG Yu?zhou2，WU Jian1，SONG Jing1，YU Zan?mei1
（1.State Grid Shijiazhuang Power Supply Corporation，Shijiazhuang，Hebei 050000，China；2.Hebei Transmission and Distribution Company，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

The world photovoltaic（PV）industry and market entered a period of fast development under the pressure of severe energy and human ecology environment situation.The grid?connected PV stations increase every year.In this paper，grid?connected PV power generation system is taken as the research object，the working principle is introduced and analyzed，and combined with the configura?tion rules of engineering relay protection and safety automatic device in the power grid to illustrate the primary and second equipment configuration of 35 kV grid?connected PV power station in Shijiazhuang area，which can provide reference basis for future large?scale PV grid power generation.

PV power；Grid?connected system；Protection；Specification

TM615

A

1004-7913（2015）06-0027-04

趙 杰（1983—），男，博士，研究方向為電力系統繼電保護和新能源。

2015-03-30）