并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)線路保護的影響

黃波

（中國能源建設集團湖南火電建設有限公司 湖南長沙 410000）

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)線路保護的影響

黃波

（中國能源建設集團湖南火電建設有限公司 湖南長沙 410000）

基于節(jié)約環(huán)保的理念，光伏發(fā)電技術迅速發(fā)展起來，在電網(wǎng)電源中得到了廣泛的應用，光伏接入配電網(wǎng)對于電網(wǎng)配電繼電保護方面存在的影響不容忽視。本文針對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對于配電網(wǎng)線路保護的影響進行了探討，以供參考。

光伏發(fā)電；配電網(wǎng)；線路保護；影響

1 引言

利用光伏發(fā)電方式，不僅利用的是可再生太陽光資源實現(xiàn)發(fā)電，還具有系統(tǒng)機動靈活、技術含量高等優(yōu)勢。光伏發(fā)電系統(tǒng)中多分布式光伏電源并網(wǎng)成為發(fā)展潮流時，并網(wǎng)配電網(wǎng)引起的繼電保護問題也就越來越多，對配電網(wǎng)保護的影響也就越來越嚴重。

2 并網(wǎng)光伏發(fā)電的種類

2.1 單極式發(fā)電

所謂單極式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，其結構較為簡單，所需要的元器件相對較少，且不需要儲能組成，因而降低了建設成本，同時具有較高的轉換效率。但該系統(tǒng)的母線直流電壓是不可控的，因此需要采取母線電流保護措施；逆變器在控制并網(wǎng)的同時，還需要兼顧跟蹤最大功率，對于控制器的控制性能要求也更高。雙極式的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，通常是由光伏陣列、DC/DC轉換器、DC/AC轉換器、控制系統(tǒng)以及逆變器等幾個部分組成的。系統(tǒng)采用DC/DC，來提升光伏陣列的輸出直流電壓，然后使用DC/AC逆變器將其轉換成交流電，并直接接入電網(wǎng)。DC/DC能夠實現(xiàn)對于光伏陣列最大功率的跟蹤，而DC/AC部分則能夠實現(xiàn)直流變交流，從而為當?shù)刎摵晒╇娨螅瑢⒍嘤嗟碾娔茌斎腚娋W(wǎng)。

2.2 雙極式并網(wǎng)光伏

發(fā)電系統(tǒng)不需要將光伏陣列串聯(lián)入高電壓等級中，在進行兩極轉換的過程中，對于控制器的要求也不高。但是由于系統(tǒng)結構本身具有復雜性，元器件較多，系統(tǒng)需利用DC/DC、DC/AC兩部分進行控制，因而導致能耗增加；而在雙極式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中運用的DC/DC與DC/AC，第一部分進行光伏陣列輸出電壓、電流檢測時，可通過調(diào)節(jié)輸出電壓，實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤。第二部分則能夠將直流電逆轉化為交流電，維持與電網(wǎng)電壓頻率、相序的一致性，功率數(shù)接近于1，從而提高輸入電網(wǎng)的有功功率。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行特性

3.1 光伏出力的隨機波動性

太陽能的光照強度和天氣條件對光伏發(fā)電的影響十分強烈。光伏的出力呈現(xiàn)一定的波動性。用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建30MW光伏電站仿真模型，當環(huán)境溫度為25℃，光照強度為1kW/m2時。

3.2 光伏并網(wǎng)的故障電流、負荷電流特性

光伏發(fā)電出現(xiàn)短路時，以逆變技術作為主要的電流輸出，而短路電流則取決于逆變器電流的飽和模塊限值，因為逆變器等電力電子裝置的熱過載能力很低，為了保護元件不被損壞往往限制逆變器的輸出電流，這就意味著逆變型并網(wǎng)的分布式電源在電網(wǎng)故障時對故障點短路電流的貢獻不可能很大。并網(wǎng)運行的負荷電流遠遠大于光伏離網(wǎng)運行的負荷電流，并網(wǎng)運行時負荷電流主要由配電網(wǎng)提供，而光伏電源提供的負荷電流相對較小。

3.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)涉網(wǎng)保護位置

并入電網(wǎng)光伏發(fā)電涉網(wǎng)的保護位置，一般有以下兩種情況：①光伏系統(tǒng)直接連接電網(wǎng)低壓母線，具體的接入方式如下：a.如果低壓母線所帶負荷較大，則本地負荷可由正常運行的PV與系統(tǒng)共同供電；b.若低壓母線所帶負荷小，則正常運行時PV向低壓母線負荷和系統(tǒng)同時提供電能，減少低壓母線所帶負荷從系統(tǒng)的涉及容量來提PV。②光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)一起對負荷供電，從高壓母線側接入經(jīng)變壓器。

4 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)繼電保護的影響

某工程的地下一層設置有地下車庫及設備用房，配電房及門衛(wèi)為一層公建，功能為配電房、柴油發(fā)電機房、門衛(wèi)休息室及消防控制室兼值班室，配電房及門衛(wèi)建筑面積為201.66m2。多晶硅太陽能光伏陣列安裝于建筑屋頂上，系統(tǒng)采用200kW光伏并網(wǎng)逆變器需要配置太陽電池組件20串一個陣列，有40個這樣的陣列并聯(lián)，共計800塊太陽電池組件，實際功率達到200kWp整。組件的尺寸為1650×990×50mm，重量約20kg，且以此規(guī)格組件20片一串，在設計時參考此組串來規(guī)劃支撐結構（見圖1）。

圖1 多晶硅電池組件

在電力系統(tǒng)正常運行時，若突然出現(xiàn)配電網(wǎng)故障問題，需要立即切出光伏電網(wǎng)的配電系統(tǒng)，以防光伏電源影響電網(wǎng)短路電流與繼電保護，達到保證繼電保護裝置正常運行的目的。

4.1 系統(tǒng)位置的影響

接入光伏發(fā)電系統(tǒng)時，接入的位置通常在上游或下游。上游即指的是光伏電源相所保護電動勢的方向應當與節(jié)點保持相同；下游則是指光伏電源相對于所保護的電動勢方向，應當與節(jié)點相反。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)接入的是上游，則光伏電源會導致系統(tǒng)保護短路電流出現(xiàn)增大，且在越靠近故障點的地方，短路電流也就越大，因而能夠增大保護范圍。但這樣會影響下一級的故障動作，甚至導致誤動。而如果接入的是下游，則光伏電源的保護會產(chǎn)生相反的短路電流，而不影響光伏電源保護。

4.2 系統(tǒng)容量的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入，往往會產(chǎn)生反方向的短路電流，該電流對于上一級的保護影響并不大，但對處于故障點和光伏電源之間的保護，則影響較大。該反向電流會流過保護，倘若光伏電源的容量充足，或故障點過于靠近保護，將導致保護出現(xiàn)誤動作。由于接入電力系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)其容量會不斷增加，所產(chǎn)生的反向短路電流也會隨之不斷增加，進而擴大下游的保護范圍，縮小上游保護范圍，甚至導致保護系統(tǒng)失去應有的選擇能力。

4.3 系統(tǒng)對電流保護和重合閘的影響

三相短路的故障一般最為嚴重（見圖2），在系統(tǒng)最大運行方式下發(fā)生三相短路時的情況來定義并網(wǎng)系統(tǒng)的保護安全界限。當光伏系統(tǒng)發(fā)電電源與并網(wǎng)系統(tǒng)電源之間存在的聯(lián)接線出現(xiàn)故障時，導致保護動作之后而在自動重合閘重合之前，與光伏電源保持聯(lián)絡，而光伏電源未能解列，因而會繼續(xù)加大故障點故障電流，持續(xù)向故障點供電，最終導致電弧無法熄滅，且重合閘重合會導致故障點電弧階躍重燃，使臨時性的故障轉變成永久性故障，造成巨大損失。

圖2 三相光伏發(fā)電系統(tǒng)

4.4 系統(tǒng)對熔斷器重合器及分段器的影響

廣泛應用于配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和用電設備中的熔斷器是一種電流保護器，具有結構簡單、成本低且操作便捷等優(yōu)勢。具備反時限特性的熔斷器，如果通過的電流大則熔斷時間較短，若電流小則熔斷時間較長。通常采用的是能夠在整定時間內(nèi)進行動作檢測故障的電流跳閘。

為預防事故的進一步擴大，一般講第一、二次整定為快速分閘，能夠被預先整定的重合器動作程序，其分閘動作迅速，可消除瞬時故障。而重合器后續(xù)動作往往存在時限，需要和分段器配合運作。分段器的開關設備處于失壓、無電流狀況下，仍然可以自動分閘，因而在配電網(wǎng)中適用于隔離線路區(qū)段。

5 光伏發(fā)電并網(wǎng)配電網(wǎng)保護對策

5.1 針對孤島運行的保護方案概述

該系統(tǒng)的實際應用，可能會對原有的保護配合造成影響，甚至導致誤動作。對于配電網(wǎng)繼電保護與安全自動裝置而言，現(xiàn)有的該系統(tǒng)涉網(wǎng)保護措施，主要針對的對象是發(fā)生故障的配電網(wǎng)，采取的處理措施有兩方面：當并網(wǎng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障或發(fā)生孤島運行狀況時，將從電網(wǎng)解列，或者在做出相應保護動作之前，采取反孤島保護光伏電源措施；而在保護動作之后退出電網(wǎng)。

5.2 保護對策的研究

以允許孤島運行作為前提的保護對策，主要目的在于實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)涉網(wǎng)保護方案的實施。結合對于孤島運行的分析所采取的保護方案，需要考慮到可能影響配電網(wǎng)保護方案與光伏發(fā)電系統(tǒng)涉網(wǎng)保護方案的相關因素，為確保保護措施的實際效果，可采用的保護方案包括：①依靠通信系統(tǒng)的保護方案；②基于微電網(wǎng)條件的保護方案；③以廣域測量系統(tǒng)為基礎的保護方案。

主要研究方向則包括：①以重合閘前加速、電流保護配合措施，作為基礎保護方案；②改進以重合閘后的加速配合電流保護措施；③改進對于配置熔斷器的保護方案；④改進重合器與電壓的時間式分段器配合原則；⑤改善對反時限過電流保護；⑥改善基于縱聯(lián)保護的方案。

6 結束語

光伏發(fā)電由于大量節(jié)約了能耗，成為新興的重要發(fā)電形式，針對采用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對于配電網(wǎng)保護所造成的不良影響，采取解決的方案與改進措施，從而有助于光伏發(fā)電并網(wǎng)的普及，以及配電系統(tǒng)的安全可靠運行。隨著并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)相關技術的不斷改進，有關光伏發(fā)電并網(wǎng)的保護將更合理、更完善。

[1]章激揚，李達，楊蘋，等.光伏發(fā)電發(fā)展趨勢分析[J].可再生能源，2014，32（2）：127～132.

[2]邵漢橋，張籍，張維.分布式光伏發(fā)電經(jīng)濟性及政策分析[J].電力建設，2014，35（7）：51～57.

[3]韓學棟，王海華，李劍鋒.小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設計[J].電力建設，2014，35（1）：104～108.

TM77

A

1004-7344（2016）21-0058-02

2016-7-9

黃波（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事光伏工作。