并網型光伏發電站中性點接地方式的分析

王 凱

新疆風電工程設計咨詢有限責任公司 烏魯木齊 830063

并網型光伏發電站中性點接地方式的分析

王 凱

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比較了并網型光伏發電站的中性點接地方式，并以某光伏電站為例，計算中性點接地電阻值，為今后工程提供參考。

光伏發電站； 并網； 中性點； 接地

開發利用新能源和可再生能源是解決中國能源和環境問題的重要措施之一，光伏資源是可再生能源的重要組成部分。我國太陽能資源豐富，全國大部分地區年日照時數在 2000h 以上，年輻照量約為 5900MJ/m2，太陽能利用條件良好。太陽能利用的主要方式是太陽能光伏發電，即利用太陽能光伏電池的光伏效應將太陽能轉換為電能[1-2]。

隨著光伏組件價格的降低，國家對發展清潔能源的重視，并網型光伏發電站的建設取得了快速發展，裝機規模也越來越大，由最初的峰值功率1MWp、10MWp級別發展到現階段的20MWp、30MWp、50MWp、100MWp級別。隨著裝機規模的擴大，電網對光伏電站中性點接地方式也提出了新的要求。

通過對比電網常用的不同中性點接地方式，提出了大規模并網型光伏電站的中性點接地方式。以某光伏電站為實例，計算中性點接地電阻值，為今后大型并網光伏電站接地電阻值計算提供一定的參考。

1 并網光伏發電系統

光伏發電系統將太陽能轉換為電能，根據光伏系統與電網的關系，可以分為獨立系統和并網系統。獨立于電網的光伏系統，常用在遠離電網的偏遠地區。并網光伏電站及其接入系統運行特性的研究正逐漸成為光伏發電產業和電力領域共同關心的重要課題之一，在并網系統中，光伏發電系統代替電網給用戶提供電力，同時把多余功率饋送回電網。系統需要加入蓄電池，以保證光照不足時能持續提供電能。由于系統受外界因素影響較大，為獲得持續的額定輸出功率，通常要應用控制器來調節、控制和保護系統。所以，光伏發電系統基本包括光伏電池、變換器、蓄電池和控制器四大部分，如圖1所示。變換器將系統所發直流電逆變成正弦交流電，并經過連接裝置并入電網。控制器控制系統最大功率點、逆變器輸出的電壓波形和功率等，一般由單片機或數字信號處理芯片作為核心器件構成[3-5]。

圖1 光伏并網發電系統基本組成框圖

2 光伏電站中性點接地方式選擇原則

2.1 中性點接地方式介紹

電網系統的中性點即為變壓器、發電器形成的星形繞組公共點，中性點接地方式即為中性點和大地之間的連接方式。中性點運行方式一般可分為有效接地和非有效接地兩大類。有效接地方式指中性點直接接地和經小電阻接地，非有效接地指不接地或經消弧線圈接地。

2.2 不同中性點接地方式的比較

(1) 中性點不接地。若三相電源電壓呈現為對稱，則電源中性點的電位表現為零。但由于架空線路三相排列呈現為不對稱，并且各相對地電容也表現為不相等，因此電網中性點表現出位移電壓， 該值通常不大于電源電壓的3%～5%，這給運行帶來了較大的影響。

在中性點不接地電網出現單相接地故障的情況下，非故障相的對地電壓隨之升高為線電壓，單相接地電流增大為正常情況時電容電流的3倍左右。

35kV配電網單相接地電流若超過規定值(10A)，易導致不穩定的間歇性接地電弧，出現幅值較高的弧光接地過電壓。

(2) 中性點經消弧線圈接地。采用此種接地方式，在出現單相接地故障時，消弧線圈的電感電流會使系統對地電容電流有相應的補償，使通過故障點的電流變得更小或者接近于零。除此以外，消弧線圈還會使故障相的恢復電壓上升速度減緩。

采用中性點經消弧線圈接地，電網在出現故障時仍然能夠持續運行一段時間，有利于提高供電可靠性。電網單相接地電流非常小，其對鄰近的信號系統及通信電路造成的影響較小，通常情況下， 中性點經消弧線圈接地系統應用補償方式，脫諧度控制在5%～10%之間。

若線路的不對稱度不大，出現斷路器非全相動作或出現線路兩相、單相斷線的情況，在特定條件下容易導致串聯諧振，需要避免。

(3) 中性點直接接地。中性點直接接地系統屬于較大電流的接地系統，通過接地點的電流較大，可能會燒損電氣設備。發生故障后，繼電保護會立即動作，使斷路器跳閘，消除故障。目前我國110kV 及以上系統大都采用中性點直接接地。

(4) 中性點經電阻接地。中性點經電阻接地， 可簡化為繼電保護，在檢測接地故障線路時非常方便，通常依靠零序電流保護將單相接地故障迅速切除。過電壓較低有利于降低絕緣水平，但較大的電流流經故障點，將使接觸電壓和跨步電壓顯著升高，對人身及設備造成威脅。因此，為保證供電可靠安全，需要設置自動重合閘，在瞬時性故障時立即恢復供電[6-7]。

2.3 接地方式選擇原則

(1) 電氣設備和絕緣水平。和配電網中性點接地方式一樣， 光伏電站10kV、35kV 交流系統中性點接地方式的選擇是一項重大的技術決策，不僅涉及到系統本身的安全可靠性、過電壓絕緣水平，而且對通信干擾、人身安全有重要影響。

光伏電站交流系統中電力設備和配電網差異不大，主要為電纜、負載、變壓器等。確定中性點接地方式應主要限制系統中可能產生的過電壓， 尤其是工頻過電壓， 以防止發生絕緣擊穿或由單相接地發展為多相短路。

對于6kV～10kV架空線路電網而言，運用中性點直接接地方式會使絕緣水平降低，但經濟意義并不明顯。對于電纜網絡而言，若運用中性點有效接地方式， 電纜絕緣水平下降的同時，工程造價會有較為明顯的改善[8-10]。

(2) 繼電保護工作的可靠性。中性點不接地或經消弧線圈接地時接地保護較為困難，而在中性點有效接地電網中，接地保護相對容易實現。

為充分接收太陽能資源，光伏電站內匯集系統多采用直埋電纜方式，造成光伏電站交流系統中的電力設備耐熱能力相對較低， 因此應限制單相接地時的故障電流幅值， 以防止燒損事故。同時， 對發生不可恢復性故障的設備應盡快退出運行， 防止設備損壞或故障擴大。

根據國家標準《GB 50797—2012光伏電站設計規范》，場內電纜匯集線發生單相接地后，若不快速切除，容易演變為三相短路，加劇事故程度，導致并網點電壓大幅跌落，使光伏電站低電壓穿越失敗，進而脫網。根據西北電監辦〔2011〕165號文《西北區域并網光伏電站管理暫行規定》要求，光伏電站10kV～35kV饋線發生單相接地故障時，須可靠、快速切除故障。

因此，為提高光伏電站運行水平，光伏電站內匯集線單相接地故障時應具備快速切除能力，建議光伏電站匯集線系統多采用中性點經電阻接地。

3 實例計算分析

3.1 光伏發電站建設方案

某光伏電站計劃安裝容量(峰值功率)為100MW，全部采用305W多晶硅電池組件，共設100 個1MW子方陣。每500kW太陽能電池經一臺一體化500kW逆變器構成一個光伏發電單元，逆變器將直流電轉換為0.315kV低壓交流電，1臺1000kVA 雙分裂繞組升壓箱式變壓器將兩個光伏發電單元逆變器輸出的交流電升壓至35kV。每10 臺雙分裂變壓器在高壓側并聯為一個聯合進線單元，共計10回電源匯集線，經電纜接入110kV升壓站35kV 母線側，然后再通過1回110kV線路接入公用電網。

逆變器與35kV升壓箱式變壓器低壓側連接采用3根YJV-3×185mm2并聯后的電纜。

35kV集電線路采用直埋電纜敷設，每10回并聯為1回，共計10回匯集線路，引入35kV配電室，集電線路采用ZR-YJV22-3×70mm2、R-YJV22-3×95mm2、ZR-YJV22-3×120mm2等型號35kV直埋電纜。

箱式變壓器至35kV配電室之間的匯集電纜總長約23.2km。

3.2 中性點經小電阻接地計算

(1) 單相接地電容電流。本工程電纜線路單相接地電容電流為：

Ic=0.1Uel=81.2(A)

式中：Ic為電網電容電流，A；Ue為電網額定線電壓，kV；l為線路長度，km。

按經驗值，升壓站增加的接地電容電流在35kV 電壓等級約為13%，即：

IcΣ=Ic(1+13%)=91.7(A)

式中：IcΣ為電網總電容電流，A。

(2) 中性點小電阻計算。在選擇中性點接地電阻值時，要保證每條線路的零序保護都有足夠的靈敏值。線路的零序保護動作電流按躲過本線路對地電容電流進行整定的，即零序電流保護動作電流為：

Idz=KkIc

(1)

式中：Idz為零序電流保護動作電流，A；Kk為可靠因數。

Kk的大小與保護的動作時間有關，若保護為瞬時動作，則為防止接地電容電流的暫態分量使保護誤動作，一般取4～5。

為了保證發生單相接地故障時零序保護能可靠動作，快速切除故障，建議流經接地電阻的最小接地電流取370A。

接地電阻值為：

式中：Rn為接地電阻值，Ω。

本光伏電站110kV升壓站35kV側采用經小電阻接地方式，即主變35kV側母線規劃裝設一組接地電阻，接地電阻值選擇為55Ω，接地變壓器容量選擇為750kVA。若選擇與所用變壓器一體的接地變壓器，還需加上所用電負荷容量。

4 結論

筆者對比了不同電網中性點接地方式，根據光伏電站的特點，提出了光伏并網發電系統中性點接地方式的選擇原則，并以某峰值功率為100MW的光伏電站為實例，計算中性點接地電阻值，對選擇的接地電阻值和接地變壓器容量進行分析計算。光伏電站升壓變壓器中性點采用小電阻接地系統，能夠保證發生單相接地故障時迅速切除故障，避免故障范圍擴大，保障光伏電站及電力系統穩定、安全運行。

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Compared the neutral point grounding modes applied to grid-connected PV power station and Took a PV power station as an example to calculate the ohmic value of the neutral point grounding that might provide a reference for future engineering projects.

PV Power Station； Grid-Connected； Neutral Point； Grounding

2016年3月

王凱(1985— )，女，本科，工程師，主要從事風電、光伏工程設計工作， E-mail： wangkai0991@163.com

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