分析新能源并網對配電系統繼電保護的影響

王可 含芳

摘 要：本文分析光伏電源接入配電網，分析光伏電源并網對配電系統繼電保護的影響。在對實際應用情況分析的基礎上，結合配電系統電源側與光伏電源饋線上游的短路問題，發現電網繼電保護裝置可能受到影響。如果光伏電源所在的饋線下游出現短路問題，就會導致上游電流受到不同程度的影響。

關鍵詞：新能源并網;配電系統;繼電保護;影響

中圖分類號：TM615.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0177-02

隨著環境問題和能源問題的日益嚴重，新能源技術開始高速發展，光伏并網發電是新趨勢。現在，我國光伏產業規模在不斷擴大，光伏行業市場容量呈現不斷的上升趨勢。光伏系統并網成為太陽能資源利用的主要方向，但是光伏發電系統的輸出功率受到很多外界環境的影響，對配電網會產生不良影響[1]。所以，在光伏發電系統應用中，應該合理的分析其對繼電保護產生的影響。

1 光伏發電和繼電保護

1.1 光伏發電的內涵

光伏發電是利用半導體材料將光轉化為電能的過程，這種半導體材料具有光伏效應，這是一種在物理學、光化學和電化學中研究的現象。光伏發電系統采用太陽能電池板，每個太陽能電池板由多個太陽能電池組成，這些太陽能電池產生電力。光伏裝置可以是地面安裝、屋頂安裝或壁裝。這個底座可以固定，或者使用太陽能跟蹤器來跟蹤太陽穿過天空。太陽能光伏作為能源有其獨特的優勢，一旦安裝，其運行不會產生污染和溫室氣體排放，在電力需求方面表現出簡單的可擴展性，而硅在地殼中具有很大的可用性。光伏發電系統的主要缺點是，在陽光直射的情況下，功率輸出工作得最好，因此如果不使用跟蹤系統，大約會損失10-25%。大氣中的灰塵、云層和其他障礙物也會降低功率輸出。通常不符合人類活動周期需求高峰的易失性。除非當前的社會消費模式和電網適應這種情況，否則仍需儲存電力以供日后使用或由其他電源組成。光伏發電系統長期以來一直被用于專門的應用領域，自20世紀90年代以來，獨立和電網連接的光伏系統一直在使用中。2000年，德國環保人士和歐洲太陽能組織獲得了政府對一萬個屋頂項目的資金，這是第一批大規模生產的光伏系統。技術的進步和制造規模的增加無論如何都降低了成本，提高了可靠性，提高了光伏裝置的效率、凈計量和財政激勵，如太陽能發電的優惠上網電價，在許多國家支持太陽能光伏裝置。現在有100多個國家使用太陽能光伏，光伏發電是繼水電和風力發電之后全球第三大可再生能源[2]。截至2016年底，全球光伏裝機容量增加到300千兆瓦以上，約占全球電力需求的2%。中國是增長最快的市場，其次是日本和美國，而德國仍然是全球最大的生產國，太陽能光伏提供了每年國內電力需求的7%。利用當前的技術，光伏技術在南歐1.5年和北歐2.5年內回收了生產所需的能源。光伏技術最廣為人知的是一種利用太陽能電池將太陽能轉換成光電效應的電子流的發電方法。太陽能電池利用陽光產生直流電，可以為設備供電或為電池充電。光伏技術的第一個實際應用是為軌道衛星和其他航天器提供動力，但如今大多數光伏組件都用于并網發電。在這種情況下，需要一個逆變器將直流電轉換為交流電。光伏發電采用由多個太陽能電池組成的太陽能電池板，其中包含光伏材料。銅太陽能電纜連接模塊、陣列和子場。由于對可再生能源的需求不斷增長，近年來太陽能電池和光伏陣列的制造業有了很大的發展。太陽能光伏發電長期以來被視為一種清潔能源技術，它利用了地球上最豐富、分布最廣的可再生能源——太陽。電池需要保護，不受環境影響，通常被緊緊地包裝在太陽能電池板中。光伏發電容量是以瓦特峰值為單位，在標準化測試條件下測量的最大功率輸出根據地理位置、一天中的時間、天氣條件和其他因素，特定時間點的實際功率輸出可能小于或大于該標準化值或“額定”值。太陽能光伏陣列的容量系數通常低于25%，這比許多其他工業用電源都要低。

1.2 繼電保護的內涵

在電氣工程中，保護繼電器是一種繼電器裝置，用于在檢測到故障時使斷路器跳閘。保護繼電器是電磁裝置，依靠運行在運動部件上的線圈來檢測異常運行條件。基于微處理器的數字保護繼電器現在可以模擬原始設備，并為機電繼電器提供實用的保護和監控類型。機電繼電器僅提供故障位置和來源的基本指示。在許多情況下，單個微處理器繼電器提供的功能需要兩個或多個機電設備。通過在一個案例中組合多個功能，數字繼電器也比機電繼電器節省了資金成本和維護成本。重要的輸電線路和發電機都有專用于保護的隔間，有許多單獨的機電設備，或一個或兩個微處理器繼電器。為了迅速采取行動保護電路和設備，通常需要保護繼電器在幾千分之一秒之內做出響應并使斷路器跳閘。在某些情況下，維護或測試程序用于確定保護系統的性能和可用性。

2 光伏并網系統模型建立

2.1 光伏并網系統模型建立

光伏發電系統主要是由光伏陣列、最大功率點跟蹤器和直流變換器等構成，光伏陣列由不同的光伏發電單元組件串聯組成，可以將太陽能轉化為電能。為了確保太陽能資源得到最大化的應用，控制光伏陣列應該確保在最大功率點的位置。直流變換器是在光伏電池序列輸出發電過程中，使逆變器的直流滿足電壓的要求[3]。光伏發電系統的核心設備是逆變器，其可以將直流電轉化成三相交流電，并且接入到電網中。控制器主要是對電網的電壓進行跟蹤，獲得電流信息。

2.2 光伏系統并網對配電網繼電保護影響理論分析

由于三相短路故障對配電網產生的影響非常大，在運行中常常會發生三相短路的情況。針對不同容量光伏電源接入中，其對配電網短路電流的影響非常大。

2.2.1 系統電源側發生故障

在系統電源側發生故障后，系統側保護動作發生，會出現跳閘的情況。經過重合后，會出現非同期合閘的情況。為了有效的防止非同期合閘對電網產生很大的破壞，光伏電源要直接與電網分離，防止配電系統短路對電流產生的影響。

2.2.2 光伏電源所在饋線上游發生故障

系統的線路參數非常重要，光伏系統受到反孤島保護，所以系統不會發生嚴重的短路。

3 光伏系統并網對配電網繼電保護影響仿真分析

3.1 仿真模型的建立

在對配電網進行研究中，結合實際的參數分析，建立仿真模型。系統電壓選取配電網的額定電壓為10.5KV，系統最大運行方式的系統阻抗為0.09歐姆，配電網每條饋線上帶有4MVA負荷。在對架空線路選擇中，合理的分析其型號，每千米的電阻為0.223歐姆。配電網各個線路的首端都涉及三段式的電流保護裝置，按照傳統的方法，對電流保護定值進行計算。分別計算各個線路的最大短路電流與最大負荷電流，然后計算線路三段保護的動作電流。繼電器的一次繞組由電力系統電流互感器通過一個插頭橋供電，該橋被稱為插頭設置倍增器。通常七個等距抽頭或工作頻段決定繼電器的靈敏度。一次繞組位于上電磁鐵上。二次繞組與上電磁鐵相連，上電磁鐵由一次繞組供電并與下電磁鐵相連。一旦上下電磁鐵通電，它們就會產生渦流，渦流被感應到金屬圓盤上，并流過磁通路徑。渦流和磁通量之間的這種關系產生的轉矩與初級繞組的輸入電流成比例，這是由于兩個磁通路徑的相位相差90度。在過電流條件下，將達到一個電流值，克服主軸和制動磁鐵上的控制彈簧壓力，使金屬盤朝固定觸點旋轉[4]。圓盤的初始移動也被切割到圓盤側面的小槽阻擋在臨界正電流值。轉動觸點所需的時間不僅取決于電流，還取決于主軸逆止位置，即時間倍增器，時間倍增器被分為10個全旋轉時間的線性劃分。

3.2 仿真驗證

在光伏電源從母線接入到配電網系統后，出現三相短路的問題。

3.2.1 光伏電源所在饋線上游發生故障

配電網接入后，光伏電源的容量分別是0，1，2和3MW，在運行0.5秒后發生三相短路問題，故障持續了0.3秒。在不同容量下，光伏電源出現兩次短路情況。當三相短路發生后，隨著系統電流的增大，短路部分的電流減小，導致短路出出現拒動作。靜態繼電器沒有或只有很少的運動部件，隨著晶體管的引入而變得實用。靜態繼電器的測量元件由二極管、齊納二極管、雪崩二極管、單結晶體管、p-n-p和n-p-n雙極晶體管、場效應晶體管或它們的組合成功地和經濟地構成。6個靜態繼電器比純機電繼電器具有更高的靈敏度，因為p操作輸出觸點的電源來自單獨的電源，而不是來自信號電路。靜態繼電器消除或減少了接觸反彈，可提供快速操作、長壽命和低維護。

3.2.2 光伏電源相鄰饋線發生故障

配電網接入到光伏電源后，容量分別記為0，1，2和3，其在0.5秒時發生三相短路問題，故障持續時間為0.2秒。當系統發生三相短路問題后，隨著電流的上升，短路處的電流先減小后增大。數字繼電器可以在一個裝置中模擬多個分立機電繼電器的功能，簡化保護設計和維護。每個數字繼電器可以運行自檢程序，以確認其準備就緒，并在檢測到故障時發出警報。數字繼電器還可以提供通信接口、觸點輸入監測、測量、波形分析和其他有用功能。數字繼電器可以存儲多組保護參數，允許在維護附屬設備期間更改繼電器的行為。數字繼電器還可以提供機電繼電器無法實現的保護策略，尤其是在遠距離高壓或多終端電路中，或在串聯或并聯補償的線路中，它們還提供了自我測試和與監控系統通信的好處。

4 結語

在采用新能源并網中，要合理的采用繼電保護，防止其對繼電保護產生影響。當光伏電源所在饋線下游發生短路故障后，會產生繼電保護拒動作，所以，要有效的防止饋線下游發生短路[5]。繼電保護在新能源并網中發揮的作用非常大，促進電網的平穩運行，有效的降低短路問題的發生率，提升電網的運行效率，促進電力資源的高效供應。

參考文獻

[1] 宋軍.新能源并網對配電系統繼電保護影響分析[J].科學技術創新，2018（31）：147-148.

[2] 薛風華，張文遠，王小光，沈岳峰等.新能源并網對配電系統繼電保護影響分析[J].電工電氣，2017（09）：15-18+40.

[3] 鮑麗芳.光伏并網對吳忠配電系統繼電保護及自動裝置的影響研究[D].寧夏大學，2013.

[4] 劉海龍.分布式發電對配電系統繼電保護的影響與對策研究[D].三峽大學，2012.

[5] 黃睿.利用方向信息的雙向閉鎖式微電網保護研究[D].重慶大學，2010.