探究光伏電站并網對配電網繼電保護的影響

梁君亮 董玉輝

（華電山東新能源有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

太陽能屬于可再生能源，通過光伏發電的建設，有效將太陽能轉化成電能，優化能源生產結構，符合當代電力行業可持續的理念。該類發電站通常是分布式格局，主要作用是補充配電網，其既可以降低完善電網的投資量，又可保障輸電的穩定性。目前，隨著光伏電站并網的增多，其對配電網所產生的影響也越來越大。

1 光伏電站

1.1 光伏電站優勢

光伏電站是借助組件，把太陽能轉化成電能得。這種發電方式的運用，使機組擁有更高的環境適應性，可布置于用電者周邊的配電網中。通常來講，光伏發電系統中有特殊材質的電池板、控制開關、蓄電池、電容適配裝置及充電器等。其中在發電期間，充電器發揮最大功率點跟蹤（MPPT）的作用，把由電池板形成的電能，傳送至和電容適配裝置連通的蓄電池上，自動調節電能電容。光伏電站的投入建設優勢體現在：其可以和配電網及系能源網絡之間，實施合理化調節，相互補給調度電能。這樣能把用戶負載整合起來，將冗余電能運輸的相關數據保存至公用區域。以運行成本的角度來說，光伏電站建設規模沒有過于嚴苛的標準，總體表靈活，但對所用配件的性能要求明確，所以，光伏發電的經濟代價還是較大，應當繼續優化及創新有關技術，促使此種發電模式逐漸“平民化”。

1.2 電站并網結構

常規配電網有樹干狀、放射狀及環網狀，相對簡單的并網結構為放射狀，在接線、保護定容及擴容等方面都有較好的表現。在該類配電網中，增加光伏電站。在整個結構中，可裝配限過流的保護斷路裝置與自動重合閘的斷路裝置。在光伏并網中，由于單體光伏電池的電壓不高，所以會構成電池組，使得能量逐漸增多。根據基礎電路理論，能得出光伏電池的有關等效電路（見圖1）。

2 配電網繼電保護機理

2.1 電流保護

電網出現短路故障時，表現出的穩態特點為電流值提高、電壓下降，同時相位與阻抗等均不同于往常。一方面，電流速斷保護。該種保護形式的實際范圍，會根據系統運轉模式與短路情況確定。在系統處于最大運行狀態時，該項保護覆蓋的范圍同樣是最大的。如果是其他運行狀態以及兩相短路中，保護范疇相對縮小。電流速斷保護突出特點是穩定、高效及簡單，實際應用范圍較大。但其也有不足，僅能對局部線路提供保護，容易被系統運行狀態干擾，并且在運行方式突然出現明顯改變時，還有可能無法形成保護區。另一方面，過電流保護。該類保護裝置是根據設定的最大電流值，控制其開關狀態。在此項保護模式下，電流整定中，僅有保護線路出現故障，才會啟動。相應整定表達式如公式（1）所示。

式中：K 是可靠系數，取值通常在1.15～1.25；K是自啟動系數，取值超過“1”，具體需要根據網絡實際接線與負荷性質情況確定；K是返回系數，其與保護種類相關，取值通常是0.85；I 是最大的負荷電流；I是整定電流。

圖1 光伏電池等電路圖

2.2 自動重合閘

在電力系統中的大部分故障來源于輸電線路，而架空線路通常會發生瞬時類的故障，比如閃絡。當線路被繼電保護切斷后，電弧隨即熄滅，對應位置絕緣性能恢復。這時將線路斷路裝置合上，便可以恢復供電。而對于永久類的故障，如斷線與絕緣子被擊穿等。此時即使線路被斷開，故障問題不會消失，合上電源后，還是會迅速斷開，無法正常輸電。目前，在應用自動重合閘中，通常會有幾項基礎要求。一是優先考慮采取控制點和斷路所處裝置點位不對應的方式，啟動重合閘操作，也就是在控制開關處于合閘狀態，但斷路裝置是斷開的，此時重合閘被啟動，這不僅能避免在非正常動作時，出現無論何種原因導致跳閘后，均能實施一次重合。二是重合閘的動作頻率，要滿足設定標準。三是重合閘需可以合閘前后，加快繼電保護的速度，確保與繼電保護的協調性，及時解決掉故障。四是帶有雙側電源的線路中，需注意兩側同步合閘。五是重合閘動作之后，通常可直接復位，以便下次動作。我國光伏電站通常和中低壓系統連接，通常選擇三相的一次重合閘。

2.3 備用電源自投

備用電源自投的出現是為進一步保障輸電的穩定性而裝配的自動設備。自投設備是在運轉電源由于故障或其他問題失效，立即將備用電源及其他可用電源頂替，同時關閉運行電源對應自動裝置。該類保護裝置有效讓自動裝置和繼電保護器整合起來，支持向用戶提供持續性電源，并且成本投入不高。

3 光伏電站并網對繼電保護的影響

常規電網中，通常是單電源放射式的框架，光伏電站并網后，放射型的無源網絡，調整成包括中小規模電源在內的有源網絡。該類變化讓電網中的各項保護定值和機理隨之出現明顯變化。另外，常規繼電保護模式，均是基于對電力模式結構假設，但在電網中不斷增加光伏設備中，導致對應供電系統架構出現明顯改變，同時短路電流分布也隨之調整，這會給機電保護與自動設備裝配與動作整定，造成較大的困難，容易發生動作錯誤的問題。而在光伏電站建設逐漸增多中，關于該方面的討論也日益深入。

圖2 10kV 接入并網

3.1 接入形式

根據光伏電站并網電壓情況，能劃分出小、中、大三個規模級別。其中，由380V 電壓值并網的光伏電站屬于小型范圍；10kV～35kV 的電壓值，為中型電站；超出66kV 電壓值，屬于大型電站。現如今，光伏電站并網通常是利用中低壓端進入，我國配電網下，基本是110kV 的變電站進行并網，而且是由10kV 或是35kV 的母線處連接。比如，10kV接入的結構（見圖2），連接處是變電站的母線，每個并網點的裝機容量通常是在1MW～6MW 之間。另外，用戶內部電網和公用電網連接，根據公共連接處是母線還是T 接點，可得到不同的接入系統，該種并網模式，能夠滿足自發自用的形式，一個并網點的裝機容量通常在300kW～6MW。

3.2 電流保護

配電網輸電線路一般通過電流、電壓與距離，實現繼電保護。因為放射式結構屬于單方向流動，同時絕大部分的故障均為瞬時類，現實建設中，為簡化保護結構，會選擇電流速斷與過電流搭配的保護形式，同時配備三相重合閘。經過10kV 饋線并網的光伏電站出現運行異常后，并網后的電網的故障電流值與分布狀況均和未并網的結構有明顯不同。常規的電網保護形式，靈敏程度、速度與選擇性方面，均難以完全適應復雜的光伏電站并網運行。在連接的電站和電網實際容量達到一定程度后，會使原本繼電保護的運轉狀態被干擾。對于故障電流來說，光伏電源具有助增和分流的效果，保護裝置接觸到的電流，或大或小，這會導致保護范圍及敏感度持續變化。而可能出現的情況如下：

其一，在光伏電站并網對應饋線上游處有異常，會造成饋線保護出現無動作。根據圖3，假設光伏電站1 是T 接入并網，K3 有異常，QF2 保護會直接得到電站1 輸出的反向故障電流，即Id2。因為QF2 位置的保護沒有配置能夠識別電流方向的裝置，如果光伏電站1 的實際容量空間足夠大，則Id2 容易大于對應電流保護的整定標準，此時QF2 便會出現誤動作。通過QF3 的Id1 電流，來源于電網中的電源，和未并網狀態相同，實際動作不會被光伏電站干擾。

其二，相鄰線路出現故障，反向電流可能會造成接入系統中的饋線，做出誤動作。在圖3 所示的系統線路中，B 處增加光伏電站2。在相鄰饋線，即AE，有一點K4 有異常，在QF4 位置上的保護，會同時接收系統側電源以及2 個光伏電站的故障電源，該電流值超過未并網狀態下的電流，此時QF4 位置的保護敏感程度會加強。同時，QF3 位置的保護，會得到通過光伏電站1 輸送的反向電流，在兩個電站容量空間較大的情況下，反向電流容易超出速斷保護數值，引發QF2 或QF3 出現誤動作。

其三，光伏電站自身容量差異以及在不同位置出現故障，可能會使饋線部分保護效能下降或是拒動，同時也會有部分效能提高。還是按照圖3 來看，K2 點有故障，根據選擇性的規律，應當是QF2 實施保護動作。K2 故障電流來自于系統側電源與光伏電站1，超過并網前的電流值，并且QF2 只通過系統側電源得到電流，加之光伏電站1 會對其產生分流的效果，導致通過QF2 的電流不多，降低其保護敏感度，倘若光伏電站1 實際容量極大，可能直接發生拒動的問題。假設K1 有異常，QF1 可同時得到系統側電源及光伏電站1 輸出的電流，鑒于電站會起到助增的作用，會讓QF1的靈敏度提高。

其四，并網之后，部分配電網的電力保護區域可能發生變化。根據繼電保護選擇性特征，沒有連接光伏電源的情況下，如果K2 有異常，應當是QF2負責斷開故障，倘若其處于拒動狀態，則需由QF3負責。如果配電網中僅有光伏電站2，發K2 故障后，通過QF2 的電流數值與光伏電站2 呈正相關，但QF3 會由于電站分流，使得經過電流值不會達到未并網情況下的狀態。和未并網相較，K2 故障下，QF2 通過電流增大，QF3 則下降，此時QF2 對應的保護范圍更大。

其五，只在母線A 處連接光伏電站3，通過A 引出的所有饋線出現故障，光伏電站3 實際存在的意義均是擴大系統容量，這能提高短路電流，增強繼電保護靈敏度。其六，在光伏電站實際容量不斷擴大中，容易使繼電保護的選擇性逐漸失效。假設只在B 處連接光伏電站2，在CD 段的K1 有故障，正常是QF1 實施保護。但如果容量達到一定程度，QF2實施保護的區域可能會擴大至CD 段。此時，倘若CD 出口有異常，QF1 與QF2 繼電裝置均能有故障電流通過，而且等于或是大于設置的整定值，二者均會有所動作，此時不涉及到選擇性的問題。

3.3 自動重合閘

自動重合閘是在故障引發跳開后，斷路裝置要根據現實需求直接投入的自動化設備。合理裝配該裝置，提升線路輸電的穩定性，減少停電損失，并使線路輸送容量擴大。光伏電站并網后，如果由于故障發生跳閘，會產生電力孤島，其雖然可以維持電壓及功率處于額定數值左右的狀態運轉，但不利于保障重合閘的穩定。

一方面，非同期的合閘。配電網出現孤島時，從斷路裝置斷開到重合閘動作的整個過程中，系統電源和光伏的電壓相位角不同，在相位角處于一定值后，會引發非同期的現象，由此產生極強的電壓及電流。受到沖擊電力的影響下，保護裝置容易誤動，導致重合閘不具備復原瞬時故障點的功能。另外，沖擊電流也容易對相連的主電網及沒有解列的并網下各類裝置帶來威脅。光伏電站并網后，在其和系統連接線處有異常，導致QF2 跳開，倘若在光伏電站中規定沒有任何保護動作，而電站依舊和電網連接，在重合閘發生動作后，QF2 合上容易引起非同期合閘，這樣會到出現二次跳閘，損壞電力系統中以及光伏電站的設備。另一方面，故障位置的電弧重燃。在配電網沒有系統供電時，沒有解列的光伏電站會進行供電。通過重合閘中，光伏電站輸送的電流，導致電弧不容易熄滅，形成連續電弧，使瞬時故障發展成永久故障。

3.4 備用電源自投

一般備用電源自投設備的啟動條件是母線電壓下降、進線沒有電流。在雙電源的系統中，連接備自投變電站，倘若主線路由于故障發生跳閘，光伏電站出現的孤島效應，讓母線依舊有電壓通過，造成備自投設備未達到母線沒有電壓的設定情況，出現不動作及動作延遲的情況，讓備用線路開始工作，這會使對應區域負荷出現長時間無電壓的情況，甚至引發非同期合閘。

圖3 饋線保護的誤動作

4 結語

在并網數量不斷增加中，裝機容量隨之擴大，對配電網既有的繼電保護有影響。為此，電力公司應當全面仔細地研究并網后，繼電保護的變化，從而制定更加穩妥、可靠的措施方案，優化光伏發現的效果，確保電站并網的品質，為我國電力項目的平穩發展予以技術保障。