分布式光伏電站并網(wǎng)對配電網(wǎng)繼電保護的影響

國家電力投資集團有限公司浙江分公司 黃峰

1 引言

節(jié)能環(huán)保理念在現(xiàn)代社會的發(fā)展背景下得到了積極的貫徹和落實。光伏發(fā)電以太陽能資源的開發(fā)利用為主要原理，能夠有效緩解當(dāng)前電力資源的生產(chǎn)和配電網(wǎng)的運行壓力，提高電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。光伏電站并網(wǎng)之后，配電網(wǎng)原有的系統(tǒng)運行方式也發(fā)生了改變。在市場用電需求越來越大的情況下，發(fā)揮光伏發(fā)電的作用，需要加強對光伏發(fā)電情況下的配電網(wǎng)繼電保護重視程度。

2 分布式光伏發(fā)電概述

分布式光伏發(fā)電主要是指在光伏發(fā)電原理的基礎(chǔ)上，以光伏組件為主要工具，以就近發(fā)電為主要原則，在太陽能充足的用戶附近區(qū)域直接利用太陽能進行發(fā)電。這種發(fā)電方式能夠有效避免因電網(wǎng)的長距離運輸而導(dǎo)致的電力損耗問題，是以光伏發(fā)電為基礎(chǔ)的一種能夠綜合利用能源的有效方式，在現(xiàn)代社會的發(fā)展中有著廣闊的發(fā)展空間[1]。現(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，以城市建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電項目為主，通常需要接入公共電網(wǎng)才能夠發(fā)揮基本的供電功能。

3 分布式光伏電站并網(wǎng)接入方式

光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入方式，主要受到電網(wǎng)條件和電壓等級的影響，原理以專線接入和T 接方式為主，在與配電網(wǎng)系統(tǒng)連接之后，逐漸形成接入和自發(fā)自用余量上網(wǎng)模式兩種主要的并網(wǎng)接入方式[2]。在統(tǒng)購統(tǒng)銷的接入系統(tǒng)中，對于并網(wǎng)點開關(guān)位置的選擇，一般需要在配電網(wǎng)10kV 母線之上，再將開關(guān)位置接入光伏電站的輸出電纜。而在自發(fā)自用余量上網(wǎng)模式中，通常可以采取直接在用戶的10kV母線上拼接開關(guān)柜的方式，并將并網(wǎng)點的容量控制在配電網(wǎng)電壓器容量的25%左右。

4 分布式光伏電站并網(wǎng)保護裝置

在并網(wǎng)運行模式下，分布式光伏電站的保護裝置一般由光伏列陣、逆變器、并網(wǎng)電抗器、控制器、信號采集模塊以及斷路器組成。保護裝置在實際的應(yīng)用中，需要以控制系統(tǒng)運行為主要原理，通過對光伏發(fā)電整個過程的實時監(jiān)控，依據(jù)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)算法，對獲得的實時監(jiān)測信號進行快速計算，以便能夠技術(shù)性功率電路輸出控制信號[3]。保護裝置的運行效果主要會受到處理器芯片和控制方式的選擇、電流信號的計算結(jié)果以及信號邏輯組合結(jié)果的影響。在實際運行中，逆變器是能夠?qū)⒐夥姵刂械闹绷麟娔苻D(zhuǎn)化為交流電能，并將其輸送給電網(wǎng)的重要裝置，能夠發(fā)揮靜止無功補償?shù)墓δ堋?/p>

5 并網(wǎng)斷路器保護

并網(wǎng)運行的方式對于減少整個配電網(wǎng)運行中的電能損耗和降低能源成本具有重要的作用。在分布式光伏電站并網(wǎng)后，配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單電源輻射型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喽穗娫吹墓╇娤到y(tǒng)。在這個系統(tǒng)運行的過程中，電流分布和電壓都發(fā)生了明顯的變化。為了能夠保障分布式光伏電站并網(wǎng)后配電網(wǎng)的運行安全，通常需要應(yīng)用斷路器[4]。而考慮斷路器在實際應(yīng)用中容易出現(xiàn)的失靈情況，需要加強對斷路器的保護。對于并網(wǎng)情況下的斷路器保護，需要能夠在斷路器跳閘失敗的情況下，通過啟動其他斷路器跳閘的方式將系統(tǒng)故障及時切除，將因故障導(dǎo)致的停電或電路故障范圍控制到較小，以此保障電網(wǎng)的安全運行。

6 分布式光伏電站并網(wǎng)對配電網(wǎng)繼電保護的影響

6.1 影響配電網(wǎng)的三段式電流保護

分布式光伏電站在并網(wǎng)之后，對配電網(wǎng)的繼電保護產(chǎn)生一定的影響，其最主要的原因是影響了傳統(tǒng)的三段式電流保護效果。一方面，并網(wǎng)后配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了較為明顯的變化，如果電力系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)故障問題，不僅原有系統(tǒng)會給故障點輸送短路電流，光伏電站同樣會向故障點輸送電流。但電力系統(tǒng)運行中的繼電保護裝置只能對原有系統(tǒng)的電流進行感知和檢測，降低配電網(wǎng)繼電裝置的敏感度。另一方面，在分布式光伏電站并網(wǎng)后，故障點在電網(wǎng)運行中受到的短路電流會受到光伏電站的影響而在短時間內(nèi)大幅度增加。基于故障點本身的絕緣效果，在電流突然增大的情況下，流經(jīng)故障點的短路電流會分流到其他線路當(dāng)中，對電力線路保護結(jié)果的準確性產(chǎn)生影響。

6.2 影響配電網(wǎng)繼電的自動重合閘

在配電網(wǎng)原有的單側(cè)電源連接模式下，系統(tǒng)會在檢測到故障信息后，自動切斷故障點的供電，減少故障點對整個線路運行的影響。在并網(wǎng)后，如果沒有及時將光伏電站內(nèi)的故障點與整個配電系統(tǒng)分隔開，光伏電站就會向故障點輸送短路電流，這些短路電流會導(dǎo)致電弧重燃的發(fā)生，最終導(dǎo)致重合失敗，不僅影響故障問題的處理效率，還會對配電網(wǎng)的運行安全產(chǎn)生較為明顯的影響。

6.3 影響配電網(wǎng)的熔斷器保護

熔斷器是一種能夠保障配電網(wǎng)運行安全的裝置，在并網(wǎng)后，熔斷器原本的保護動作會因為電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)的變化而受到限制。如果在發(fā)生故障問題并受到并網(wǎng)后整個電網(wǎng)路線結(jié)構(gòu)改變的影響，熔斷器的保護動作沒有及時啟動，切斷電路，就會很容易影響到整個電力系統(tǒng)的運行安全和穩(wěn)定性。

6.4 縮小配電網(wǎng)繼電保護的保護范圍

在電網(wǎng)系統(tǒng)的運行中，距離保護也是一種能夠保障線路運行安全的有效方式，相比于其他的保護方式，距離保護具有更明顯的方向性特征。在配電網(wǎng)的重要線路運行保護中具有廣泛的應(yīng)用，在光伏電站并網(wǎng)后，由于應(yīng)用距離保護的光伏電站上游增加了一個分支，距離保護的二、三段范圍就會縮小，進而影響到配電網(wǎng)繼電保護的實際效果。

6.5 降低配電網(wǎng)繼電保護的保護靈敏度

當(dāng)配電網(wǎng)運行過程中的某一位置發(fā)生短路故障并且在電流互感器受到故障電流影響而呈現(xiàn)出飽和狀態(tài)的情況下，位于分布式光伏電站下游部分的電流值會逐漸增大，而流經(jīng)分布式光伏電站上游部分的電流值減小，光伏電站的繼電保護裝置僅能夠感知原有系統(tǒng)的電流，因而會在并網(wǎng)后降低各種設(shè)備的靈敏度，對整個系統(tǒng)的運行情況產(chǎn)生嚴重的影響。

6.6 影響配電站母線自切保護

繼電母線的自切裝置能夠在配電網(wǎng)發(fā)生故障后及時切斷母線與光伏電站之間的連接，從而達到維護配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的目的。在光伏電站并網(wǎng)之后，繼電母線很容易受到配電網(wǎng)系統(tǒng)的進線端斷路故障的影響，盡管在這一故障問題下，光伏電站仍能夠正常地運行，但光伏電站與二段母線之間的連接很容易發(fā)生脫離，受到并網(wǎng)的影響，光伏電站與二段母線的其余負載會形成電力孤島。在電力孤島的影響下，配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓等級和頻率會發(fā)生一定的變化，而繼電母線難以在這個過程中進行正確的動作，不僅會增加電力孤島的效應(yīng)，還會影響配電網(wǎng)的安全運行。

7 降低分布式光伏電站并網(wǎng)對配電網(wǎng)繼電保護影響的方法

7.1 采用半導(dǎo)體材料

盡管從原理上來看，光伏發(fā)電具有安全無污染、可應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用這種發(fā)電方法的過程中，太陽光的存在與否會直接影響光伏發(fā)電方式應(yīng)用的穩(wěn)定性。夜間、陰天、雨雪天氣等情況也會對光伏發(fā)電產(chǎn)生一定的限制。同時，光伏發(fā)電還容易受到大氣環(huán)境污染的影響。在空氣中污染物較多的情況下，空氣可見度也會影響到光伏發(fā)電的實際效果。盡管光伏發(fā)電站的建設(shè)無須消耗過多的隔離原料，但對于太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率與其他傳統(tǒng)發(fā)電方式相比并不明顯。在收集太陽能并轉(zhuǎn)化的過程中，半導(dǎo)體材料主要負責(zé)與太陽能直接接觸，是實現(xiàn)生伏特效應(yīng)的重要工具。為保障光伏發(fā)電的效果，降低分布式光伏發(fā)電站對配電網(wǎng)繼電保護的影響，需要在建設(shè)中應(yīng)用半導(dǎo)體材料。晶體硅是目前較為常見的半導(dǎo)體材料，讓半導(dǎo)體材料與太陽光直接接觸，提高太陽光轉(zhuǎn)化為電能的效率。

7.2 加裝安全自動裝置

加裝安全自動裝置能夠在以光伏發(fā)電為主的配電網(wǎng)運行中，及時切除故障點位置與整個配電網(wǎng)的聯(lián)系，減少對配電網(wǎng)正常運行造成的影響。在分布式光伏發(fā)電的原理下，由于不同光伏發(fā)電站附近的電網(wǎng)架構(gòu)形式不同，光伏電站選擇的并網(wǎng)方式也存在一定的差異。想要在配電網(wǎng)的運行中加裝安全自動裝置，需要結(jié)合不同的并網(wǎng)方式選擇適宜的安全自動裝置類型。在確定好用于加裝的安全自動裝置之后，還需要注意以下方面：在加裝安全自動裝置后，如果遇到緊急情況，安全自動裝置需要能夠及時將光伏電站與配電網(wǎng)系統(tǒng)之間的聯(lián)系切除，以保留原有系統(tǒng)的方式保障整個電力系統(tǒng)的安全運行。同時，還可以通過構(gòu)建二次系統(tǒng)防線的方式，為并網(wǎng)情況下電力系統(tǒng)的運行情況提供保障，減少故障問題對配電網(wǎng)正常運行產(chǎn)生的影響。

7.3 選用局部式光纖差動保護

光纖差動保護主要是一種借助線路光纖通道對電路運行中的電流數(shù)據(jù)進行采樣，以計算差動電流的方法得到與電流差動保護相關(guān)的制動特性方程，由方程對發(fā)生故障的原因和保護裝置失效的原因進行判斷，從而加強對配電網(wǎng)運行情況的保護。在分布式光伏電站并網(wǎng)后，配電網(wǎng)運行中原本的普通微機保護效果會產(chǎn)生一定的影響。以局部式光線差動保護的方式，中單對發(fā)生故障問題的區(qū)域電流情況進行采集和處理，能夠避免光伏發(fā)電方式在配電網(wǎng)運行中受到的陽光因素的限制，也無須考慮保護裝置靈敏度對于配電網(wǎng)運行的影響，進而保證配電網(wǎng)繼電保護安全穩(wěn)定運行的目的。但考慮這種方式的實際應(yīng)用成本過高，因而仍需要對光纖差動保護的方法進行優(yōu)化調(diào)整。

7.4 加強并網(wǎng)檢測和運行評估

安全檢測對于保障配電網(wǎng)的安全運行具有重要的作用，基于光伏電站并網(wǎng)后對配電網(wǎng)繼電保護產(chǎn)生的影響，還需要依靠加強并網(wǎng)檢測和運行評估的方式，及時發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)運行中可能存在的各種安全隱患和問題，減少各種故障問題的發(fā)生概率，從而有效降低光伏電站電流輸送對配電網(wǎng)整體造成的影響。在光伏電站并網(wǎng)后，電力企業(yè)自身需要在配電網(wǎng)的運行中重視安全檢測工作，提高對以往配電網(wǎng)運行中一些容易出現(xiàn)故障問題區(qū)域的檢測力度，重點開展配電網(wǎng)運行中的低電壓穿越、電網(wǎng)適應(yīng)性、SVC 性能以及電能質(zhì)量等方面的檢測工作。在光伏電站建設(shè)和與配電網(wǎng)的接入完成后，還需要做好設(shè)備的驗收和評估工作，以光功率預(yù)測的方式來判斷系統(tǒng)建設(shè)和預(yù)測的能力，并對并網(wǎng)后的配電網(wǎng)低電壓穿越能力進行評估和分析。為了能夠保證并網(wǎng)檢測和運行評估結(jié)果的準確性，還需要對現(xiàn)有的針對光伏電站并網(wǎng)的技術(shù)標準和規(guī)范進行完善，以光伏發(fā)電過程中體現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)、運行特點和抗干擾性能等來對技術(shù)標準和規(guī)范進行綜合的分析，在確定光伏電站并網(wǎng)的規(guī)模、接線結(jié)構(gòu)以及布設(shè)數(shù)量之后，設(shè)定電能質(zhì)量、無功配置等方面的具體標準，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的規(guī)范性，保障電網(wǎng)運行安全。

8 結(jié)語

應(yīng)用分布式光伏電站，需要以加強配電網(wǎng)的繼電保護為主要前提和基礎(chǔ)。針對分布式光伏電站并網(wǎng)后對配電網(wǎng)繼電保護產(chǎn)生的影響，可以采取半導(dǎo)體材料、安全自動裝置、局部式光纖差動保護、加強并網(wǎng)檢測和運行評估、電壓等級控制的措施，在分布式光伏發(fā)電下加強對配電網(wǎng)的繼電保護。