并网型光伏电站工作原理及其一二次设备配置原则

赵 杰，王 硕，杨玉周，武 剑，宋 静，于赞梅

（1.国网石家庄供电公司，河北 石家庄 050000；2.河北省送变电公司，河北 石家庄 050000）

并网型光伏电站工作原理及其一二次设备配置原则

赵 杰1，王 硕1，杨玉周2，武 剑1，宋 静1，于赞梅1

（1.国网石家庄供电公司，河北 石家庄 050000；2.河北省送变电公司，河北 石家庄 050000）

世界光伏产业和市场在严峻的能源形势和人类生态环境形势的压力下，进入到了快速发展时期，并网光伏电站逐年增加。以光伏发电并网系统为研究对象，对其工作原理进行了详细介绍和分析，并结合《地区电源并网工程继电保护及安全自动装置配置规范》要求对石家庄地区35 kV并网型光伏电站一二次设备配置情况进行了说明，以其为今后大规模光伏并网发电提供参考依据。

光伏发电；并网系统；保护；规范

分布式电源对优化能源结构、推动节能减排、实现经济可持续发展具有重要意义。国家电网公司认真贯彻落实国家能源发展战略，积极支持分布式电源快速发展，依据《中华人民共和国电力法》、《中华人民共和国可再生能源法》等法律法规以及有关规程规定，按照优化并网流程、简化并网手续、提高服务效率的原则，积极为分布式电源项目接入电网提供便利条件，为接入系统工程建设开辟绿色通道。与此同时，国网河北省电力公司制定了《地区电源并网工程继电保护及安全自动装置配置规范》技术标准，用于规范河北南部电网分布式电源并网工程中继电保护及安全自动装置配置［1］。

截止到2014年12月底，石家庄地区共有3座光伏电站并网发电，其中通过35 kV专线并网2座，10 kV专线并网1座。总容量为61.6 MW。这些光伏电站为石家庄地区首批投运的并网型光伏电站，具有十分重要的研究价值和实用意义。这些光伏电站的顺利投运为石家庄供电公司相关部门提供了近距离接触、了解、学习光伏发电的机会，为优化光伏发电对配电网继电保护、配网规划、负荷预测［2］、电能质量分析、并网项目审批流程等方面的问题提供了真实可靠的数据基础和难得的实践机会，同时对石家庄调控中心如何实现光伏电源并网发电的优化调度提出了新的问题和考验［3］。

1 光伏并网发电原理

光伏发电是一种能将太阳能转化为电能的新型清洁能源发电模式，具有绿色、环保、可再生；储量巨大、无枯竭；安全、可靠、无污染；资源分布广泛、普遍等优点。同时，光伏发电具有削峰填谷的正特性，对解决石家庄地区谷峰差大，大负荷期间电网调度裕度不足的问题具有重要意义［4-6］。

图1为光伏并网发电系统示意图，主要包括：光伏电源、直流电容、逆变器、熔断器、滤波器、升压变压器、模拟无穷大系统以及实现光伏电源最大功率跟踪、并网功率控制等环节［7-8］。

图1 光伏并网发电系统示意图

光伏电源是一种非线性直流电源，其输出功率能力主要受光照强度和环境温度影响。按图1，通过MATLAB／SIMULINK仿真软件搭建光伏并网发电模型，对光伏发电的特性进行仿真研究［5］。

由图2可知，在相同温度下，光照强度越强，光伏电源输出电流越大、输出功率也越大，具有正特性。

图2 温度相同日照强度不同的仿真曲线（a）——P-U曲线；（b）——I-U曲线

由图3可知，在相同光照强度下，温度越大，输出功率越小，具有负温度特性。

图3 光照强度相同温度不同的仿真曲线（a）——P-U曲线；（b）——I-U曲线

总体而言，光照强度对光伏发电的影响较温度要大得多。光伏发电最适宜的环境为光照强度大、环境温度低的天气。

由图4可知，当温度一定时，光照强度由1 000 W／m2下降到800 W／m2时，并网侧A相并网电流能快速、平稳跟踪电网A相电压的变化。

图4 并网侧的A相电流和电压（功率因数＝1）

2 并网型光伏发电一次系统结构

以某35 kV光伏电站为例，其一次接线示意图如图5所示。该电站经110 kV站主变中压侧母线直接与系统相连，该光伏电站容量为30 MW，站内为35 kV单母接线方式，35 kV并网线1条，2回光伏进线，站变兼接地变1台，SVG型无功补偿装置及其升压变1台。多晶硅电池组件98 120块（峰值功率：245 Wp，峰值电压：30.8 V，峰值电流：7.96 A），1MW集装箱式逆变房（包含2台集中式逆变器，每台输出功率0.5 MW，输入直流电压450～820 V，输出交流电压315 V，最大输入直流电流1 200A），组串式逆变器335台（每台输出功率28 kW），箱式变压器S11-1100／35（14台），S11-500／35（2台），S11-800／35（1台），S11-1250／35（6台）。

光伏电站接线方式主要有：集中式逆变器光伏阵列和组串式逆变器光伏阵列。

2.1 集中式逆变器光伏阵列设计

经对光伏组件进行串、并联设计，最终确定为22块多晶硅光伏组件组成1串，12或16路光伏组串经光伏专用直流电缆（PV1-F-0.9／1.8-1×4 mm2）接入1台光伏防雷汇流箱，其系统图如图6所示。7～9台光伏防雷汇流箱经直流电缆（ZRCYJV23-0.6／1-2×50／70 mm2）接入1台直流防雷配电柜（共2台直流防雷配电柜），每台直流防雷配电柜接入1台0.5 MW光伏逆变器（1台1 MW集装箱式逆变房由2台0.5 MW光伏逆变器组成），每台集装箱式逆变房通过交流电缆（3×（ZRCYJV23-0.6／1 kV-3×240））接入1台1 100 kVA升压变压器（SF11-1100／35，38.5±2×2.5%／0.315 kV，Y-d11-d11，Uk%＝6.5%），部分参数由表1所示。

2.2 组串式逆变器光伏阵列设计

经对光伏组件进行串、并联设计，最终确定为22块多晶硅光伏组件组成1串，3～5路光伏组串经光伏专用直流电缆（PV1-F-0.9／1.8-1×4mm2）接入1台串式逆变器，6～7台组串式逆变器经交流电缆（3×（ZRC-YJV23-0.6／1 kV-3×16或25））接入1台交流汇流箱，然后经交流电缆（3×（ZRC-YJV23-0.6／1 kV-3×150或185））引至升压变压器（S11-1250（800／500）／35，38.5±2×2.5%／0.315 kV，Yd11，Uk%＝6%，接入交流汇流箱的台数由升压变容量决定），部分参数由表2所示。

图5 光伏电站一次接线示意图

表1 集中式逆变器光伏阵列设计参数

表2 组串式逆变器光伏阵列设计参数

图6 光伏汇流箱系统图

3 并网型光伏发电保护配置原则

根据《地区电源并网工程继电保护及安全自动装置配置规范》要求，为了实现该光伏电站的投运，需要对该光伏电站直接接入的110 kV站相关保护及安全自动装置进行完善和升级。主要工作有：在原有110 kV、35 kV备自投装置中增加跳开工作电源断路器的同时，联跳经失压母线并网的并网断路器功能；在原有1号、2号主变间隙保护中增加一时限跳并网线断路器的功能；增加故障解列装置1台，具备低频、低压、高频、过压、失步解列功能。装置动作时跳开机组；增加故障录波器1台，记录故障时变电站各侧母线电压，110 kV进线间隔、主变间隔、并网线路的交流量和开关量，相应设备的保护装置、各侧备自投装置、故障解列装置的开关量等信息，为故障分析提供可靠数据。35 kV直接并网线两侧应配置光纤纵联差动保护为主保护，方向过流保护为后备保护的成套线路保护装置。保护动作时，作用于并网线两侧断路器。110 kV站与并网线相关的保护配置如表3所示。

表3 110 kV站保护配置表

35 kV光伏站内配置35 kV母差保护1套；站内进线开关保护3套三段式过流保护；主变保护（接地变、SVG升压变、光伏电压升压变）、逆变器保护具备过流、过压、欠压、过频、低频、孤岛检测等功能；增加故障录波器1台，记录光伏电站母线电压，主变间隔、SVG间隔、进线间隔、并网线路的交流量和开关量等。同时配置电能质量检测装置，实时检测记录电能质量。35 kV光伏电站保护配置如表4所示。

表4 35 kV光伏电站保护配置表

4 结束语

光伏发电对节能减排、优化能源结构具有重要的意义。本文首先对光伏并网发电系统进行建模仿真，以此为基础分析光伏发电的工作原理、工作特点；其次本文依据《地区电源并网工程继电保护及安全自动装置配置规范》，结合某在运的35 kV光伏电站，对并网型光伏电站一二次系统配置进行了深入分析和探讨，以便为电力工作者提供更加直观、简练的光伏发电及相关情况参考。

［1］ 地区电源并网工程继电保护及安全自动装置配置规范［Z］.国网河北省电力公司，2013.

［2］ 张艳霞，赵 杰.基于反馈型神经网络的光伏系统发电功率预测［J］.电力系统保护与控制，2011，39（15）：96-101.

［3］ 赵 杰，张艳霞，宣文博，等.分布式电源中逆变器的故障特征和保护方案研究［J］.电力系统自动化，2012，36（1）：51-54.

［4］ 赵 杰，王 硕，李吉昌，等.基于多种分布式电源的微电网控制策略与仿真［J］.中国电力，2013，46（6）：95-100.

［5］ 赵 璐，张立颖，李天立，等.光伏并网发电系统逆变器的研究［J］.东北电力技术，2014，35（12）：20-23.

［6］ 张燕妮.浅谈光伏发电的方案设计［J］.东北电力技术，2014，35（2）：34-26.

［7］ 孟 懿.太阳能光伏发电的发展［J］.东北电力技术，2010，31（11）：19-21.

［8］ 张艳霞，赵 杰，邓中原.太阳能光伏发电并网系统的建模和仿真［J］.高电压技术，2010，36（12）：3 097-3 102.

Working Principle of the Grid⁃connected Photovoltaic Power Station and Primary and Secondary Device Configuration Principles

ZHAO Jie1，WANG Shuo1，YANG Yu⁃zhou2，WU Jian1，SONG Jing1，YU Zan⁃mei1
（1.State Grid Shijiazhuang Power Supply Corporation，Shijiazhuang，Hebei 050000，China；2.Hebei Transmission and Distribution Company，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

The world photovoltaic（PV）industry and market entered a period of fast development under the pressure of severe energy and human ecology environment situation.The grid⁃connected PV stations increase every year.In this paper，grid⁃connected PV power generation system is taken as the research object，the working principle is introduced and analyzed，and combined with the configura⁃tion rules of engineering relay protection and safety automatic device in the power grid to illustrate the primary and second equipment configuration of 35 kV grid⁃connected PV power station in Shijiazhuang area，which can provide reference basis for future large⁃scale PV grid power generation.

PV power；Grid⁃connected system；Protection；Specification

TM615

A

1004-7913（2015）06-0027-04

赵 杰（1983—），男，博士，研究方向为电力系统继电保护和新能源。

2015-03-30）