并网光伏发电系统对配电网线路保护的影响

2016-08-09黄波

大科技 2016年21期

关键词：重合短路配电网

黄波

（中国能源建设集团湖南火电建设有限公司湖南长沙 410000）

并网光伏发电系统对配电网线路保护的影响

黄波

（中国能源建设集团湖南火电建设有限公司湖南长沙 410000）

基于节约环保的理念，光伏发电技术迅速发展起来，在电网电源中得到了广泛的应用，光伏接入配电网对于电网配电继电保护方面存在的影响不容忽视。本文针对并网光伏发电系统对于配电网线路保护的影响进行了探讨，以供参考。

光伏发电；配电网；线路保护；影响

1 引言

利用光伏发电方式，不仅利用的是可再生太阳光资源实现发电，还具有系统机动灵活、技术含量高等优势。光伏发电系统中多分布式光伏电源并网成为发展潮流时，并网配电网引起的继电保护问题也就越来越多，对配电网保护的影响也就越来越严重。

2 并网光伏发电的种类

2.1 单极式发电

所谓单极式并网光伏发电系统，其结构较为简单，所需要的元器件相对较少，且不需要储能组成，因而降低了建设成本，同时具有较高的转换效率。但该系统的母线直流电压是不可控的，因此需要采取母线电流保护措施；逆变器在控制并网的同时，还需要兼顾跟踪最大功率，对于控制器的控制性能要求也更高。双极式的并网光伏发电系统，通常是由光伏阵列、DC/DC转换器、DC/AC转换器、控制系统以及逆变器等几个部分组成的。系统采用DC/DC，来提升光伏阵列的输出直流电压，然后使用DC/AC逆变器将其转换成交流电，并直接接入电网。DC/DC能够实现对于光伏阵列最大功率的跟踪，而DC/AC部分则能够实现直流变交流，从而为当地负荷供电要求，将多余的电能输入电网。

2.2 双极式并网光伏

发电系统不需要将光伏阵列串联入高电压等级中，在进行两极转换的过程中，对于控制器的要求也不高。但是由于系统结构本身具有复杂性，元器件较多，系统需利用DC/DC、DC/AC两部分进行控制，因而导致能耗增加；而在双极式并网光伏发电系统中运用的DC/DC与DC/AC，第一部分进行光伏阵列输出电压、电流检测时，可通过调节输出电压，实现对最大功率点的跟踪。第二部分则能够将直流电逆转化为交流电，维持与电网电压频率、相序的一致性，功率数接近于1，从而提高输入电网的有功功率。

3 光伏发电系统的运行特性

3.1 光伏出力的随机波动性

太阳能的光照强度和天气条件对光伏发电的影响十分强烈。光伏的出力呈现一定的波动性。用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建30MW光伏电站仿真模型，当环境温度为25℃，光照强度为1kW/m2时。

3.2 光伏并网的故障电流、负荷电流特性

光伏发电出现短路时，以逆变技术作为主要的电流输出，而短路电流则取决于逆变器电流的饱和模块限值，因为逆变器等电力电子装置的热过载能力很低，为了保护元件不被损坏往往限制逆变器的输出电流，这就意味着逆变型并网的分布式电源在电网故障时对故障点短路电流的贡献不可能很大。并网运行的负荷电流远远大于光伏离网运行的负荷电流，并网运行时负荷电流主要由配电网提供，而光伏电源提供的负荷电流相对较小。

3.3 光伏发电系统涉网保护位置

并入电网光伏发电涉网的保护位置，一般有以下两种情况：①光伏系统直接连接电网低压母线，具体的接入方式如下：a.如果低压母线所带负荷较大，则本地负荷可由正常运行的PV与系统共同供电；b.若低压母线所带负荷小，则正常运行时PV向低压母线负荷和系统同时提供电能，减少低压母线所带负荷从系统的涉及容量来提PV。②光伏系统和并网系统一起对负荷供电，从高压母线侧接入经变压器。

4 并网光伏发电系统对配电网继电保护的影响

某工程的地下一层设置有地下车库及设备用房，配电房及门卫为一层公建，功能为配电房、柴油发电机房、门卫休息室及消防控制室兼值班室，配电房及门卫建筑面积为201.66m2。多晶硅太阳能光伏阵列安装于建筑屋顶上，系统采用200kW光伏并网逆变器需要配置太阳电池组件20串一个阵列，有40个这样的阵列并联，共计800块太阳电池组件，实际功率达到200kWp整。组件的尺寸为1650×990×50mm，重量约20kg，且以此规格组件20片一串，在设计时参考此组串来规划支撑结构（见图1）。

图1 多晶硅电池组件

在电力系统正常运行时，若突然出现配电网故障问题，需要立即切出光伏电网的配电系统，以防光伏电源影响电网短路电流与继电保护，达到保证继电保护装置正常运行的目的。

4.1 系统位置的影响

接入光伏发电系统时，接入的位置通常在上游或下游。上游即指的是光伏电源相所保护电动势的方向应当与节点保持相同；下游则是指光伏电源相对于所保护的电动势方向，应当与节点相反。如果光伏发电系统接入的是上游，则光伏电源会导致系统保护短路电流出现增大，且在越靠近故障点的地方，短路电流也就越大，因而能够增大保护范围。但这样会影响下一级的故障动作，甚至导致误动。而如果接入的是下游，则光伏电源的保护会产生相反的短路电流，而不影响光伏电源保护。

4.2 系统容量的影响

光伏发电系统的接入，往往会产生反方向的短路电流，该电流对于上一级的保护影响并不大，但对处于故障点和光伏电源之间的保护，则影响较大。该反向电流会流过保护，倘若光伏电源的容量充足，或故障点过于靠近保护，将导致保护出现误动作。由于接入电力系统的光伏发电系统其容量会不断增加，所产生的反向短路电流也会随之不断增加，进而扩大下游的保护范围，缩小上游保护范围，甚至导致保护系统失去应有的选择能力。

4.3 系统对电流保护和重合闸的影响

三相短路的故障一般最为严重（见图2），在系统最大运行方式下发生三相短路时的情况来定义并网系统的保护安全界限。当光伏系统发电电源与并网系统电源之间存在的联接线出现故障时，导致保护动作之后而在自动重合闸重合之前，与光伏电源保持联络，而光伏电源未能解列，因而会继续加大故障点故障电流，持续向故障点供电，最终导致电弧无法熄灭，且重合闸重合会导致故障点电弧阶跃重燃，使临时性的故障转变成永久性故障，造成巨大损失。

图2 三相光伏发电系统

4.4 系统对熔断器重合器及分段器的影响

广泛应用于配电系统、控制系统和用电设备中的熔断器是一种电流保护器，具有结构简单、成本低且操作便捷等优势。具备反时限特性的熔断器，如果通过的电流大则熔断时间较短，若电流小则熔断时间较长。通常采用的是能够在整定时间内进行动作检测故障的电流跳闸。

为预防事故的进一步扩大，一般讲第一、二次整定为快速分闸，能够被预先整定的重合器动作程序，其分闸动作迅速，可消除瞬时故障。而重合器后续动作往往存在时限，需要和分段器配合运作。分段器的开关设备处于失压、无电流状况下，仍然可以自动分闸，因而在配电网中适用于隔离线路区段。

5 光伏发电并网配电网保护对策

5.1 针对孤岛运行的保护方案概述

该系统的实际应用，可能会对原有的保护配合造成影响，甚至导致误动作。对于配电网继电保护与安全自动装置而言，现有的该系统涉网保护措施，主要针对的对象是发生故障的配电网，采取的处理措施有两方面：当并网配电网出现故障或发生孤岛运行状况时，将从电网解列，或者在做出相应保护动作之前，采取反孤岛保护光伏电源措施；而在保护动作之后退出电网。

5.2 保护对策的研究

以允许孤岛运行作为前提的保护对策，主要目的在于实现光伏发电系统涉网保护方案的实施。结合对于孤岛运行的分析所采取的保护方案，需要考虑到可能影响配电网保护方案与光伏发电系统涉网保护方案的相关因素，为确保保护措施的实际效果，可采用的保护方案包括：①依靠通信系统的保护方案；②基于微电网条件的保护方案；③以广域测量系统为基础的保护方案。

主要研究方向则包括：①以重合闸前加速、电流保护配合措施，作为基础保护方案；②改进以重合闸后的加速配合电流保护措施；③改进对于配置熔断器的保护方案；④改进重合器与电压的时间式分段器配合原则；⑤改善对反时限过电流保护；⑥改善基于纵联保护的方案。