分析新能源并网对配电系统继电保护的影响

王可 含芳

摘 要：本文分析光伏电源接入配电网，分析光伏电源并网对配电系统继电保护的影响。在对实际应用情况分析的基础上，结合配电系统电源侧与光伏电源馈线上游的短路问题，发现电网继电保护装置可能受到影响。如果光伏电源所在的馈线下游出现短路问题，就会导致上游电流受到不同程度的影响。

关键词：新能源并网;配电系统;继电保护;影响

中图分类号：TM615.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0177-02

随着环境问题和能源问题的日益严重，新能源技术开始高速发展，光伏并网发电是新趋势。现在，我国光伏产业规模在不断扩大，光伏行业市场容量呈现不断的上升趋势。光伏系统并网成为太阳能资源利用的主要方向，但是光伏发电系统的输出功率受到很多外界环境的影响，对配电网会产生不良影响[1]。所以，在光伏发电系统应用中，应该合理的分析其对继电保护产生的影响。

1 光伏发电和继电保护

1.1 光伏发电的内涵

光伏发电是利用半导体材料将光转化为电能的过程，这种半导体材料具有光伏效应，这是一种在物理学、光化学和电化学中研究的现象。光伏发电系统采用太阳能电池板，每个太阳能电池板由多个太阳能电池组成，这些太阳能电池产生电力。光伏装置可以是地面安装、屋顶安装或壁装。这个底座可以固定，或者使用太阳能跟踪器来跟踪太阳穿过天空。太阳能光伏作为能源有其独特的优势，一旦安装，其运行不会产生污染和温室气体排放，在电力需求方面表现出简单的可扩展性，而硅在地壳中具有很大的可用性。光伏发电系统的主要缺点是，在阳光直射的情况下，功率输出工作得最好，因此如果不使用跟踪系统，大约会损失10-25%。大气中的灰尘、云层和其他障碍物也会降低功率输出。通常不符合人类活动周期需求高峰的易失性。除非当前的社会消费模式和电网适应这种情况，否则仍需储存电力以供日后使用或由其他电源组成。光伏发电系统长期以来一直被用于专门的应用领域，自20世纪90年代以来，独立和电网连接的光伏系统一直在使用中。2000年，德国环保人士和欧洲太阳能组织获得了政府对一万个屋顶项目的资金，这是第一批大规模生产的光伏系统。技术的进步和制造规模的增加无论如何都降低了成本，提高了可靠性，提高了光伏装置的效率、净计量和财政激励，如太阳能发电的优惠上网电价，在许多国家支持太阳能光伏装置。现在有100多个国家使用太阳能光伏，光伏发电是继水电和风力发电之后全球第三大可再生能源[2]。截至2016年底，全球光伏装机容量增加到300千兆瓦以上，约占全球电力需求的2%。中国是增长最快的市场，其次是日本和美国，而德国仍然是全球最大的生产国，太阳能光伏提供了每年国内电力需求的7%。利用当前的技术，光伏技术在南欧1.5年和北欧2.5年内回收了生产所需的能源。光伏技术最广为人知的是一种利用太阳能电池将太阳能转换成光电效应的电子流的发电方法。太阳能电池利用阳光产生直流电，可以为设备供电或为电池充电。光伏技术的第一个实际应用是为轨道卫星和其他航天器提供动力，但如今大多数光伏组件都用于并网发电。在这种情况下，需要一个逆变器将直流电转换为交流电。光伏发电采用由多个太阳能电池组成的太阳能电池板，其中包含光伏材料。铜太阳能电缆连接模块、阵列和子场。由于对可再生能源的需求不断增长，近年来太阳能电池和光伏阵列的制造业有了很大的发展。太陽能光伏发电长期以来被视为一种清洁能源技术，它利用了地球上最丰富、分布最广的可再生能源——太阳。电池需要保护，不受环境影响，通常被紧紧地包装在太阳能电池板中。光伏发电容量是以瓦特峰值为单位，在标准化测试条件下测量的最大功率输出根据地理位置、一天中的时间、天气条件和其他因素，特定时间点的实际功率输出可能小于或大于该标准化值或“额定”值。太阳能光伏阵列的容量系数通常低于25%，这比许多其他工业用电源都要低。

1.2 继电保护的内涵

在电气工程中，保护继电器是一种继电器装置，用于在检测到故障时使断路器跳闸。保护继电器是电磁装置，依靠运行在运动部件上的线圈来检测异常运行条件。基于微处理器的数字保护继电器现在可以模拟原始设备，并为机电继电器提供实用的保护和监控类型。机电继电器仅提供故障位置和来源的基本指示。在许多情况下，单个微处理器继电器提供的功能需要两个或多个机电设备。通过在一个案例中组合多个功能，数字继电器也比机电继电器节省了资金成本和维护成本。重要的输电线路和发电机都有专用于保护的隔间，有许多单独的机电设备，或一个或两个微处理器继电器。为了迅速采取行动保护电路和设备，通常需要保护继电器在几千分之一秒之内做出响应并使断路器跳闸。在某些情况下，维护或测试程序用于确定保护系统的性能和可用性。

2 光伏并网系统模型建立

2.1 光伏并网系统模型建立

光伏发电系统主要是由光伏阵列、最大功率点跟踪器和直流变换器等构成，光伏阵列由不同的光伏发电单元组件串联组成，可以将太阳能转化为电能。为了确保太阳能资源得到最大化的应用，控制光伏阵列应该确保在最大功率点的位置。直流变换器是在光伏电池序列输出发电过程中，使逆变器的直流满足电压的要求[3]。光伏发电系统的核心设备是逆变器，其可以将直流电转化成三相交流电，并且接入到电网中。控制器主要是对电网的电压进行跟踪，获得电流信息。

2.2 光伏系统并网对配电网继电保护影响理论分析

由于三相短路故障对配电网产生的影响非常大，在运行中常常会发生三相短路的情况。针对不同容量光伏电源接入中，其对配电网短路电流的影响非常大。

2.2.1 系统电源侧发生故障

在系统电源侧发生故障后，系统侧保护动作发生，会出现跳闸的情况。经过重合后，会出现非同期合闸的情况。为了有效的防止非同期合闸对电网产生很大的破坏，光伏电源要直接与电网分离，防止配电系统短路对电流产生的影响。

2.2.2 光伏电源所在馈线上游发生故障

系统的线路参数非常重要，光伏系统受到反孤岛保护，所以系统不会发生严重的短路。

3 光伏系统并网对配电网继电保护影响仿真分析

3.1 仿真模型的建立

在对配电网进行研究中，结合实际的参数分析，建立仿真模型。系统电压选取配电网的额定电压为10.5KV，系统最大运行方式的系统阻抗为0.09欧姆，配电网每条馈线上带有4MVA负荷。在对架空线路选择中，合理的分析其型号，每千米的电阻为0.223欧姆。配电网各个线路的首端都涉及三段式的电流保护装置，按照传统的方法，对电流保护定值进行计算。分别计算各个线路的最大短路电流与最大负荷电流，然后计算线路三段保护的动作电流。继电器的一次绕组由电力系统电流互感器通过一个插头桥供电，该桥被称为插头设置倍增器。通常七个等距抽头或工作频段决定继电器的灵敏度。一次绕组位于上电磁铁上。二次绕组与上电磁铁相连，上电磁铁由一次绕组供电并与下电磁铁相连。一旦上下电磁铁通电，它们就会产生涡流，涡流被感应到金属圆盘上，并流过磁通路径。涡流和磁通量之间的这种关系产生的转矩与初级绕组的输入电流成比例，这是由于两个磁通路径的相位相差90度。在过电流条件下，将达到一个电流值，克服主轴和制动磁铁上的控制弹簧压力，使金属盘朝固定触点旋转[4]。圆盘的初始移动也被切割到圆盘侧面的小槽阻挡在临界正电流值。转动触点所需的时间不仅取决于电流，还取决于主轴逆止位置，即时间倍增器，时间倍增器被分为10个全旋转时间的线性划分。

3.2 仿真验证

在光伏电源从母线接入到配电网系统后，出现三相短路的问题。

3.2.1 光伏电源所在馈线上游发生故障

配电网接入后，光伏电源的容量分别是0，1，2和3MW，在运行0.5秒后发生三相短路问题，故障持续了0.3秒。在不同容量下，光伏电源出现两次短路情况。当三相短路发生后，随着系统电流的增大，短路部分的电流减小，导致短路出出现拒动作。静态继电器没有或只有很少的运动部件，随着晶体管的引入而变得实用。静态继电器的测量元件由二极管、齐纳二极管、雪崩二极管、单结晶体管、p-n-p和n-p-n双极晶体管、场效应晶体管或它们的组合成功地和经济地构成。6个静态继电器比纯机电继电器具有更高的灵敏度，因为p操作输出触点的电源来自单独的电源，而不是来自信号电路。静态继电器消除或减少了接触反弹，可提供快速操作、长寿命和低维护。

3.2.2 光伏电源相邻饋线发生故障

配电网接入到光伏电源后，容量分别记为0，1，2和3，其在0.5秒时发生三相短路问题，故障持续时间为0.2秒。当系统发生三相短路问题后，随着电流的上升，短路处的电流先减小后增大。数字继电器可以在一个装置中模拟多个分立机电继电器的功能，简化保护设计和维护。每个数字继电器可以运行自检程序，以确认其准备就绪，并在检测到故障时发出警报。数字继电器还可以提供通信接口、触点输入监测、测量、波形分析和其他有用功能。数字继电器可以存储多组保护参数，允许在维护附属设备期间更改继电器的行为。数字继电器还可以提供机电继电器无法实现的保护策略，尤其是在远距离高压或多终端电路中，或在串联或并联补偿的线路中，它们还提供了自我测试和与监控系统通信的好处。

4 结语

在采用新能源并网中，要合理的采用继电保护，防止其对继电保护产生影响。当光伏电源所在馈线下游发生短路故障后，会产生继电保护拒动作，所以，要有效的防止馈线下游发生短路[5]。继电保护在新能源并网中发挥的作用非常大，促进电网的平稳运行，有效的降低短路问题的发生率，提升电网的运行效率，促进电力资源的高效供应。

参考文献

[1] 宋军.新能源并网对配电系统继电保护影响分析[J].科学技术创新，2018（31）：147-148.

[2] 薛风华，张文远，王小光，沈岳峰等.新能源并网对配电系统继电保护影响分析[J].电工电气，2017（09）：15-18+40.

[3] 鲍丽芳.光伏并网对吴忠配电系统继电保护及自动装置的影响研究[D].宁夏大学，2013.

[4] 刘海龙.分布式发电对配电系统继电保护的影响与对策研究[D].三峡大学，2012.

[5] 黄睿.利用方向信息的双向闭锁式微电网保护研究[D].重庆大学，2010.