分布式光伏电站接入系统后的继电保护配置

2021-04-10董蓓蓓刘艳丽

内蒙古电力技术 2021年1期

熊飞，董蓓蓓，刘艳丽，翟剑

（国网西安供电公司，西安 710032）

0 引言

新能源因其环保、可持续的优势为未来人类社会可持续发展提供了新的路径。据国家能源发展规划，今后将重点推进新能源技术的开发与应用，提高能源的转化和利用效率，推动能源开发、消费方式转变。我国太阳能资源丰富，年日照时数大于2000 h的地区占总面积2/3以上[1]。发展光伏发电有利于优化能源结构、保护环境。

近年来，城市地区分布式光伏发电发展迅速。西安地区目前共有并网分布式光伏电站17座，装机容量达119.958 MW，占西安地区装机总容量的26.16%。分布式光伏电站的并网发电不仅在调度运行方面积累了大量经验[2-3]，而且为电网规划、继电保护配置、电能质量分析等方面提供了重要的数据资源。本文在分析分布式光伏接入对配电网继电保护影响的基础上，结合西安地区分布式光伏接入设计要求及运行经验，提出典型配置方案，为后期分布式光伏接入设计提供借鉴。

1 光伏发电系统构成

根据光伏电站装机规模、接入电压等级，国家电网公司将其分为小规模、中规模、大规模3 类。3种规模下的光伏发电系统的结构基本一致，均包含光伏组件、逆变器、变压器及附属设备、配电柜、计量表计、环境监控仪、数据采集与监控系统等，如图1所示。

图1 光伏发电系统结构示意图

2 分布式光伏电站对继电保护的影响

目前，西安地区10 kV 馈线保护均采用三段式电流保护。当分布式光伏电站接入配电网后，辐射状配电网络将变为多电源结构。单个小容量分布式光伏电站对短路电流影响较小，但是在配电网接入容量较大或数量较多的光伏电站时，故障状态下故障电流大小、方向会发生改变[4]。因此，分布式光伏电站的接入会对系统的安全性和可靠性造成一定影响。

（1）若分布式光伏电站接在保护R 上游（见图2），故障发生在保护的下游，由于光伏电站的出力，故障点电流增大，流过保护R的故障电流也增大，导致保护范围扩大，对于电流速断保护而言，保护范围将延伸至相邻下一级线路，从而失去选择性。若故障发生在保护的上游，则光伏电站的接入对故障电流没有影响。

（2）当分布式光伏电站接在保护下游，在接入分布式光伏电站后发生故障的情况如图3所示。故障发生在保护的下游，将产生逆流现象，若光伏电站提供的短路电流使得保护动作，保护将失去选择性；故障发生在两者之间，分布式电源对保护没有影响；故障发生在光伏电站下游，光伏电站的分流作用，使得流过保护R的故障电流减小，当分流足够大时，将导致保护的灵敏度和范围减小。

（3）重合闸可显著提高供电可靠性。配电网的80%～90%故障是瞬时性的，在辐射式配电网结构下，重合闸动作不会对系统造成冲击或破坏。当分布式光伏电站接入配电线路后，如果线路因故障跳闸，分布式光伏电站可能形成孤岛运行且不脱网，这将造成非同期重合闸或重合闸失败、故障点电弧重燃重合器及分断器、熔断器配合不协调[5]。

3 分布式光伏电站接入系统后的继电保护配置

不同的接入系统方式对保护配置的要求有所不同。本文针对西安地区常见的3 种典型10 kV 接入系统方式，提出相应的继电保护配置方案。

3.1 分布式光伏电站经专线接入配电网

光伏电站以一路专线接入变电站10 kV 母线，一次系统接线示意图如图4所示。

图4 光伏电站专线接入一次系统示意图

3.1.1 线路保护

为快速切除线路故障，光伏电站送出线路两侧配置光差保护作为主保护，阶段式过流保护为后备保护，过流保护均指向线路。如果送出线路为电缆线路，则线路重合闸退出运行；若线路为架空线路，则需在线路两侧装设电压互感器，以满足线路重合闸的需要。

3.1.2 防孤岛保护

孤岛是指电网因故中断供电时，分布式光伏电站与负荷形成的一个自供给电力系统。并网光伏逆变器形成持续孤岛运行的条件有2 个：逆变器系统与电网脱离；逆变器输出功率与本地负载匹配。

为了防止孤岛效应，减少对用户供电质量的影响，光伏电站接入时必须考虑防孤岛保护。一般情况下，光伏电站配置的逆变器本身需配置防孤岛保护，并要求在2 s内切除孤岛，发出警告信息。

为防止逆变器防孤岛保护失灵，采用以下措施增强保护：一是在专线两侧各配置一套故障解列装置；二是增加联跳功能，实现110 kV 线路保护联跳光伏进线开关。

3.1.3 主变压器保护

110 kV变电站主变压器一般为半绝缘设计，在主变压器低压侧增加光伏电源后，为保证主变压器绝缘水平，需完善主变压器中性点保护，以避免在发生单相接地时，主变压器中性点绝缘击穿，损坏变压器。若主变压器中性点已装设成套保护，则无需新增保护。

3.1.4 备自投装置

光伏电站接入变电站后，备自投装置动作时间须避开光伏电站防孤岛检测动作时间。

3.2 分布式光伏电站T形接入配电网

分布式光伏电站通过一回线路T形接入公共电网10 kV 线路。分布式光伏电站T形接入一次系统示意图如图5所示。

图5 分布式光伏电站T形接入一次系统示意图

在变电站10 kV馈线断路器处应配置三段式过流保护，同时在光伏电站侧也配置三段式过流保护，作为T形线路及光伏电站高压母线的后备保护。

对于架空线路，变电站侧应装设线路电压互感器，采用检无压方式重合。线路重合闸时间应避开光伏电站防孤岛检测动作时间。

光伏电站的逆变器应同时具备主动和被动防孤岛保护。为防止逆变器防孤岛保护失灵，在光伏电站侧加装故障解列装置。主变压器保护、备自投同专线接入方案。

3.3 分布式光伏电站接入配电室

分布式光伏电站以一回线路接入10 kV 配电室，其一次接入系统示意图见图6[6]，若图中2DL 为熔丝类设备，应更换为断路器。

图6 分布式光伏电站接入配电室接入示意图

为快速切除线路故障，开关站与变电站联络线（1DL 与6DL 之间）、光伏送出线路（2DL 与3DL 之间）两侧配置光差保护作为主保护，阶段式过流保护为后备保护，过流保护均指向线路。光伏送出线路应采用检无压重合方式，线路重合闸时间应避开光伏电站防孤岛检测动作时间及故障解列装置动作时间[7-11]。

光伏电站的逆变器应具备主动和被动防孤岛保护。为防止逆变器防孤岛保护失灵，开关站与变电站联络线光差动作时联跳2DL。同时可在2DL处增加故障解列装置。

主变压器保护配置同专线接入方案。

4 案例分析

西安地区某9.8 MW 分布式光伏发电项目在约12 万平方米的厂房建筑屋顶安装光伏组件。该项目拟采用265 W 多晶电池组件，装机容量共计9.841 04 MW，采用1000 kVA、1250 kVA两种变压器升压至10 kV 后送出。送出线路采用400 mm2电缆接入110 kV农场变电站，线路长1.5 km。