探究光伏电站并网对配电网继电保护的影响

梁君亮 董玉辉

（华电山东新能源有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

太阳能属于可再生能源，通过光伏发电的建设，有效将太阳能转化成电能，优化能源生产结构，符合当代电力行业可持续的理念。该类发电站通常是分布式格局，主要作用是补充配电网，其既可以降低完善电网的投资量，又可保障输电的稳定性。目前，随着光伏电站并网的增多，其对配电网所产生的影响也越来越大。

1 光伏电站

1.1 光伏电站优势

光伏电站是借助组件，把太阳能转化成电能得。这种发电方式的运用，使机组拥有更高的环境适应性，可布置于用电者周边的配电网中。通常来讲，光伏发电系统中有特殊材质的电池板、控制开关、蓄电池、电容适配装置及充电器等。其中在发电期间，充电器发挥最大功率点跟踪（MPPT）的作用，把由电池板形成的电能，传送至和电容适配装置连通的蓄电池上，自动调节电能电容。光伏电站的投入建设优势体现在：其可以和配电网及系能源网络之间，实施合理化调节，相互补给调度电能。这样能把用户负载整合起来，将冗余电能运输的相关数据保存至公用区域。以运行成本的角度来说，光伏电站建设规模没有过于严苛的标准，总体表灵活，但对所用配件的性能要求明确，所以，光伏发电的经济代价还是较大，应当继续优化及创新有关技术，促使此种发电模式逐渐“平民化”。

1.2 电站并网结构

常规配电网有树干状、放射状及环网状，相对简单的并网结构为放射状，在接线、保护定容及扩容等方面都有较好的表现。在该类配电网中，增加光伏电站。在整个结构中，可装配限过流的保护断路装置与自动重合闸的断路装置。在光伏并网中，由于单体光伏电池的电压不高，所以会构成电池组，使得能量逐渐增多。根据基础电路理论，能得出光伏电池的有关等效电路（见图1）。

2 配电网继电保护机理

2.1 电流保护

电网出现短路故障时，表现出的稳态特点为电流值提高、电压下降，同时相位与阻抗等均不同于往常。一方面，电流速断保护。该种保护形式的实际范围，会根据系统运转模式与短路情况确定。在系统处于最大运行状态时，该项保护覆盖的范围同样是最大的。如果是其他运行状态以及两相短路中，保护范畴相对缩小。电流速断保护突出特点是稳定、高效及简单，实际应用范围较大。但其也有不足，仅能对局部线路提供保护，容易被系统运行状态干扰，并且在运行方式突然出现明显改变时，还有可能无法形成保护区。另一方面，过电流保护。该类保护装置是根据设定的最大电流值，控制其开关状态。在此项保护模式下，电流整定中，仅有保护线路出现故障，才会启动。相应整定表达式如公式（1）所示。

式中：K 是可靠系数，取值通常在1.15～1.25；K是自启动系数，取值超过“1”，具体需要根据网络实际接线与负荷性质情况确定；K是返回系数，其与保护种类相关，取值通常是0.85；I 是最大的负荷电流；I是整定电流。

图1 光伏电池等电路图

2.2 自动重合闸

在电力系统中的大部分故障来源于输电线路，而架空线路通常会发生瞬时类的故障，比如闪络。当线路被继电保护切断后，电弧随即熄灭，对应位置绝缘性能恢复。这时将线路断路装置合上，便可以恢复供电。而对于永久类的故障，如断线与绝缘子被击穿等。此时即使线路被断开，故障问题不会消失，合上电源后，还是会迅速断开，无法正常输电。目前，在应用自动重合闸中，通常会有几项基础要求。一是优先考虑采取控制点和断路所处装置点位不对应的方式，启动重合闸操作，也就是在控制开关处于合闸状态，但断路装置是断开的，此时重合闸被启动，这不仅能避免在非正常动作时，出现无论何种原因导致跳闸后，均能实施一次重合。二是重合闸的动作频率，要满足设定标准。三是重合闸需可以合闸前后，加快继电保护的速度，确保与继电保护的协调性，及时解决掉故障。四是带有双侧电源的线路中，需注意两侧同步合闸。五是重合闸动作之后，通常可直接复位，以便下次动作。我国光伏电站通常和中低压系统连接，通常选择三相的一次重合闸。

2.3 备用电源自投

备用电源自投的出现是为进一步保障输电的稳定性而装配的自动设备。自投设备是在运转电源由于故障或其他问题失效，立即将备用电源及其他可用电源顶替，同时关闭运行电源对应自动装置。该类保护装置有效让自动装置和继电保护器整合起来，支持向用户提供持续性电源，并且成本投入不高。

3 光伏电站并网对继电保护的影响

常规电网中，通常是单电源放射式的框架，光伏电站并网后，放射型的无源网络，调整成包括中小规模电源在内的有源网络。该类变化让电网中的各项保护定值和机理随之出现明显变化。另外，常规继电保护模式，均是基于对电力模式结构假设，但在电网中不断增加光伏设备中，导致对应供电系统架构出现明显改变，同时短路电流分布也随之调整，这会给机电保护与自动设备装配与动作整定，造成较大的困难，容易发生动作错误的问题。而在光伏电站建设逐渐增多中，关于该方面的讨论也日益深入。

图2 10kV 接入并网

3.1 接入形式

根据光伏电站并网电压情况，能划分出小、中、大三个规模级别。其中，由380V 电压值并网的光伏电站属于小型范围；10kV～35kV 的电压值，为中型电站；超出66kV 电压值，属于大型电站。现如今，光伏电站并网通常是利用中低压端进入，我国配电网下，基本是110kV 的变电站进行并网，而且是由10kV 或是35kV 的母线处连接。比如，10kV接入的结构（见图2），连接处是变电站的母线，每个并网点的装机容量通常是在1MW～6MW 之间。另外，用户内部电网和公用电网连接，根据公共连接处是母线还是T 接点，可得到不同的接入系统，该种并网模式，能够满足自发自用的形式，一个并网点的装机容量通常在300kW～6MW。

3.2 电流保护

配电网输电线路一般通过电流、电压与距离，实现继电保护。因为放射式结构属于单方向流动，同时绝大部分的故障均为瞬时类，现实建设中，为简化保护结构，会选择电流速断与过电流搭配的保护形式，同时配备三相重合闸。经过10kV 馈线并网的光伏电站出现运行异常后，并网后的电网的故障电流值与分布状况均和未并网的结构有明显不同。常规的电网保护形式，灵敏程度、速度与选择性方面，均难以完全适应复杂的光伏电站并网运行。在连接的电站和电网实际容量达到一定程度后，会使原本继电保护的运转状态被干扰。对于故障电流来说，光伏电源具有助增和分流的效果，保护装置接触到的电流，或大或小，这会导致保护范围及敏感度持续变化。而可能出现的情况如下：

其一，在光伏电站并网对应馈线上游处有异常，会造成馈线保护出现无动作。根据图3，假设光伏电站1 是T 接入并网，K3 有异常，QF2 保护会直接得到电站1 输出的反向故障电流，即Id2。因为QF2 位置的保护没有配置能够识别电流方向的装置，如果光伏电站1 的实际容量空间足够大，则Id2 容易大于对应电流保护的整定标准，此时QF2 便会出现误动作。通过QF3 的Id1 电流，来源于电网中的电源，和未并网状态相同，实际动作不会被光伏电站干扰。

其二，相邻线路出现故障，反向电流可能会造成接入系统中的馈线，做出误动作。在图3 所示的系统线路中，B 处增加光伏电站2。在相邻馈线，即AE，有一点K4 有异常，在QF4 位置上的保护，会同时接收系统侧电源以及2 个光伏电站的故障电源，该电流值超过未并网状态下的电流，此时QF4 位置的保护敏感程度会加强。同时，QF3 位置的保护，会得到通过光伏电站1 输送的反向电流，在两个电站容量空间较大的情况下，反向电流容易超出速断保护数值，引发QF2 或QF3 出现误动作。

其三，光伏电站自身容量差异以及在不同位置出现故障，可能会使馈线部分保护效能下降或是拒动，同时也会有部分效能提高。还是按照图3 来看，K2 点有故障，根据选择性的规律，应当是QF2 实施保护动作。K2 故障电流来自于系统侧电源与光伏电站1，超过并网前的电流值，并且QF2 只通过系统侧电源得到电流，加之光伏电站1 会对其产生分流的效果，导致通过QF2 的电流不多，降低其保护敏感度，倘若光伏电站1 实际容量极大，可能直接发生拒动的问题。假设K1 有异常，QF1 可同时得到系统侧电源及光伏电站1 输出的电流，鉴于电站会起到助增的作用，会让QF1的灵敏度提高。

其四，并网之后，部分配电网的电力保护区域可能发生变化。根据继电保护选择性特征，没有连接光伏电源的情况下，如果K2 有异常，应当是QF2负责断开故障，倘若其处于拒动状态，则需由QF3负责。如果配电网中仅有光伏电站2，发K2 故障后，通过QF2 的电流数值与光伏电站2 呈正相关，但QF3 会由于电站分流，使得经过电流值不会达到未并网情况下的状态。和未并网相较，K2 故障下，QF2 通过电流增大，QF3 则下降，此时QF2 对应的保护范围更大。

其五，只在母线A 处连接光伏电站3，通过A 引出的所有馈线出现故障，光伏电站3 实际存在的意义均是扩大系统容量，这能提高短路电流，增强继电保护灵敏度。其六，在光伏电站实际容量不断扩大中，容易使继电保护的选择性逐渐失效。假设只在B 处连接光伏电站2，在CD 段的K1 有故障，正常是QF1 实施保护。但如果容量达到一定程度，QF2实施保护的区域可能会扩大至CD 段。此时，倘若CD 出口有异常，QF1 与QF2 继电装置均能有故障电流通过，而且等于或是大于设置的整定值，二者均会有所动作，此时不涉及到选择性的问题。

3.3 自动重合闸

自动重合闸是在故障引发跳开后，断路装置要根据现实需求直接投入的自动化设备。合理装配该装置，提升线路输电的稳定性，减少停电损失，并使线路输送容量扩大。光伏电站并网后，如果由于故障发生跳闸，会产生电力孤岛，其虽然可以维持电压及功率处于额定数值左右的状态运转，但不利于保障重合闸的稳定。

一方面，非同期的合闸。配电网出现孤岛时，从断路装置断开到重合闸动作的整个过程中，系统电源和光伏的电压相位角不同，在相位角处于一定值后，会引发非同期的现象，由此产生极强的电压及电流。受到冲击电力的影响下，保护装置容易误动，导致重合闸不具备复原瞬时故障点的功能。另外，冲击电流也容易对相连的主电网及没有解列的并网下各类装置带来威胁。光伏电站并网后，在其和系统连接线处有异常，导致QF2 跳开，倘若在光伏电站中规定没有任何保护动作，而电站依旧和电网连接，在重合闸发生动作后，QF2 合上容易引起非同期合闸，这样会到出现二次跳闸，损坏电力系统中以及光伏电站的设备。另一方面，故障位置的电弧重燃。在配电网没有系统供电时，没有解列的光伏电站会进行供电。通过重合闸中，光伏电站输送的电流，导致电弧不容易熄灭，形成连续电弧，使瞬时故障发展成永久故障。

3.4 备用电源自投

一般备用电源自投设备的启动条件是母线电压下降、进线没有电流。在双电源的系统中，连接备自投变电站，倘若主线路由于故障发生跳闸，光伏电站出现的孤岛效应，让母线依旧有电压通过，造成备自投设备未达到母线没有电压的设定情况，出现不动作及动作延迟的情况，让备用线路开始工作，这会使对应区域负荷出现长时间无电压的情况，甚至引发非同期合闸。

图3 馈线保护的误动作

4 结语

在并网数量不断增加中，装机容量随之扩大，对配电网既有的继电保护有影响。为此，电力公司应当全面仔细地研究并网后，继电保护的变化，从而制定更加稳妥、可靠的措施方案，优化光伏发现的效果，确保电站并网的品质，为我国电力项目的平稳发展予以技术保障。