并網光伏發電系統對配電網線路保護的影響

黃波

（中國能源建設集團湖南火電建設有限公司 湖南長沙 410000）

并網光伏發電系統對配電網線路保護的影響

黃波

（中國能源建設集團湖南火電建設有限公司 湖南長沙 410000）

基于節約環保的理念，光伏發電技術迅速發展起來，在電網電源中得到了廣泛的應用，光伏接入配電網對于電網配電繼電保護方面存在的影響不容忽視。本文針對并網光伏發電系統對于配電網線路保護的影響進行了探討，以供參考。

光伏發電；配電網；線路保護；影響

1 引言

利用光伏發電方式，不僅利用的是可再生太陽光資源實現發電，還具有系統機動靈活、技術含量高等優勢。光伏發電系統中多分布式光伏電源并網成為發展潮流時，并網配電網引起的繼電保護問題也就越來越多，對配電網保護的影響也就越來越嚴重。

2 并網光伏發電的種類

2.1 單極式發電

所謂單極式并網光伏發電系統，其結構較為簡單，所需要的元器件相對較少，且不需要儲能組成，因而降低了建設成本，同時具有較高的轉換效率。但該系統的母線直流電壓是不可控的，因此需要采取母線電流保護措施；逆變器在控制并網的同時，還需要兼顧跟蹤最大功率，對于控制器的控制性能要求也更高。雙極式的并網光伏發電系統，通常是由光伏陣列、DC/DC轉換器、DC/AC轉換器、控制系統以及逆變器等幾個部分組成的。系統采用DC/DC，來提升光伏陣列的輸出直流電壓，然后使用DC/AC逆變器將其轉換成交流電，并直接接入電網。DC/DC能夠實現對于光伏陣列最大功率的跟蹤，而DC/AC部分則能夠實現直流變交流，從而為當地負荷供電要求，將多余的電能輸入電網。

2.2 雙極式并網光伏

發電系統不需要將光伏陣列串聯入高電壓等級中，在進行兩極轉換的過程中，對于控制器的要求也不高。但是由于系統結構本身具有復雜性，元器件較多，系統需利用DC/DC、DC/AC兩部分進行控制，因而導致能耗增加；而在雙極式并網光伏發電系統中運用的DC/DC與DC/AC，第一部分進行光伏陣列輸出電壓、電流檢測時，可通過調節輸出電壓，實現對最大功率點的跟蹤。第二部分則能夠將直流電逆轉化為交流電，維持與電網電壓頻率、相序的一致性，功率數接近于1，從而提高輸入電網的有功功率。

3 光伏發電系統的運行特性

3.1 光伏出力的隨機波動性

太陽能的光照強度和天氣條件對光伏發電的影響十分強烈。光伏的出力呈現一定的波動性。用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建30MW光伏電站仿真模型，當環境溫度為25℃，光照強度為1kW/m2時。

3.2 光伏并網的故障電流、負荷電流特性

光伏發電出現短路時，以逆變技術作為主要的電流輸出，而短路電流則取決于逆變器電流的飽和模塊限值，因為逆變器等電力電子裝置的熱過載能力很低，為了保護元件不被損壞往往限制逆變器的輸出電流，這就意味著逆變型并網的分布式電源在電網故障時對故障點短路電流的貢獻不可能很大。并網運行的負荷電流遠遠大于光伏離網運行的負荷電流，并網運行時負荷電流主要由配電網提供，而光伏電源提供的負荷電流相對較小。

3.3 光伏發電系統涉網保護位置

并入電網光伏發電涉網的保護位置，一般有以下兩種情況：①光伏系統直接連接電網低壓母線，具體的接入方式如下：a.如果低壓母線所帶負荷較大，則本地負荷可由正常運行的PV與系統共同供電；b.若低壓母線所帶負荷小，則正常運行時PV向低壓母線負荷和系統同時提供電能，減少低壓母線所帶負荷從系統的涉及容量來提PV。②光伏系統和并網系統一起對負荷供電，從高壓母線側接入經變壓器。

4 并網光伏發電系統對配電網繼電保護的影響

某工程的地下一層設置有地下車庫及設備用房，配電房及門衛為一層公建，功能為配電房、柴油發電機房、門衛休息室及消防控制室兼值班室，配電房及門衛建筑面積為201.66m2。多晶硅太陽能光伏陣列安裝于建筑屋頂上，系統采用200kW光伏并網逆變器需要配置太陽電池組件20串一個陣列，有40個這樣的陣列并聯，共計800塊太陽電池組件，實際功率達到200kWp整。組件的尺寸為1650×990×50mm，重量約20kg，且以此規格組件20片一串，在設計時參考此組串來規劃支撐結構（見圖1）。

圖1 多晶硅電池組件

在電力系統正常運行時，若突然出現配電網故障問題，需要立即切出光伏電網的配電系統，以防光伏電源影響電網短路電流與繼電保護，達到保證繼電保護裝置正常運行的目的。

4.1 系統位置的影響

接入光伏發電系統時，接入的位置通常在上游或下游。上游即指的是光伏電源相所保護電動勢的方向應當與節點保持相同；下游則是指光伏電源相對于所保護的電動勢方向，應當與節點相反。如果光伏發電系統接入的是上游，則光伏電源會導致系統保護短路電流出現增大，且在越靠近故障點的地方，短路電流也就越大，因而能夠增大保護范圍。但這樣會影響下一級的故障動作，甚至導致誤動。而如果接入的是下游，則光伏電源的保護會產生相反的短路電流，而不影響光伏電源保護。

4.2 系統容量的影響

光伏發電系統的接入，往往會產生反方向的短路電流，該電流對于上一級的保護影響并不大，但對處于故障點和光伏電源之間的保護，則影響較大。該反向電流會流過保護，倘若光伏電源的容量充足，或故障點過于靠近保護，將導致保護出現誤動作。由于接入電力系統的光伏發電系統其容量會不斷增加，所產生的反向短路電流也會隨之不斷增加，進而擴大下游的保護范圍，縮小上游保護范圍，甚至導致保護系統失去應有的選擇能力。

4.3 系統對電流保護和重合閘的影響

三相短路的故障一般最為嚴重（見圖2），在系統最大運行方式下發生三相短路時的情況來定義并網系統的保護安全界限。當光伏系統發電電源與并網系統電源之間存在的聯接線出現故障時，導致保護動作之后而在自動重合閘重合之前，與光伏電源保持聯絡，而光伏電源未能解列，因而會繼續加大故障點故障電流，持續向故障點供電，最終導致電弧無法熄滅，且重合閘重合會導致故障點電弧階躍重燃，使臨時性的故障轉變成永久性故障，造成巨大損失。

圖2 三相光伏發電系統

4.4 系統對熔斷器重合器及分段器的影響

廣泛應用于配電系統、控制系統和用電設備中的熔斷器是一種電流保護器，具有結構簡單、成本低且操作便捷等優勢。具備反時限特性的熔斷器，如果通過的電流大則熔斷時間較短，若電流小則熔斷時間較長。通常采用的是能夠在整定時間內進行動作檢測故障的電流跳閘。

為預防事故的進一步擴大，一般講第一、二次整定為快速分閘，能夠被預先整定的重合器動作程序，其分閘動作迅速，可消除瞬時故障。而重合器后續動作往往存在時限，需要和分段器配合運作。分段器的開關設備處于失壓、無電流狀況下，仍然可以自動分閘，因而在配電網中適用于隔離線路區段。

5 光伏發電并網配電網保護對策

5.1 針對孤島運行的保護方案概述

該系統的實際應用，可能會對原有的保護配合造成影響，甚至導致誤動作。對于配電網繼電保護與安全自動裝置而言，現有的該系統涉網保護措施，主要針對的對象是發生故障的配電網，采取的處理措施有兩方面：當并網配電網出現故障或發生孤島運行狀況時，將從電網解列，或者在做出相應保護動作之前，采取反孤島保護光伏電源措施；而在保護動作之后退出電網。

5.2 保護對策的研究

以允許孤島運行作為前提的保護對策，主要目的在于實現光伏發電系統涉網保護方案的實施。結合對于孤島運行的分析所采取的保護方案，需要考慮到可能影響配電網保護方案與光伏發電系統涉網保護方案的相關因素，為確保保護措施的實際效果，可采用的保護方案包括：①依靠通信系統的保護方案；②基于微電網條件的保護方案；③以廣域測量系統為基礎的保護方案。

主要研究方向則包括：①以重合閘前加速、電流保護配合措施，作為基礎保護方案；②改進以重合閘后的加速配合電流保護措施；③改進對于配置熔斷器的保護方案；④改進重合器與電壓的時間式分段器配合原則；⑤改善對反時限過電流保護；⑥改善基于縱聯保護的方案。

6 結束語

光伏發電由于大量節約了能耗，成為新興的重要發電形式，針對采用光伏并網系統對于配電網保護所造成的不良影響，采取解決的方案與改進措施，從而有助于光伏發電并網的普及，以及配電系統的安全可靠運行。隨著并網光伏發電系統相關技術的不斷改進，有關光伏發電并網的保護將更合理、更完善。

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TM77

A

1004-7344（2016）21-0058-02

2016-7-9

黃波（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事光伏工作。