分布式光伏發電的繼電保護策略

張戈

摘 要：基于分布式光伏發電系統的案例，闡述光伏系統接入對配網繼電保護的影響，孤島效應對配電網的影響，分布式光伏電源的配電網保護不正確動作的解決對策。

關鍵詞：光伏發電;孤島效應;繼電保護

引言

本文結合光伏發電的現狀，分析了大規模光伏發電接入配電網對繼電保護的影響因素，探討分布式光伏發電的配電網繼電保護措施。

1 分布式光伏發電概述

1.1 分布式光伏發電的定義

分布式光伏發電是采用光伏組件將太陽能直接轉換為電能的分布式發電系統。在用戶場地附近建設，運行方式以用戶側自發自用、多余電量上網，在配電系統平衡調節為特征的光伏發電設施。分布式光伏發電遵循因地制宜、清潔高效、分散布局、就近利用的原則，充分利用當地太陽能資源，替代和減少能源消費。

1.2 分布式光伏發電特征

分布式光伏發電可以抗污染，能夠在一定程度上緩解用電緊張的狀況。但由于其能量密度相對較低，每平方米分布式光伏發電系統的功率僅為100瓦，再加上適合安裝光伏組件的建筑屋頂面積有限，不能從根本上解決用電緊張的問題;另外，分布式光伏發電可以發電用電并存。大型地面電站發電是升壓接入輸電網，僅作為發電電站而運行;而分布式光伏發電接入配電網，具有發電用電并存的特點。

2 光伏發電的案例

某地區常年日照數2431.4h，太陽能資源豐富且穩定，優越的光照條件適合大規模地建設光伏發電項目。光伏發電主要采用光伏并網發電的形式，可以分成集中式與分布式光伏發電。集中式并網系統是將光伏發電站產生的電能輸送到電網的統一供電系統;分布式并網是指在靠近負荷供電的配置較小的光伏發電系統，可直接分配到負載上，再通過電網進行余電調節以及電力不足時的電力供應。

3 光伏系統接入對配網繼電保護的影響

該地區已建成的配電網大部分是單一輻射狀供電結構，其潮流從電源到負荷單向流動，自變電站出線以后逐級配送到主干線、支路、公用變壓器及專用變壓器。其繼電保護的配置，也呈成放射狀，自變電站10kV出線開始，到主干線上聯絡斷路器、支路斷路器、配電站所及專用變壓器進線斷路器，實行逐級配置、上下配合的方案，以達到減少停電范圍、準確定位故障點的目的。

大規模光伏發電系統接入電網后，電網結構將由單一的輻射狀結構轉變為多電源結構，系統潮流流向發生大幅度變化，電網的潮流分布點也隨著光伏發電投入的容量、位置的不同而發生改變，進而導致原有的繼電保護設備受到影響當電網發生故障時，短路電流方向和大小的變化不僅會引起孤島運行，而且會引起繼電保護裝置的誤動作，如保護靈敏度降低、距離保護失靈、重合閘重合失敗等。隨著光伏并網容量的增加，傳統的繼電保護配置方案已不適用，這些問題將變得較為嚴重。

對三段式電流保護的影響。該地區大部分配電網都廣泛使用三段式電流保護，當光伏發電接入后將使配電網結構變得更復雜，對三段式電流保護的影響最大。具體影響主要有以下三點：（1）影響保護的靈敏性。接入光伏系統前，如果配電網發生故障，只有電網輸送短路電流，僅需要對系統自身的電流進行處理即可實現保護作用。但是接入光伏系統之后， 如光伏并網點下游的線路發生故障時，光伏電源還會額外提供短路電流。原有的繼電保護設備僅能夠感應到系統所提供的電流，而光伏電站的短路電流無法進行感知，所以降低了保護裝置的靈敏性。（2）影響保護準確性。當電網發生故障時，光伏電源將在很大程度上增加下游保護的短路電流，導致線路保護靈敏度降低，進而造成保護裝置誤動或拒動。（3）影響相鄰線路動作。線路發生故障后，因故障點具有絕緣效果，隨著光伏電源的接入，流向相鄰線路的電流也會相應增加，進而擴大了保護范圍，使得相鄰的線路受到影響。接入位置對繼電保護的影響。光伏電源在始端接入。光伏電源的供電將大大增加短路點下游保護的故障電流，其增大的電流易造成繼電保護誤動。光伏電源在中段接入。當并網點介于保護設備和短路點之間時，光伏電源會減少流過保護的短路電流，容易造成保護拒動。光伏電源在末端接入。光伏電源接入對故障點上游處沒有影響，但會在故障點的下游產生孤島效應。

4 孤島效應對配電網的影響

孤島效應是指含分布式電源的配電網中，電網側故障或停電檢修時， 分布式電源未及時斷開與電網的連接，分布式電源會持續向周圍供電，從而形成了一個自給的供電孤島。孤島對電網帶來的影響主要有以下幾個方面：（1）孤島系統的電壓和頻率不穩定，會損壞用戶端的設備;（2）孤島系統重新接入電網時，可能造成非同步并網，對電網和設備產生電流沖擊;（3）會威脅人身安全，當電網停電時，電網維護人員和用戶能不知道孤島系統在繼續送電。

5 分布式光伏電源的配電網保護的措施

分布式光伏電源的配電網保護不正確動作的解決對策。（1）基于方向元件的繼電保護改進策略。一般配網線路采用的是三段式電流保護，不需要設置方向元件就可以有效地保護線路全長，然而光伏電源的接入，使系統潮流結構發生改變。故加裝功率方向元件來判別故障方向成為目前主流方案。然而受逆變器的影響，電網側和光伏電源側的保護安裝點電流與電壓相位差有明顯不同，傳統方向元件可能會產生誤判。當光伏系統采用非低電壓穿越控制時，電網側和光伏側保護方向元件的動作判據分別為和-75° ≤ ɑ≤ 100°和-80° ≤ ɑ≤ 105°;光伏系統采用低電壓穿越控制時， 電網側和光伏側保護方向元件的動作判據分別為和-75° ≤ ɑ≤ 170°和-10°≤ ɑ≤ 105°（ɑ為正序電流和保護安裝點電壓和的向量夾角）。按照整定原則，方向元件能判斷正確的故障方向，保護可以正確動作。（2）自適應電流保護改進方案。該方案通過功率方向元件首先判別故障方向，再根據短路電流零序、負序分量確定故障類別從而選擇相應整定值，最后根據保護的電流和電壓信息與相應的整定值比較來決定是否動作。該方案的整定值可根據光伏電源的不同接入容量和位置進行實時改變，避免了因光伏電源接入導致的繼電保護誤動與拒動，但此方案需對系統實時數據同步采樣，信息量大，對于配網自動化程度要求高，經濟性較低。（3）基于通信原理的電流保護改進方案。相對于自適應保護，從經濟性角度考慮，對配電網保護進行升級改造更能適應該地區當前配電網發展現狀，提出一種基于通信原理的電流保護改進方案，該方案依據縱聯保護的思想，引入對端互發信號在縱聯保護中的作用，通過電氣量的方向性來斷是否區內外故障，通過助單側通信設備的傳輸準確排除故障線路。該方法需要為線路兩端裝設通信設備，但避免了線路兩端都需要安裝互感器導致的成本增加。（4）防孤島保護措施。隨著光伏發電技術的成熟，越來越多的光伏發電接入電網，大規模分布式發電造成的孤島問題日益突出。為此，許多學者提出了基于孤島運行方案的微電網概念，微電網是指由分布式電源、負荷、儲能、控制裝置、保護裝置等組成的電力系統。微電網可根據光伏并網的容量及當地負荷來確定計劃性孤島區域，在電網停電的情況下根據預定的控制策略形成有計劃的孤島運行，并通過相應的技術手段維持微電網電能質量的穩定，向周圍負荷可靠供電。

6 結束語

目前，微電網的應用還有許多問題需要解決，其中計劃性孤島需要先選擇好與電力系統的解列點，當發生故障時能使微電網內部基本功率平衡，而電力系統的實際運行情況有較多的不確定性，給微電網的規劃帶來較大難度。

參考文獻：

[1]張惠智.逆變型分布式電源接入配電網的故障分析及保護原理的研究[D].天津：天津大學，2015.

1692501705286