分布式光伏并網一體化裝置研制與應用

北京國電通網絡技術有限公司 潘 博 秦 鵬 劉 剛 嘉興國電通新能源科技有限公司 張 峰 龍亞洲

隨著國民經濟的發展，電力需求迅速增長，電網規模不斷擴大，但超大規模電力系統的弊端也日益凸顯，成本高、運行難度大，難以適應用戶越來越高的安全和可靠性要求以及多樣化的供電需求。光伏分布式發電倡導就近發電、就近并網、就近轉換、就近使用的原則，具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安裝地點靈活等優點，不僅能夠有效提高同等規模光伏電站的發電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題，是一種新型的、具有廣闊發展前景的發電和能源綜合利用方式，獲得了快速發展。分布式光伏并網是光伏發電的主流發展模式，同時對如何保證并網安全提出了嚴格要求。

分布式光伏智能并網箱，結合并網光伏逆變器，可以為分布式光伏發電系統提供穩定、可靠的并網控制技術，與大電網靈活連接、快速斷開，形成有機整體，既可以與大電網并網，也可在電網故障時通過快速開關進行快速跳閘，與大電網斷開，降低對大電網質量的影響，滿足用戶對電能質量和供電安全的要求。

分布式光伏智能并網箱將關鍵設備高度集中，完成通訊、數據采集和處理、離網/并網控制、計量等功能。并網模式是指在正常情況下，分布式光伏發電系統與大電網并網運行時，向電網提供電能。當檢測到內部故障、電網故障或電能質量不滿足要求時，光伏發電系統可以與主網斷開，為系統提供了更高的供電可靠性。

1 功能技術指標

分布式光伏智能并網箱同并網光伏逆變器、光伏組件配合組成分布式光伏并網發電系統，具有自動并網、孤島保護、快速故障隔離、接受調度、電能計量等功能，既保證了配電網的安全性，減少了分布式電源對配電網的影響，又提高了分布式電源的利用效率，是分布式光伏發電系統重要的關鍵設備。

分布式光伏并網一體化裝置具備的主要功能有以下方面[1]。

1.1 檢測功能

可實現并網點線路的交流量采集，可輸出線路的三相電壓、三相電流、零序電壓、正序電壓、負序電壓、零序電流、發電量等，并計算出每條線路的有功功率、無功功率、功率因數、頻率、諧波等電能質量參數。

1.2 保護功能

三段可經方向和復壓閉鎖的過流保護：方向元件、復壓元件各段電流可獨立投退；禁止對各段定值大小作自動比對校核及報錯；每段只設置一個時限；禁止使用組合16進制控制字或矩陣方式出口。PT斷線后自動轉純過流，方向元件退出。

二段零序過流保護：可獨立投退；方向元件、零壓元件各段電流可獨立投退；禁止對各段定值大小作自動比對校核及報錯；每段只設置一個時限。過負荷保護：可獨立投退。

兩段低電壓保護、兩段過電壓保護、兩段低頻保護、兩段高頻保護：可獨立投退；禁止含有滑差閉鎖功能。

逆功率保護：可獨立投退；以電流進行整定，功率自動計算。

以上繼電保護整定模塊獨立，與其它參數模塊（如四遙、電壓合格等）設置分離。

1.3 并網投切功能

能夠通過本地控制或者接受主站控制指令，實現以下動作：開關分合閘、逆變器啟停、逆變器功率調節、逆變器復位操作等。裝置支持遠方/就地把手輸入，當裝置進行后臺或調度遙控時，必須使把手處于“遠方”位置；當裝置進行當地面板操作時，必須使把手處于“當地”位置，本地控制優先級大于遠程控制。具有遠程控制閉鎖功能、本地操作閉鎖功能，在電力檢修時進行分布式電源的發電閉鎖。另外，裝置應具有“檢修”功能，當對應一次設備或繼電保護設備進行檢修時可以使用。當裝置處于檢修狀態時，屏蔽遠方遙控命令，遙測量、遙信量應設置相應品質位。

接入裝置應具備開關檢無壓自動分閘、檢有壓自動合閘功能。當檢測到系統無壓，經延時自動分閘；當檢測到系統側有壓，經20s延時自動合閘。

1.4 通訊功能

對上可通過百兆網關方式與與主站進行通訊，通過總召查詢、變位主動上送等方式將狀態信息上傳至主站系統，須支持IEC61850、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104等通訊規約報文的采集和解析，并支持規約擴展；對下可通過Modbus總線、串行通信線、以太網、無線局域網或光纖方式與逆變器、環境監測儀、智能電表、380V分布式電源并網接入裝置等設備通訊，并能將信息向分布式電源調控平臺發布。應能與主站平臺協同實現信道通訊狀態與質量的檢測。支持導出遙信、遙測、遙控表以及經過邏輯處理的邏輯表等。支持的轉發目的地址不少于4個。

1.5 記錄存儲功能

可在本地存儲器中記錄并網點、分布式電源電站事件。包括：開關動作事件、狀態異常事件、一般事件（如設置參數改變等）。接入裝置具備歷史數據記錄功能，記錄深度為不小于二個月，可實現主站記錄深度內任意一天的任意數據的補召喚。

2 裝置硬件設計

分布式光伏并網一體化接入裝置通過對電網電壓、電流數據的采集來監測公共并網點電能質量各項指標，并通過所采集的電能質量對并網進行控制、保護，并通過IEC61850規約完成與監控系統進行相關數據交換。分布式光伏并網一體化接入裝置采用DSP+ARM雙核心控制系統。DSP擁有大的數所處理能力和邏輯、控制能力，因此在本項目中用來進行采樣數據的處理、計算和繼電保護邏輯的實現，主要完成三相電壓、電流瞬時量的采樣、有效值計算、采樣同步算法、FFT算法進行諧波分析、有功無功電流計算、電網不平衡度計算、繼電保護的保護邏輯算法。ARM以發揮其非接口豐富、開發便捷的優勢，在本項目中完成裝置與系統內其他設備通訊的下行通信規約——Modbus規約、與上級站點數據交換的百兆網口中的ICE61850規約以及控制面板控制開關、指示燈及顯示等人機交互單元。

控制電路設計整個大系統中基于DSP的計算模塊的軟件程序往往采用混合編程的方法將C語言與匯編語言結合起來，其中循環主程序和一些功能子程序是通過用C語言編譯，提高編程效率，增強程序可讀性，便于調試。而復雜的算法子程序如FFT運算我們使用匯編語言來編譯，整個程序使用模塊化設計。

本裝置實現并網點線路的交流量采集、電能質量的監控、并網點保護與投切功能，還可通過下行通信接口與系統內其他設備進行數據交換，通過百兆網關與上級站點進行通信。本裝置交流電壓與電流由電壓、電流互感器引入，經低調理電路對其進行換后模數轉換器ADS8364，對六路電壓電流量瞬時值采樣后，送入數字信號處理器TMS320F28335，由其對電壓電流數椐分析計算，得到電壓電流有效值、頻率、周期、電壓諧波、電流諧波、不平衡度等檢測參數。通過對采樣計算所得數據，結合繼保整電參數，按繼電保護邏輯控制雙穩態永磁開關。對并網電進行保護與投切控制。

3 并網點保護方案

3.1 過電流保護

分布式并網接口保護裝置設有過電流保護，有獨立的電流定值和時間定值以及控制字?？瑟毩⑦x擇是否經復壓閉鎖（低電壓和負序電壓），是否經方向閉鎖[2]。

3.2 過欠壓保護

對于小型分布式電源，當電網電壓出現異常時，過欠電壓保護將發揮作用，按表1要求的時間實現分布式電源停止發電。此要求適用于三相系統中的任一相。

表1 分布式電源在電網電壓異常時的分閘時間響應要求

分布式并網接口保護裝置設有低電壓保護和過電壓保護功能，用于電網電壓由于故障等因素引起系統低壓或者高壓時的跳閘要求。

3.3 低電壓保護

三個線電壓均小于低電壓保護定值范圍，時間超過整定時間時，低電壓保護動作。低電壓保護經TWJ位置閉鎖。

3.4 過電壓保護

三個線電壓任何一個大于過電壓保護定值，時間超過整定時間時，過電壓保護動作。過電壓保護經TWJ位置閉鎖。

3.5 逆功率保護

目前分布式電源并網的逆功率保護，通常采用cosφ型。

若分布式電源逆功率運行時，輸出電壓約為額定值的情況下，cosφ型逆功率繼電器的測量回路輸出電壓U0將正比于輸入功率UIcosφ，能做到正比于Icosφ。在其最大靈敏角cosφ=180°時的動作電流為I0（I0=P0/U），P0為逆功率運行時的二次側功率值，可根據分布式電源的實際情況整定（U、I0分別為二次側的線電壓和線電流）。則臨界動作電流Id為：

Id=I0cosφ

分布式并網接口保護裝置具有低功率或逆功率保護功能，可以在分布式電源并網點檢測到逆向電流、或者公共電網的輸送電流接近于0時，保護裝置應快速斷開分布式電源。

4 結語

隨著大量的分布式光伏電站接入電網，改變了電網潮流，影響了電能質量和電網安全穩定。分布式光伏并網一體化接入裝置不僅可實現分布式光伏并網系統的保護、測量、控制、電能質量監視，同時還具備通信管理功能，啟到承上啟下的作用。一方面可以收集系統內設備（逆變器、電度表等）的信息并上送到分布式監控主機、調度，另一方面可以接收主機、調度的遙控、啟停等命令，實現遠方控制和管理功能。