分布式光伏發電的繼電保護措施

秦金宣

太陽能是一種具有可再生、對環境友好、清潔 等特征的新能源，隨著科學技術的不斷發展，我國在太陽 能開發、利用方面的技術已經相對成熟，同時太陽能的 收集比較容易，應用十分便捷，因此已經在我國多個領域 得到了應用。在國家的大力推廣下，目前我國在分布式光 伏發電的研究、實踐方面均取得了許多成果，但關于分布 式光伏發電繼電保護策略的研究相對較少，有待深入研究 。

（一）概念

分布式光伏發電指的是利用光伏組件進行光伏 發電的一種方法，其通常是以用戶側自發自用、多余電量 上網為主要運行方式。分布式光伏發電可以對當地的太陽 能資源進行充分利用，從而可以降低對煤炭、石油等傳 統能源的消耗。分布式光伏發電的適用范圍較廣，既可以 應用于城市、鄉村，也可以建設在山區、牧區。分布式光 伏發電有著良好的發展前景。

（二）組成

分布式光伏發電是一種新興的能源綜合利用的 發電方式。當前新能源的開發與利用已經成為生態經濟建 設的主要著力點與促進產業升級轉型的重要推動力，在這 樣的背景下，分布式光伏發電作為太陽能開發與利用的一 種實踐成果，在我國有著良好的發展前景。分布式光伏發 電系統倡導就近發電、就近轉換、就近并網以及就近使用 ，可提高同等規模光伏電站的發電量，還解決了電力在長 途運輸、升壓過程中的損耗問題，是一種高效、節能、 安全的太陽能發電方式。

分布式光伏發電系統主要由蓄電池組、控制器 、直流/交流逆變器、由光伏組件串聯或并聯組成的光伏 方陣等部分組合而成。光伏組件是分布式光伏發電系統中 的核心，光伏組件是由太陽能電池即光伏電池以并聯或 者是串聯的形式連接起來并封裝組成，其可以直接將太陽 的光能轉換成電能，且為直流電，可以直接利用，也可以 使用直流/交流逆變器將直流電轉換為交流電。也就是說 ，針對分布式光伏發電系統生產的電能，可即發即用，也能 用儲能裝置如蓄電池等儲存起來，有需要的時候可隨時釋放 出來。

（三）原理

太陽能是一種應用十分廣泛的清潔型、可再生 能源，其本身屬于輻射能，無法被直接利用，只能采用能 量轉換器件將太陽能轉換為電能，才能實現對太陽能的應 用，太陽能電池是主要的能量轉換器件，可以起到能量轉 換的作用，在太陽能資源的開發與利用過程中發揮著至關 重要的作用。對太陽能電池的作用原理進行分析發現，其 屬于半導體器件，以光電轉換原理為依托，在經過半導體 物質的時候，太陽的輻射光便會被轉換為電能，這一過程 被稱作光生伏打效應，所以，太陽能電池也被稱作光伏電 池。光伏電池可起到光電轉換的作用，可以將太陽輻射能 直接轉換為直流電，是分布式光伏發電系統的基本單元。 將磷或硼等元素摻到晶體硅中，組成混合材料，混合材 料的分子電荷中，產生永久的不平衡，形成具有特殊電性 能的半導體材料，由這種半導體材料制成的光伏電池，在 太陽光的照射下，內部會產生自由電荷，同時自由電荷會 在光伏電池內部產生定向移動、積累，在兩端閉合的時候 便會產生電能，這便是光生伏打效應。

（四）特點

分布式光伏發電有四項基本特征，第一項特征 是污染較低，有著理想的環保效益，在進行發電的過程中 分布式光伏發電系統不會對水環境、大氣環境造成污染， 也不會產生噪聲污染、光污染;第二項特征是輸出功率較 低，一個獨立的分布式光伏發電項目，通常情況下容量 為數千瓦，集中式電站的大小會影響發電效率，而光伏 電站不同，其大小不會給發電效率造成太大的影響，小 型分布式光伏發電項目的投資收益率與大型分布式光伏 發電項目的投資收益率相差不大;第三項特征是可做到發 電用電并存，對實際情況進行調查發現，大型地面電站運 行過程中，發電是升壓接入輸電網，僅作為發電電站，分 布式光伏發電是接入配電網，同時要求盡量就地消納;第 四項特征是有利于改善局部地區的用電緊張問題，分布式 光伏發電能量密度較低，分布式光伏發電系統每平方米的 功率約為100W左右，且安裝光伏組件需要占用建筑屋頂， 涉及人民群眾的切身利益，需做好溝通工作，這就增加 了分布式光伏發電的推廣難度，導致其無法從根本上解決 電能短缺的問題。

A地區太陽能資源豐富，常年日照數約為 2398.6h，經實地調研發現該地的光照條件能夠滿足光伏發電項 目建設的要求，且經可行性分析、經濟性分析判定可起到 理想的經濟效益。集團公司的光伏發電項目，采用的形式 為光伏并網發電，可分為分布式光伏發電、集中式光伏發 電。首先，分布式并網指的是，將小型光伏發電系統安裝 在靠近供電負荷的區域，可直接分配至負載上，借助電網 進行余電調節、電力供應;其次，集中式并網指的是，將 光伏發電站生產的電能直接輸送至電網進行統一供電。

（一）分布式光伏發電系統接入后配電網的變化

集團公司已建成的配電網，以單一輻射狀供電 結構為主，潮流按照從電源到負荷的方向進行單向流動。 配電網的繼電保護為放射狀配置方式，可達到逐級配置、上下配合的效果，從而實現停電范圍的縮減，一旦發生故 障便可以準確定位故障所在位置。

配電網的結構在分布式光伏發電系統接入后發 生了明顯的改變，即轉變為多電源供電結構，與此相對應 的，潮流流向也出現了明顯的改變，分布式光伏發電的投 入位置、容量不同，配電網的潮流分布點也會發生相應 的變化，從而使得原有繼電保護裝置受到較大的影響。 配電網中出現故障時，短路電流方向與大小會發生改變， 進而容易使配電網出現孤島運行的現象，同時還會使繼電 保護裝置發生誤動作，例如重合閘重合失敗、距離保護失 靈、保護靈敏度降低都是常見的誤動作。隨著分布式光 伏發電項目數量的增多、規模的擴大，分布式光伏并網 容量也在不斷增加，因此傳統配電網繼電保護已經無法滿 足新要求，必須探索更加科學有效的繼電保護措施。

（二）分布式光伏發電系統接入對三段式電流保護的影響

集團公司配電網主要采用三段式電流保護，配 電網結構在分布式光伏發電系統接入之后，其復雜程度明 顯提高，這就給三段式電流保護帶來了巨大的影響。主 要體現在以下幾個方面：第一，保護的靈敏度受到嚴重影 響。在分布式光伏發電系統接入配電網之前，配電網存在 故障的情況下，短路電流的輸送途徑只有一個，也就是電 網，這樣的情況下，僅需解決系統本身存在的電流，便能 起到保護作用，整個過程比較簡單、方便。但在分布式光 伏發電系統接入配電網之后，應具體情況具體分析，如果 出現故障的線路處于光伏并網點的下游，則除了電網之外 ，光伏電源也會輸送短路電流，這對于繼電保護裝置來說 ，其僅能檢測到系統中的短路電流，不能檢測到光伏電站 提供的短路電流，這就導致繼電保護裝置的靈敏度被降低 。第二，保護的準確性受到明顯影響。電網出現故障的 時候，光伏電源會導致下游保護的短路電流大幅度上漲， 這就會降低線路保護的靈敏度，影響保護的準確性，主要 表現為繼電保護裝置拒動或誤動。

（三）分布式光伏發電系統接入位置對配電網 繼電保護的影響

分布式光伏發電系統的接入位置，可以分為三 種情況：第一種是在始端接入，這種情況下，光伏電源 的供電會導致短路點下游保護的故障電流大幅度增加，進 而使繼電保護裝置誤動;第二種是在中段接入，這種情況 下，受到光伏電源的影響，流過繼電保護裝置的短路電流 減少，容易使其拒動;第三種是在末端接入，這種情況下 不會給故障點上游造成影響，但是光伏電源的接入會使故 障點的下游容易出現孤島效應。孤島效應指的是，配電網 中含分布式光伏電源的情況下，在停電檢修或者是出現電 網側故障的時候，分布式光伏電源沒有及時斷開與電網的 連接，持續朝著周圍供電，形成一個自給的供電孤島。孤 島效應會給電網造成嚴重的影響，主要體現在：第一， 孤島系統的頻率、電壓穩定性較差，容易導致用戶端的設 備發生損壞;第二，會給人身安全造成一定的威脅，電網 停電的情況下，用戶和電網維護人員可能不清楚孤島系統 會繼續送電，如果誤觸，可能引起觸電事故;第三，孤島 系統重新接入電網的時候，可能出現非同步并網的現象， 給設備、電網造成電流沖擊。

（四）分布式光伏發電系統容量較大對配電網 繼電保護的影響

在國家的大力支持與推動下，現如今我國分布 式光伏發電項目的數量不斷增多、規模也在不斷擴大，這 就使得光伏并網容量呈現出持續性增加的態勢。對經過繼 電保護裝置的短路電流的實際情況進行調查，由于分流作 用，上游短路電流減小，保護距離會縮短;下游短路電流 加大，這就使得繼電保護裝置容易發生誤動。

（五）分布式光伏發電系統并網對自動重合閘的影響

光伏并網后，由于系統結構發生了變化，因此 也會給自動重合閘帶來一定的影響，主要體現在以下幾個 方面：第一，非同期重合閘。瞬時性故障發生后，重合閘 前加速保護動作，便可以將故障切除。但是，若是分布式 光伏發電系統沒有解列，則系統側重合的時候，光伏電源 、系統之間會出現一定的相位差，從而產生沖擊電流，導 致繼電保護誤動作。光伏電源、系統甚至會相反，產生非 常大的沖擊電流，嚴重損壞電力系統。第二，重合閘誤動 作。配電網采用三段式電流保護的情況下，由于保護無法 判斷故障電流方向，因此在相鄰線路出現故障的時候，反 向電流過大會導致重合閘誤動作，如果出現的故障是永久 性故障，則會造成重合失敗，導致正常線路供電中斷。

（一）基于方向元件的解決方案

集團公司配電網采用了三段式電流保護，無須 設置方向元件便能實現對線路全長的有效保護，但在分布 式光伏發電系統接入后，系統潮流結構出現了明顯的改變 。因此，可以采取設置功率方向元件的方法，對故障方 向進行判別，以解決配電保護不正確動作的問題。但對實 際情況進行調查發現，由于受到逆變器的干擾，光伏電源 側、電網側的保護安裝點，電流與電壓相位差存在著顯著 的差異，這樣的狀況下若是依然使用傳統方向元件，便 容易出現誤判的問題。面對這樣的問題，可對保護方向元 件動作判據進行改進與優化，以預防誤判問題的發生，保 障配電保護的有效性。針對選擇非低電壓穿越控制的光 伏系統，光伏側保護方向元件的動作判據是：正序電流 與保護安裝點電壓和的向量夾角（a）為-80°（含-80° ）至105°（含105°），電網側保護方向元件的動作 判據為：a為-75°（含-75°）至100°（含100°） ;針對選擇低電壓穿越控制的光伏系統，光伏側保護方 向元件的動作判據是：a為-10°（含-10°）至105° （含105°）;電網側保護方向元件的動作判據為：a為 -75°（含-75°）至170°（含170°）。按照整定 原則，方向元件能夠對故障方向進行有效識別，從而 可以確保配電保護的正確動作。

（二）基于通信原理的電流保護改進方案

對集團公司配電網實際情況進行分析發現，經 濟性較好的一種方法是對配電網保護進行優化改進。基于 通信原理的電流保護改進方案，引入對端互發信號在縱聯 保護中的作用，借助電氣量的方向性對故障進行合理評估 ，依靠單側通信設備的傳輸，實現對故障線路的有效排除 。在實際應用這一方案的時候，需要將通信設備安裝在 線路兩端，但無需安裝互感器。

（三）基于光伏電源的自適應電流保護改進方 案

該方案指的是，借助功率方向元件，初步概括 性地識別故障方向，在此基礎上，綜合考慮短路電流的負 序、零序分量，判斷是哪種類型的故障問題，并以此為根 據，選擇整定值，對保護的電流電壓與相應整定值等數據 信息進行全面分析，決定是否動作。在基于光伏電源的自 適應電流保護改進方案中，根據光伏電源的位置不同、容 量不同，整定值可實時改變，解決了由于光伏電源接入 配電網而導致的繼電保護拒動、誤動問題。但是，這一方 案的經濟性較低，對配網自動化水平有著較高的要求。

（四）防孤島措施

科學技術不斷進步的背景下，光伏發電技術也 在不斷改進、優化，越來越多的分布式光伏發電系統接入 電網，由此帶來的孤島問題也愈發明顯。為解決孤島問題 ，可采取微電網系統，這種電力系統是由保護裝置、控制 裝置、儲能、負荷以及分布式電源組成，其可根據當地負 荷、光伏并網容量確定計劃性孤島區域，如果發生電網停 電的情況，則可按照預定控制策略，有計劃地進行孤島運 行，同時可以采取技術手段，確保微電網系統能夠向周圍 負荷進行穩定供電，并能確保電能質量。

綜上，繼電保護問題是分布式光伏發電項目發 展過程中的一個制約因素，應在明確分布式光伏發電系統 接入對配網繼電保護影響的前提下，采取科學、有效的解 決對策，以確保繼電保護的可靠性。