分布式儲能系統用斷路器改進與應用

曹元威，郭寅遠*，陳 卓，賀 春，王 龍

（1.許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461000；2.鄭州航空工業管理學院，鄭州 450000）

隨著新能源電力的推進，大量的風電、光伏等分布式電源接入配電網，由于地理、天氣、季節等因素影響，新能源發電的不確定性、隨機性給電網帶來了新的問題和挑戰。分布式儲能系統作為新型電力系統重要組成部分，具有功率吞吐快、控制精度高、安裝靈活等特點，更易實現分布式能源的就地快速消納[1-2]。此外，分布式儲能相較于集中式儲能系統，減小了電能的線路損耗和投資壓力，可實現調頻調峰、延緩電網改造和提高電網運行穩定性等功能。

為充分挖掘分布式儲能系統對配電網的價值，提高電網運行的經濟型和可靠性，有必要通過深入了解分析分布式儲能的并網特性和并網注意事項，對分布式儲能系統實施主動管理和控制，使其安全穩定運行。為此，相關標準對分布式電源接入配電網的接入系統設計、運行、維護、測試及調度等提出了原則性技術要求，從而最大限度發揮分布式電源并網的積極效益[3]。

本文從分布式儲能系統離網運行時可能存在的并網開關柜斷路器因失壓不能合閘問題，分析斷路器失壓的動作特性和檢測機理，提出了改進方案，在工程應用中具有較高的推廣應用價值。

1 分布式電源接入的一般技術原則

國家電網企業標準Q/GDW 10370—2016《配電網技術導則》第11 章分布式電源接入導則，針對分布式電源接入容量、并網電壓、接入系統方案、并網接口和裝置功能要求等方面做了規定。

針對并網接口和裝置功能要求方面，技術導則明確指出，接入分布式電源的380（220）V 用戶進線計量裝置后開關及10（35）kV 用戶公共連接點處分界開關，應具備電網側失壓延時跳閘、用戶單側及兩側有壓閉鎖合閘、電網側有壓延時自動合閘等功能，確保電網設備、檢修（搶修）作業人員及同網其他客戶的設備、人身安全。其中，380（220）V 用戶進線計量裝置后開關失壓跳閘定值宜整定為20%UN、10 s，檢有壓定值宜整定為大于85%UN[4-5]。

逆變器類型的分布式電源接入220/380 V 配電網技術要求中也明確規定，并網點應安裝易操作，具有明顯開斷指示、具備開斷故障電流能力的低壓并網專用開關，具備失壓跳閘及檢有壓合閘功能[6-7]。

因此，分布式電源接入公共連接點處所用斷路器必須具備失壓跳閘功能。對于失壓跳閘功能的實現，最常用實現方式是配置失壓脫扣器，對于采用塑殼斷路器和框架式斷路器的并網保護電路，可采用失壓脫扣器來達到此功能。

2 分布式儲能離網控制問題隱患

儲能系統典型運行狀態有2 種，儲能系統并網運行時，儲能系統與微電網相連，運行在PQ 模式；離網運行時，儲能系統提供支撐微網運行的電壓和頻率，運行在VF 模式[8-10]。儲能系統典型運行拓撲圖如圖1 所示，當離網運行時，網測斷路器Q1斷開，儲能系統并網柜斷路器Q2閉合，給負載提供電能支撐。

圖1 儲能系統典型運行拓撲圖

為規范分布式儲能系統接入系統設計，保障儲能系統和配電網的安全穩定運行，中國電力企業聯合會T/CEC 0231—2017《分布式儲能系統接入配電網設計規范》第6 章二次系統設計中明確：分布式儲能系統應具備頻率和電壓異常時的緊急離網功能，該功能由專用安裝自動裝置實現，也可以有具備該功能的并網點快速開關實現[11]。

目前，在分布式光伏系統配置儲能系統所用并網開關柜的斷路器等開關，具有失壓跳閘功能，最常用的失壓跳閘功能是采用失壓脫扣器來實現。失壓跳閘功能檢測斷路器上端口（電網側）電壓，當電網失壓斷電，斷路器跳閘。當儲能系統離網運行時，由于電網失電，并網開關柜斷路器上端口（電網側）沒有電壓，只有斷路器下端口（儲能變流器及電池端）有電壓，會導致離網時并網開關柜的斷路器失電跳閘，不能進行離網操作。

因此，分布式光伏配置儲能系統考慮到儲能離網控制的特殊需求，可能會遇到公共連接點斷路器等開關在離網時不能有效合閘的問題，因此，有必要對斷路器的失壓脫扣器動作特性和檢測機理進行分析。

3 失壓脫扣器動作特性及檢測機理

3.1 失壓脫扣器動作特性

對于通過失壓脫扣器實現失壓跳閘的斷路器，其常規失壓脫扣器動作特性。

1）當外施電壓突降至額定工作電壓的35%～10%范圍內，失壓脫扣器釋放使斷路器斷開。

2）當外施電壓低于失壓脫扣器的額定工作電壓的35%時，失壓脫扣器使斷路器不能閉合。

3）當外施電壓為失壓脫扣器的額定工作電壓的85%～110%時，失壓脫扣器能保證斷路器可靠閉合。

4）當外施電壓下降，在不低于額定工作電壓的35%時，失壓脫扣器吸合保證斷路器可靠閉合。

根據斷路器的動作特性并結合Q/GDW 10370—2016《配電網技術導則》相關規定，失壓跳閘檢測確保系統發生額定工作電壓突降至20%故障時，分布式電源斷路器斷開與電網系統連接，轉入故障或離網運行狀態。

3.2 失壓脫扣器檢測機理

欠壓脫扣器主要包括電磁系統和控制電路2 部分[12]，其中，電磁系統主要由鐵心、彈簧、吸合線圈等組成，檢測電路主要用于檢測斷路器上端口（電網電壓端）相電壓幅值大小。當發生電壓突降至動作電壓時，欠壓脫扣器控制電路快速檢測到電壓跌落，并給出脫扣指令，電磁執行機構線圈失電，推桿在彈簧作用下沖擊脫扣板使其動作，從而斷路器脫扣，從而起到保護作用。

4 儲能系統用斷路器改進方案

針對儲能系統在離網條件下并網開關柜斷路器因失壓脫扣器失壓跳閘，斷路器不能合閘問題，本文增加并網開關柜失壓跳閘檢測點，在原有并網模式斷路器上端口（電網測）檢測點檢測失壓的同時，采用轉換開關的方式設置離網模式，當儲能系統工作在離網狀態下，斷路器失壓脫扣器檢測斷路器下端口電壓。此時，處于離網狀態下的儲能系統并網開關柜斷路器下端口帶電，斷路器的失壓跳閘檢測點將不再報失壓跳閘故障，斷路器具備了并網和離網2 種模式正常運行的功能。

并離網條件下斷路器失壓脫扣器檢測示意圖如圖2 所示。

圖2 并離網條件下斷路器失壓脫扣器檢測原理圖

由圖2 可知，當儲能系統工作在并網模式時，將并離網模式轉換開關轉換至并網模式，此時，并網開關柜斷路器按照常規的檢測手段，檢測上端口（電網測）電壓，斷路器可有效執行帶電合閘和失電跳閘功能。當儲能系統工作在離網模式時，將并離網模式轉換開關轉換至離網模式，此時，采用檢測并網柜斷路器下端口（PCS 和電池側）電壓，儲能系統離網運行，儲能電池和儲能變流器工作，并網點開關柜斷路器下端口帶電，可有效閉合斷路器，儲能系統可穩定在孤島離網工況下帶載運行。

需要強調的是，光伏系統所用并電柜斷路器應具備失壓跳閘和檢有壓合閘功能，儲能系統也應具備失壓跳閘功能，但是對于儲能系統出于安全考慮不能具備檢有壓合閘功能，防止因儲能離網運行等操作導致的人身及設備的損害。同時，基于光儲等混合微電網連接至公共連接點的配電柜斷路器，也不應具備檢有壓合閘功能。

5 應用

某園區微電網系統如圖3 所示，包含2 個子系統，1#子系統為712 kWp 光伏發電系統，2#子系統為由285 kWp 光伏、250 kW/600 kWh 儲能、1 臺5 kW 風機及2 臺160 kW 直流充電樁組成的智能微電網。其中，儲能系統并網柜斷路器為Q1，風光儲充微電網并網柜斷路器為Q2。

圖3 微電網系統拓撲

當電網失電，微電網儲能系統運行在離網狀態，由于儲能系統用斷路器Q1的失壓跳閘脫扣器檢測的是斷路器上端電壓，上端因大電網失電致使斷路器失壓報故無法合閘，因此，采用上述斷路器改進方案，在原有斷路器上端口檢測失壓的同時，采用轉換開關的方式設置離網模式，在儲能系統離網控制時，斷路器失壓脫扣器檢測斷路器下端口電壓。此時，儲能電池作為能量源，儲能變流器工作在離網穩穩壓模式，斷路器Q1下端口帶電，斷路器可有效合閘，微電網系統可離網運行。

微電網公共連接點并網柜的斷路器Q2采用相同的改進方案增加離網轉換開關和增加斷路器下端口失壓跳閘點檢測，確保整個微網系統的在大電網失電的情況下能夠可靠離網運行。

改進及應用效果如圖4 和5 所示。

圖4 儲能系統并網柜斷路器Q1 改進圖

圖5 微電網系統并網柜斷路器Q2 改進圖

6 結論

本文從分布式儲能系統離網運行時可能存在的并網開關柜斷路器因失壓不能合閘問題，分析分布式電源接入的一般技術原則，詳述儲能系統離網運行時開關柜斷路器失壓脫扣器的動作特性及檢測機理，給出了采用增加并離網轉換開關和失壓脫扣器檢測點的方案，在保證儲能系統并網柜斷路器離網時并網柜斷路器能夠可靠運行。

并網柜斷路器離網合閘問題，在某園區風光儲充微電網離網控制項目中出現，通過上述方法和改進措施，項目在離網工況下可靠閉合并得到有效實現，從工程實踐上驗證了此方法的可行性，具有較好的推廣價值。