探究光伏電站并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

梁君亮 董玉輝

（華電山東新能源有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

太陽能屬于可再生能源，通過光伏發(fā)電的建設(shè)，有效將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，優(yōu)化能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，符合當(dāng)代電力行業(yè)可持續(xù)的理念。該類發(fā)電站通常是分布式格局，主要作用是補(bǔ)充配電網(wǎng)，其既可以降低完善電網(wǎng)的投資量，又可保障輸電的穩(wěn)定性。目前，隨著光伏電站并網(wǎng)的增多，其對(duì)配電網(wǎng)所產(chǎn)生的影響也越來越大。

1 光伏電站

1.1 光伏電站優(yōu)勢

光伏電站是借助組件，把太陽能轉(zhuǎn)化成電能得。這種發(fā)電方式的運(yùn)用，使機(jī)組擁有更高的環(huán)境適應(yīng)性，可布置于用電者周邊的配電網(wǎng)中。通常來講，光伏發(fā)電系統(tǒng)中有特殊材質(zhì)的電池板、控制開關(guān)、蓄電池、電容適配裝置及充電器等。其中在發(fā)電期間，充電器發(fā)揮最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的作用，把由電池板形成的電能，傳送至和電容適配裝置連通的蓄電池上，自動(dòng)調(diào)節(jié)電能電容。光伏電站的投入建設(shè)優(yōu)勢體現(xiàn)在：其可以和配電網(wǎng)及系能源網(wǎng)絡(luò)之間，實(shí)施合理化調(diào)節(jié)，相互補(bǔ)給調(diào)度電能。這樣能把用戶負(fù)載整合起來，將冗余電能運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)保存至公用區(qū)域。以運(yùn)行成本的角度來說，光伏電站建設(shè)規(guī)模沒有過于嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，總體表靈活，但對(duì)所用配件的性能要求明確，所以，光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)代價(jià)還是較大，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)優(yōu)化及創(chuàng)新有關(guān)技術(shù)，促使此種發(fā)電模式逐漸“平民化”。

1.2 電站并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

常規(guī)配電網(wǎng)有樹干狀、放射狀及環(huán)網(wǎng)狀，相對(duì)簡單的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)為放射狀，在接線、保護(hù)定容及擴(kuò)容等方面都有較好的表現(xiàn)。在該類配電網(wǎng)中，增加光伏電站。在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，可裝配限過流的保護(hù)斷路裝置與自動(dòng)重合閘的斷路裝置。在光伏并網(wǎng)中，由于單體光伏電池的電壓不高，所以會(huì)構(gòu)成電池組，使得能量逐漸增多。根據(jù)基礎(chǔ)電路理論，能得出光伏電池的有關(guān)等效電路（見圖1）。

2 配電網(wǎng)繼電保護(hù)機(jī)理

2.1 電流保護(hù)

電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，表現(xiàn)出的穩(wěn)態(tài)特點(diǎn)為電流值提高、電壓下降，同時(shí)相位與阻抗等均不同于往常。一方面，電流速斷保護(hù)。該種保護(hù)形式的實(shí)際范圍，會(huì)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式與短路情況確定。在系統(tǒng)處于最大運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，該項(xiàng)保護(hù)覆蓋的范圍同樣是最大的。如果是其他運(yùn)行狀態(tài)以及兩相短路中，保護(hù)范疇相對(duì)縮小。電流速斷保護(hù)突出特點(diǎn)是穩(wěn)定、高效及簡單，實(shí)際應(yīng)用范圍較大。但其也有不足，僅能對(duì)局部線路提供保護(hù)，容易被系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)干擾，并且在運(yùn)行方式突然出現(xiàn)明顯改變時(shí)，還有可能無法形成保護(hù)區(qū)。另一方面，過電流保護(hù)。該類保護(hù)裝置是根據(jù)設(shè)定的最大電流值，控制其開關(guān)狀態(tài)。在此項(xiàng)保護(hù)模式下，電流整定中，僅有保護(hù)線路出現(xiàn)故障，才會(huì)啟動(dòng)。相應(yīng)整定表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：K 是可靠系數(shù)，取值通常在1.15～1.25；K是自啟動(dòng)系數(shù)，取值超過“1”，具體需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際接線與負(fù)荷性質(zhì)情況確定；K是返回系數(shù)，其與保護(hù)種類相關(guān)，取值通常是0.85；I 是最大的負(fù)荷電流；I是整定電流。

圖1 光伏電池等電路圖

2.2 自動(dòng)重合閘

在電力系統(tǒng)中的大部分故障來源于輸電線路，而架空線路通常會(huì)發(fā)生瞬時(shí)類的故障，比如閃絡(luò)。當(dāng)線路被繼電保護(hù)切斷后，電弧隨即熄滅，對(duì)應(yīng)位置絕緣性能恢復(fù)。這時(shí)將線路斷路裝置合上，便可以恢復(fù)供電。而對(duì)于永久類的故障，如斷線與絕緣子被擊穿等。此時(shí)即使線路被斷開，故障問題不會(huì)消失，合上電源后，還是會(huì)迅速斷開，無法正常輸電。目前，在應(yīng)用自動(dòng)重合閘中，通常會(huì)有幾項(xiàng)基礎(chǔ)要求。一是優(yōu)先考慮采取控制點(diǎn)和斷路所處裝置點(diǎn)位不對(duì)應(yīng)的方式，啟動(dòng)重合閘操作，也就是在控制開關(guān)處于合閘狀態(tài)，但斷路裝置是斷開的，此時(shí)重合閘被啟動(dòng)，這不僅能避免在非正常動(dòng)作時(shí)，出現(xiàn)無論何種原因?qū)е绿l后，均能實(shí)施一次重合。二是重合閘的動(dòng)作頻率，要滿足設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。三是重合閘需可以合閘前后，加快繼電保護(hù)的速度，確保與繼電保護(hù)的協(xié)調(diào)性，及時(shí)解決掉故障。四是帶有雙側(cè)電源的線路中，需注意兩側(cè)同步合閘。五是重合閘動(dòng)作之后，通?？芍苯訌?fù)位，以便下次動(dòng)作。我國光伏電站通常和中低壓系統(tǒng)連接，通常選擇三相的一次重合閘。

2.3 備用電源自投

備用電源自投的出現(xiàn)是為進(jìn)一步保障輸電的穩(wěn)定性而裝配的自動(dòng)設(shè)備。自投設(shè)備是在運(yùn)轉(zhuǎn)電源由于故障或其他問題失效，立即將備用電源及其他可用電源頂替，同時(shí)關(guān)閉運(yùn)行電源對(duì)應(yīng)自動(dòng)裝置。該類保護(hù)裝置有效讓自動(dòng)裝置和繼電保護(hù)器整合起來，支持向用戶提供持續(xù)性電源，并且成本投入不高。

3 光伏電站并網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)的影響

常規(guī)電網(wǎng)中，通常是單電源放射式的框架，光伏電站并網(wǎng)后，放射型的無源網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整成包括中小規(guī)模電源在內(nèi)的有源網(wǎng)絡(luò)。該類變化讓電網(wǎng)中的各項(xiàng)保護(hù)定值和機(jī)理隨之出現(xiàn)明顯變化。另外，常規(guī)繼電保護(hù)模式，均是基于對(duì)電力模式結(jié)構(gòu)假設(shè)，但在電網(wǎng)中不斷增加光伏設(shè)備中，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)供電系統(tǒng)架構(gòu)出現(xiàn)明顯改變，同時(shí)短路電流分布也隨之調(diào)整，這會(huì)給機(jī)電保護(hù)與自動(dòng)設(shè)備裝配與動(dòng)作整定，造成較大的困難，容易發(fā)生動(dòng)作錯(cuò)誤的問題。而在光伏電站建設(shè)逐漸增多中，關(guān)于該方面的討論也日益深入。

圖2 10kV 接入并網(wǎng)

3.1 接入形式

根據(jù)光伏電站并網(wǎng)電壓情況，能劃分出小、中、大三個(gè)規(guī)模級(jí)別。其中，由380V 電壓值并網(wǎng)的光伏電站屬于小型范圍；10kV～35kV 的電壓值，為中型電站；超出66kV 電壓值，屬于大型電站?，F(xiàn)如今，光伏電站并網(wǎng)通常是利用中低壓端進(jìn)入，我國配電網(wǎng)下，基本是110kV 的變電站進(jìn)行并網(wǎng)，而且是由10kV 或是35kV 的母線處連接。比如，10kV接入的結(jié)構(gòu)（見圖2），連接處是變電站的母線，每個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)的裝機(jī)容量通常是在1MW～6MW 之間。另外，用戶內(nèi)部電網(wǎng)和公用電網(wǎng)連接，根據(jù)公共連接處是母線還是T 接點(diǎn)，可得到不同的接入系統(tǒng)，該種并網(wǎng)模式，能夠滿足自發(fā)自用的形式，一個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)的裝機(jī)容量通常在300kW～6MW。

3.2 電流保護(hù)

配電網(wǎng)輸電線路一般通過電流、電壓與距離，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)。因?yàn)榉派涫浇Y(jié)構(gòu)屬于單方向流動(dòng)，同時(shí)絕大部分的故障均為瞬時(shí)類，現(xiàn)實(shí)建設(shè)中，為簡化保護(hù)結(jié)構(gòu)，會(huì)選擇電流速斷與過電流搭配的保護(hù)形式，同時(shí)配備三相重合閘。經(jīng)過10kV 饋線并網(wǎng)的光伏電站出現(xiàn)運(yùn)行異常后，并網(wǎng)后的電網(wǎng)的故障電流值與分布狀況均和未并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)有明顯不同。常規(guī)的電網(wǎng)保護(hù)形式，靈敏程度、速度與選擇性方面，均難以完全適應(yīng)復(fù)雜的光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行。在連接的電站和電網(wǎng)實(shí)際容量達(dá)到一定程度后，會(huì)使原本繼電保護(hù)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)被干擾。對(duì)于故障電流來說，光伏電源具有助增和分流的效果，保護(hù)裝置接觸到的電流，或大或小，這會(huì)導(dǎo)致保護(hù)范圍及敏感度持續(xù)變化。而可能出現(xiàn)的情況如下：

其一，在光伏電站并網(wǎng)對(duì)應(yīng)饋線上游處有異常，會(huì)造成饋線保護(hù)出現(xiàn)無動(dòng)作。根據(jù)圖3，假設(shè)光伏電站1 是T 接入并網(wǎng)，K3 有異常，QF2 保護(hù)會(huì)直接得到電站1 輸出的反向故障電流，即Id2。因?yàn)镼F2 位置的保護(hù)沒有配置能夠識(shí)別電流方向的裝置，如果光伏電站1 的實(shí)際容量空間足夠大，則Id2 容易大于對(duì)應(yīng)電流保護(hù)的整定標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)QF2 便會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。通過QF3 的Id1 電流，來源于電網(wǎng)中的電源，和未并網(wǎng)狀態(tài)相同，實(shí)際動(dòng)作不會(huì)被光伏電站干擾。

其二，相鄰線路出現(xiàn)故障，反向電流可能會(huì)造成接入系統(tǒng)中的饋線，做出誤動(dòng)作。在圖3 所示的系統(tǒng)線路中，B 處增加光伏電站2。在相鄰饋線，即AE，有一點(diǎn)K4 有異常，在QF4 位置上的保護(hù)，會(huì)同時(shí)接收系統(tǒng)側(cè)電源以及2 個(gè)光伏電站的故障電源，該電流值超過未并網(wǎng)狀態(tài)下的電流，此時(shí)QF4 位置的保護(hù)敏感程度會(huì)加強(qiáng)。同時(shí)，QF3 位置的保護(hù)，會(huì)得到通過光伏電站1 輸送的反向電流，在兩個(gè)電站容量空間較大的情況下，反向電流容易超出速斷保護(hù)數(shù)值，引發(fā)QF2 或QF3 出現(xiàn)誤動(dòng)作。

其三，光伏電站自身容量差異以及在不同位置出現(xiàn)故障，可能會(huì)使饋線部分保護(hù)效能下降或是拒動(dòng)，同時(shí)也會(huì)有部分效能提高。還是按照圖3 來看，K2 點(diǎn)有故障，根據(jù)選擇性的規(guī)律，應(yīng)當(dāng)是QF2 實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。K2 故障電流來自于系統(tǒng)側(cè)電源與光伏電站1，超過并網(wǎng)前的電流值，并且QF2 只通過系統(tǒng)側(cè)電源得到電流，加之光伏電站1 會(huì)對(duì)其產(chǎn)生分流的效果，導(dǎo)致通過QF2 的電流不多，降低其保護(hù)敏感度，倘若光伏電站1 實(shí)際容量極大，可能直接發(fā)生拒動(dòng)的問題。假設(shè)K1 有異常，QF1 可同時(shí)得到系統(tǒng)側(cè)電源及光伏電站1 輸出的電流，鑒于電站會(huì)起到助增的作用，會(huì)讓QF1的靈敏度提高。

其四，并網(wǎng)之后，部分配電網(wǎng)的電力保護(hù)區(qū)域可能發(fā)生變化。根據(jù)繼電保護(hù)選擇性特征，沒有連接光伏電源的情況下，如果K2 有異常，應(yīng)當(dāng)是QF2負(fù)責(zé)斷開故障，倘若其處于拒動(dòng)狀態(tài)，則需由QF3負(fù)責(zé)。如果配電網(wǎng)中僅有光伏電站2，發(fā)K2 故障后，通過QF2 的電流數(shù)值與光伏電站2 呈正相關(guān)，但QF3 會(huì)由于電站分流，使得經(jīng)過電流值不會(huì)達(dá)到未并網(wǎng)情況下的狀態(tài)。和未并網(wǎng)相較，K2 故障下，QF2 通過電流增大，QF3 則下降，此時(shí)QF2 對(duì)應(yīng)的保護(hù)范圍更大。

其五，只在母線A 處連接光伏電站3，通過A 引出的所有饋線出現(xiàn)故障，光伏電站3 實(shí)際存在的意義均是擴(kuò)大系統(tǒng)容量，這能提高短路電流，增強(qiáng)繼電保護(hù)靈敏度。其六，在光伏電站實(shí)際容量不斷擴(kuò)大中，容易使繼電保護(hù)的選擇性逐漸失效。假設(shè)只在B 處連接光伏電站2，在CD 段的K1 有故障，正常是QF1 實(shí)施保護(hù)。但如果容量達(dá)到一定程度，QF2實(shí)施保護(hù)的區(qū)域可能會(huì)擴(kuò)大至CD 段。此時(shí)，倘若CD 出口有異常，QF1 與QF2 繼電裝置均能有故障電流通過，而且等于或是大于設(shè)置的整定值，二者均會(huì)有所動(dòng)作，此時(shí)不涉及到選擇性的問題。

3.3 自動(dòng)重合閘

自動(dòng)重合閘是在故障引發(fā)跳開后，斷路裝置要根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求直接投入的自動(dòng)化設(shè)備。合理裝配該裝置，提升線路輸電的穩(wěn)定性，減少停電損失，并使線路輸送容量擴(kuò)大。光伏電站并網(wǎng)后，如果由于故障發(fā)生跳閘，會(huì)產(chǎn)生電力孤島，其雖然可以維持電壓及功率處于額定數(shù)值左右的狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，但不利于保障重合閘的穩(wěn)定。

一方面，非同期的合閘。配電網(wǎng)出現(xiàn)孤島時(shí)，從斷路裝置斷開到重合閘動(dòng)作的整個(gè)過程中，系統(tǒng)電源和光伏的電壓相位角不同，在相位角處于一定值后，會(huì)引發(fā)非同期的現(xiàn)象，由此產(chǎn)生極強(qiáng)的電壓及電流。受到?jīng)_擊電力的影響下，保護(hù)裝置容易誤動(dòng)，導(dǎo)致重合閘不具備復(fù)原瞬時(shí)故障點(diǎn)的功能。另外，沖擊電流也容易對(duì)相連的主電網(wǎng)及沒有解列的并網(wǎng)下各類裝置帶來威脅。光伏電站并網(wǎng)后，在其和系統(tǒng)連接線處有異常，導(dǎo)致QF2 跳開，倘若在光伏電站中規(guī)定沒有任何保護(hù)動(dòng)作，而電站依舊和電網(wǎng)連接，在重合閘發(fā)生動(dòng)作后，QF2 合上容易引起非同期合閘，這樣會(huì)到出現(xiàn)二次跳閘，損壞電力系統(tǒng)中以及光伏電站的設(shè)備。另一方面，故障位置的電弧重燃。在配電網(wǎng)沒有系統(tǒng)供電時(shí)，沒有解列的光伏電站會(huì)進(jìn)行供電。通過重合閘中，光伏電站輸送的電流，導(dǎo)致電弧不容易熄滅，形成連續(xù)電弧，使瞬時(shí)故障發(fā)展成永久故障。

3.4 備用電源自投

一般備用電源自投設(shè)備的啟動(dòng)條件是母線電壓下降、進(jìn)線沒有電流。在雙電源的系統(tǒng)中，連接備自投變電站，倘若主線路由于故障發(fā)生跳閘，光伏電站出現(xiàn)的孤島效應(yīng)，讓母線依舊有電壓通過，造成備自投設(shè)備未達(dá)到母線沒有電壓的設(shè)定情況，出現(xiàn)不動(dòng)作及動(dòng)作延遲的情況，讓備用線路開始工作，這會(huì)使對(duì)應(yīng)區(qū)域負(fù)荷出現(xiàn)長時(shí)間無電壓的情況，甚至引發(fā)非同期合閘。

圖3 饋線保護(hù)的誤動(dòng)作

4 結(jié)語

在并網(wǎng)數(shù)量不斷增加中，裝機(jī)容量隨之?dāng)U大，對(duì)配電網(wǎng)既有的繼電保護(hù)有影響。為此，電力公司應(yīng)當(dāng)全面仔細(xì)地研究并網(wǎng)后，繼電保護(hù)的變化，從而制定更加穩(wěn)妥、可靠的措施方案，優(yōu)化光伏發(fā)現(xiàn)的效果，確保電站并網(wǎng)的品質(zhì)，為我國電力項(xiàng)目的平穩(wěn)發(fā)展予以技術(shù)保障。