【摘要】分布式電源作為一種高效、可靠、經(jīng)濟的發(fā)電方式，近年來得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。分布式電源的配電網(wǎng)其結(jié)構(gòu)為單電源、放射狀，配電網(wǎng)的繼電保護是以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計運行的。本文以分布式電源經(jīng)逆變并網(wǎng)為研究對象，介紹對分布式電源的接入使配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化以及對配電網(wǎng)繼電保護裝置的應(yīng)用進行分析。

【關(guān)鍵詞】分布式電源 并網(wǎng)保護 逆變器并網(wǎng) 保護邏輯

【中圖分類號】TM77 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0228-03

分布式電源接入電網(wǎng)可能對原有的電網(wǎng)繼電保護產(chǎn)生影響。各個分布式電源的進線斷路器連接并網(wǎng)保護起著關(guān)鍵的作用。同時需要考慮到各個變電站的運行方式可靠性和安全性。多數(shù)的分布式電源的配電網(wǎng)其結(jié)構(gòu)較為簡單，配電網(wǎng)的繼電保護是以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計運行的。需要特別著重研究針對故障情況下分布式電源進線的保護配置，包括負(fù)荷側(cè)使用過程中的故障及上級配電網(wǎng)可能發(fā)生的失電情況等。對分布式電源的接入使配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)變化情況下保證電網(wǎng)運行的安全性。本文針對配電網(wǎng)原有保護的不足，研究了分布式電源的并網(wǎng)保護問題，分析了其并網(wǎng)保護的一些應(yīng)用性問題，包括孤島檢測與孤島運行，并給出了并網(wǎng)保護的功能要求及配置。

1.分布式電源

分布式電源（Distributed Generation，DG）是指直接布置在配電網(wǎng)或分布在負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施，經(jīng)濟、高效、可靠地發(fā)電。分布式電源（Distributed Generating Source，DGS）包括功率較小內(nèi)燃機（Internal Combustion Engines）、微型燃?xì)廨啓C（Micro-turbines）、燃料電池（Fuel Cell）、可再生能源如太陽能發(fā)電的光伏電池（Photovoltaic Cell）和風(fēng)力發(fā)電、生物發(fā)電等。

作為一種高效、環(huán)保、便捷的新型發(fā)電技術(shù)，分布式電源在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展。近年來，受石油價格上漲和全球氣候變化的影響，可再生能源開發(fā)利用日益受到國際社會的重視，許多國家紛紛出臺政策和法規(guī)促進可再生能源技術(shù)的發(fā)展。

2.DG并網(wǎng)保護功能配置

2.1并網(wǎng)系統(tǒng)的保護配置要求

并網(wǎng)功能首先是保證主電網(wǎng)免受DG 的故障影響；其次是保證DG設(shè)備免受市電電網(wǎng)故障后的影響。為了保證并網(wǎng)系統(tǒng)的安全性、可靠性，并網(wǎng)保護需要有以下的要求：

1）DG側(cè)斷路器裝置應(yīng)裝設(shè)過/低電壓保護、高/低頻率保護，且保證在電網(wǎng)側(cè)故障情況下跳閘，使DG能夠被可靠地快速切除。

2）DG和相關(guān)斷路器裝置不允許形成意外運行情況下的孤島狀態(tài)。

3）在故障恢復(fù)后，電網(wǎng)的電壓和頻率須在滿足穩(wěn)定要求時才允許DG重新并網(wǎng)。

4）并網(wǎng)聯(lián)接的斷路器和其它開關(guān)裝置必須能夠開斷最大故障電流。

2.2 并網(wǎng)保護功能實現(xiàn)

1）檢測DG孤島運行狀態(tài)

孤島的發(fā)生首先可能引起運行電壓的瞬間降低。瞬時低電壓保護繼電器可以反應(yīng)電壓的這一變化并將DG快速切除。一般為了快速地隔離故障，需要將繼電器的靈敏度設(shè)置得很高，不過這樣可能造成繼電器易受到干擾，使保護誤動的概率增加。因此，低電壓保護啟動需要設(shè)定延時啟動，時延設(shè)置不可過長，否則可能在惡意孤島發(fā)生時由于不能及時切除DG導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞，使電氣設(shè)備受損。另外，當(dāng)電網(wǎng)輕載時，會引起的過電壓情況，同樣需配置過電壓保護繼電器，延時啟動。

當(dāng)檢測到DG的孤島運行狀態(tài)后，應(yīng)保證快速地切除DG，使電網(wǎng)故障及時地隔離。DG的切除時間，應(yīng)該根據(jù)電網(wǎng)的實際情況而定。通常使用低頻率保護時，要求DG的切除要早于故障后斷路器的再重合，避免非同期合閘。該配置的缺點是如果系統(tǒng)發(fā)生振蕩，DG可能會無法繼續(xù)向電網(wǎng)供電。但是隨著DG 的快速發(fā)展，DG 在電網(wǎng)中所占的容量比例逐漸增大，這是這種保護配置就會對電網(wǎng)的供電可靠性有較大影響。這樣可以對DG的切除設(shè)置一定的延時啟動時間，以保證供電可靠性，同時對重合閘配備非同期檢查，防止非同期合閘。

在孤島發(fā)生時，如果DG提供的有功功率不足，孤島運行的頻率就會下降，同時有功負(fù)荷過小，過頻率的情況會發(fā)生。因此，配置高/低頻率繼電器也是實現(xiàn)孤島檢測的要求之一。根據(jù)用電負(fù)荷運行要求，±5%頻率變化的極限范圍，頻率繼電器需要在最短的時間內(nèi)將DG從電網(wǎng)中隔離。

同時，電壓、頻率是電能質(zhì)量的基本要求，也是孤島檢測最基本的依據(jù)，實現(xiàn)孤島檢測功能需要配置基本的過/低電壓繼電器、高/低頻率繼電器。

2）保護配置的故障反饋檢測

電網(wǎng)上游接地故障發(fā)生時，原有的保護可能無法識別并隔離故障，此時DG將持續(xù)提供短路電流，這就會危害設(shè)備并且危及到工作人員的人身安全，而且DG的容量越大，造成的情況會更加嚴(yán)重。因此，并網(wǎng)保護必須及時切除此類故障。

故障反饋檢測功能是檢測過電流，實現(xiàn)此功能的繼電器包括過電流繼電器、方向過電流繼電器、阻抗繼電器。過電流繼電器不分辨流過繼電器的故障電流方向，只要出現(xiàn)DG提供過電流的情況均產(chǎn)生保護動作。為了提高保護靈敏度，也可以考慮使用電壓控制啟動的過電流保護動作來實現(xiàn)故障反饋檢測功能。方向過電流繼電器主要是考慮到為了在故障發(fā)生后保持DG繼續(xù)向本地的部分負(fù)荷供電。

并網(wǎng)變壓器的故障反饋檢測與其聯(lián)接形式有關(guān)，并網(wǎng)變壓器一次繞組不接地可能會導(dǎo)致過電壓的問題，因此對低壓側(cè)Y 或△接法的變壓器，采用過電壓保護檢測接地故障，對低壓側(cè)Y接法中性點直接接地的變壓器，采用過電流保護實現(xiàn)故障反饋檢測功能。

3）三相不平衡的檢測

電網(wǎng)中的不平衡電流會增加線路及變壓器的銅損，增加變壓器的鐵損，降低變壓器的輸出功率，甚至?xí)绊懽儔浩鞯陌踩\行，會造成三相電壓不平衡因而降低了供電質(zhì)量，甚至可能影響電能表的精度而造成計量錯誤。針對可能存在的不平衡狀態(tài)，需配置負(fù)序過電流保護繼電器和負(fù)序過電壓保護繼電器。

4）反向功率檢測

部分并網(wǎng)要求中嚴(yán)格限制DG 向市電電網(wǎng)負(fù)荷供電。孤島形成后，DG 將向孤島內(nèi)的負(fù)荷供電，包括本地負(fù)荷和部分電網(wǎng)負(fù)荷。當(dāng)DG 向電網(wǎng)負(fù)荷提供的反向功率越界時，功率方向繼電器動作，使該部分負(fù)荷從孤島中切除。功率方向保護可以實現(xiàn)檢測反向功率的功能。

5）故障排除后并網(wǎng)

故障排除后恢復(fù)供電時，DG應(yīng)能夠重新并網(wǎng)。配電網(wǎng)的故障中永久性故障不到10%，因此廣泛應(yīng)用自動重合閘提高供電可靠性。但在孤島發(fā)生后，重合閘重合期間，孤島與主電網(wǎng)可能已經(jīng)不再是同步運行，此時非同期合閘將給電網(wǎng)和DG造成很大的沖擊和破壞，因此需要設(shè)置同期檢查繼電器，用于DG并網(wǎng)的同期檢查。同期檢查因素包括相角差（ Δθ ）、滑差（ Δ？覣 ）、電壓幅值差（ ΔV）。

總結(jié)以上分析，并網(wǎng)保護需要考慮表1中的保護配置。在實際的并網(wǎng)保護中還需要考慮到DG 的容量、位置和DG 的類型對并網(wǎng)保護配置的影響。

分析了并網(wǎng)變壓器的聯(lián)接形式對并網(wǎng)保護的影響，介紹了DG 并網(wǎng)的孤島問題及孤島檢測方法，通過對并網(wǎng)保護功能的分析給出了DG 并網(wǎng)保護的功能配置。

3.光伏逆變器并網(wǎng)運行

市電電網(wǎng)可視為容量無窮大的定值交流電壓源，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出可以控制為電壓源或電流源。如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實際上就是兩個交流電壓源的并聯(lián)運行，即通過光伏電池匯集電能至逆變器，然后經(jīng)過升壓變壓器并網(wǎng)，通過調(diào)整并網(wǎng)逆變器輸出電壓的幅值與相位來保證與市電電網(wǎng)的同步。這種情況下要保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3.1逆變并網(wǎng)的國際通用標(biāo)準(zhǔn)

孤島檢測的最直接的方式是針對電網(wǎng)的檢測。通常在電網(wǎng)的配電斷路器分閘時，若光伏逆變并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的供電容量和電網(wǎng)負(fù)荷的需求量不匹配，那么電網(wǎng)的電壓和頻率會發(fā)生較大的波動，此時可以利用電網(wǎng)電壓的過/欠電壓保護和過/欠頻率保護來檢測電網(wǎng)是否斷電，以此防止孤島現(xiàn)象的發(fā)生。但是當(dāng)光伏逆變并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的供電容量和電網(wǎng)負(fù)荷所需求量匹配或差距非常小的時候，電網(wǎng)的配電斷路器分閘后，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)附近電網(wǎng)的電壓和頻率的變動將不能夠被保護電路檢測到，而發(fā)生孤島現(xiàn)象。

根據(jù)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std.2000-929和ULl74的規(guī)定，所有的并網(wǎng)逆變器必須具有反孤島效應(yīng)的功能，同時這兩個標(biāo)準(zhǔn)給出了并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電后檢測到孤島現(xiàn)象并將逆變器與電網(wǎng)斷開的時間限制，見表2：

4.繼電保護配置

4.1分布式電源并網(wǎng)保護功能的要求

具體配置繼電保護裝置需要滿足相應(yīng)功能，并可以實時監(jiān)測相應(yīng)物理量，且具備記錄或者上傳功能。現(xiàn)以GE F650數(shù)字間隔控制器保護配置應(yīng)用為例，以滿足電源進線的保護配置。并對其具體保護功能運用進行配置。

該綜合保護裝置既可以作為配電饋線及傳輸線路的主保護，也可作為變壓器、母線、電容器組等的后備保護。

F650 裝置的主要功能包含：

1）相間、中性點、接地及靈敏接地的方向過流保護

2）欠壓及過壓保護

3）欠頻及過頻保護

4）自動重合閘

5）同期

6）測量

7）錄波記錄、故障報告、數(shù)據(jù)記錄

8）間隔控制（斷開/閉合等命令）

9）通訊（RS232 / RS485 / 光纖 / 以太網(wǎng)）

測量：測量相、接地及靈敏接地輸入的電流；相間及相對地電壓；有功無功及視在功率及功率因數(shù)；頻率；電路、電壓的相序分量、輸入/輸出：

1）9個模擬量輸入：5個電流輸入（3個相電流，1個接地電流，1個靈敏接地電流），4個電壓輸入（3個相電壓，1個母線或者輔助電壓）

2）數(shù)字可編程接點輸入（32個）

3）數(shù)字可編程接點輸出（16個）

4）32個鎖定的虛擬輸入，32個自復(fù)位

5）虛擬輸出（512個）

6）跳閘及合閘回路監(jiān)視

根據(jù)以上內(nèi)容，該數(shù)字式間隔控制器可以滿足分布式電源進線斷路器的保護功能配置。

4.2 繼電保護應(yīng)用與分析

現(xiàn)以一戶內(nèi)變電站為例，主接線形式為單母線分段，該電氣主接線方式比較簡單，且運用范圍較廣，具有一定代表性。該變電站供電運行方式為雙電源分段運行，以其中某一段母線后備電源進線為分布式電源進線（光伏逆變后升壓），根據(jù)其供電運行方式進行繼電保護配置設(shè)計；分布式電源進線的繼電保護設(shè)置其保護邏輯設(shè)置如圖1所示。

根據(jù)變電站運行操作規(guī)程，在保護功能配置的要求下增加就地操作和遠(yuǎn)動操作的功能。

基本要求為故障狀態(tài)下禁止人員對進線斷路器進行操作，就地與遠(yuǎn)方操作只可取其一。為保證在可能的孤島效應(yīng)發(fā)生的情況下，不產(chǎn)生故障擴大化的情況，要求進線電纜或者母線電壓檢測滿足失壓條件進行斷路器動作，同時也兼顧雙電源的互為備用切換功能。滿足正常使用的倒閘操作要求，對斷路器進行分合閘操作。

對于不直接設(shè)置為保護動作的功率方向（32FP）、過頻率/欠頻率（81O/81U）等可以作為事件記錄保存，或者通過通訊輸出，傳至遠(yuǎn)方操作人員或者相關(guān)工作人員掌握和記錄其設(shè)備運行狀態(tài)和情況。其控制邏輯如圖2所示。

5.結(jié)語

配電網(wǎng)繼電保護的工作原理和配電網(wǎng)的饋線自動化方案保證分布式電源接入后的安全性和可靠性。配電網(wǎng)主要采用速斷和過電流兩種保護方式，速斷保護保護線路的全長，過流保護作為線路的后備保護，同時還配置零序保護。分析了DG經(jīng)過逆變器并網(wǎng)保護功能的要求及實現(xiàn)方法。對于今后分布式電源接入配電網(wǎng)的發(fā)展，各類型的繼電保護配置還需進一步綜合使用經(jīng)驗。深入完善各類型分布式電源及其保護裝置運用。

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