趙 杰，王 碩，楊玉周，武 劍，宋 靜，于贊梅

（1.國網(wǎng)石家莊供電公司，河北 石家莊 050000；2.河北省送變電公司，河北 石家莊 050000）

并網(wǎng)型光伏電站工作原理及其一二次設(shè)備配置原則

趙 杰1，王 碩1，楊玉周2，武 劍1，宋 靜1，于贊梅1

（1.國網(wǎng)石家莊供電公司，河北 石家莊 050000；2.河北省送變電公司，河北 石家莊 050000）

世界光伏產(chǎn)業(yè)和市場在嚴(yán)峻的能源形勢和人類生態(tài)環(huán)境形勢的壓力下，進(jìn)入到了快速發(fā)展時(shí)期，并網(wǎng)光伏電站逐年增加。以光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，對其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹和分析，并結(jié)合《地區(qū)電源并網(wǎng)工程繼電保護(hù)及安全自動裝置配置規(guī)范》要求對石家莊地區(qū)35 kV并網(wǎng)型光伏電站一二次設(shè)備配置情況進(jìn)行了說明，以其為今后大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電提供參考依據(jù)。

光伏發(fā)電；并網(wǎng)系統(tǒng)；保護(hù)；規(guī)范

分布式電源對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。國家電網(wǎng)公司認(rèn)真貫徹落實(shí)國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，積極支持分布式電源快速發(fā)展，依據(jù)《中華人民共和國電力法》、《中華人民共和國可再生能源法》等法律法規(guī)以及有關(guān)規(guī)程規(guī)定，按照優(yōu)化并網(wǎng)流程、簡化并網(wǎng)手續(xù)、提高服務(wù)效率的原則，積極為分布式電源項(xiàng)目接入電網(wǎng)提供便利條件，為接入系統(tǒng)工程建設(shè)開辟綠色通道。與此同時(shí)，國網(wǎng)河北省電力公司制定了《地區(qū)電源并網(wǎng)工程繼電保護(hù)及安全自動裝置配置規(guī)范》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范河北南部電網(wǎng)分布式電源并網(wǎng)工程中繼電保護(hù)及安全自動裝置配置［1］。

截止到2014年12月底，石家莊地區(qū)共有3座光伏電站并網(wǎng)發(fā)電，其中通過35 kV專線并網(wǎng)2座，10 kV專線并網(wǎng)1座?？?cè)萘繛?1.6 MW。這些光伏電站為石家莊地區(qū)首批投運(yùn)的并網(wǎng)型光伏電站，具有十分重要的研究價(jià)值和實(shí)用意義。這些光伏電站的順利投運(yùn)為石家莊供電公司相關(guān)部門提供了近距離接觸、了解、學(xué)習(xí)光伏發(fā)電的機(jī)會，為優(yōu)化光伏發(fā)電對配電網(wǎng)繼電保護(hù)、配網(wǎng)規(guī)劃、負(fù)荷預(yù)測［2］、電能質(zhì)量分析、并網(wǎng)項(xiàng)目審批流程等方面的問題提供了真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和難得的實(shí)踐機(jī)會，同時(shí)對石家莊調(diào)控中心如何實(shí)現(xiàn)光伏電源并網(wǎng)發(fā)電的優(yōu)化調(diào)度提出了新的問題和考驗(yàn)［3］。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電原理

光伏發(fā)電是一種能將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的新型清潔能源發(fā)電模式，具有綠色、環(huán)保、可再生；儲量巨大、無枯竭；安全、可靠、無污染；資源分布廣泛、普遍等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，光伏發(fā)電具有削峰填谷的正特性，對解決石家莊地區(qū)谷峰差大，大負(fù)荷期間電網(wǎng)調(diào)度裕度不足的問題具有重要意義［4-6］。

圖1為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖，主要包括：光伏電源、直流電容、逆變器、熔斷器、濾波器、升壓變壓器、模擬無窮大系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)光伏電源最大功率跟蹤、并網(wǎng)功率控制等環(huán)節(jié)［7-8］。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖

光伏電源是一種非線性直流電源，其輸出功率能力主要受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度影響。按圖1，通過MATLAB／SIMULINK仿真軟件搭建光伏并網(wǎng)發(fā)電模型，對光伏發(fā)電的特性進(jìn)行仿真研究［5］。

由圖2可知，在相同溫度下，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，光伏電源輸出電流越大、輸出功率也越大，具有正特性。

圖2 溫度相同日照強(qiáng)度不同的仿真曲線（a）——P-U曲線；（b）——I-U曲線

由圖3可知，在相同光照強(qiáng)度下，溫度越大，輸出功率越小，具有負(fù)溫度特性。

圖3 光照強(qiáng)度相同溫度不同的仿真曲線（a）——P-U曲線；（b）——I-U曲線

總體而言，光照強(qiáng)度對光伏發(fā)電的影響較溫度要大得多。光伏發(fā)電最適宜的環(huán)境為光照強(qiáng)度大、環(huán)境溫度低的天氣。

由圖4可知，當(dāng)溫度一定時(shí)，光照強(qiáng)度由1 000 W／m2下降到800 W／m2時(shí)，并網(wǎng)側(cè)A相并網(wǎng)電流能快速、平穩(wěn)跟蹤電網(wǎng)A相電壓的變化。

圖4 并網(wǎng)側(cè)的A相電流和電壓（功率因數(shù)＝1）

2 并網(wǎng)型光伏發(fā)電一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以某35 kV光伏電站為例，其一次接線示意圖如圖5所示。該電站經(jīng)110 kV站主變中壓側(cè)母線直接與系統(tǒng)相連，該光伏電站容量為30 MW，站內(nèi)為35 kV單母接線方式，35 kV并網(wǎng)線1條，2回光伏進(jìn)線，站變兼接地變1臺，SVG型無功補(bǔ)償裝置及其升壓變1臺。多晶硅電池組件98 120塊（峰值功率：245 Wp，峰值電壓：30.8 V，峰值電流：7.96 A），1MW集裝箱式逆變房（包含2臺集中式逆變器，每臺輸出功率0.5 MW，輸入直流電壓450～820 V，輸出交流電壓315 V，最大輸入直流電流1 200A），組串式逆變器335臺（每臺輸出功率28 kW），箱式變壓器S11-1100／35（14臺），S11-500／35（2臺），S11-800／35（1臺），S11-1250／35（6臺）。

光伏電站接線方式主要有：集中式逆變器光伏陣列和組串式逆變器光伏陣列。

2.1 集中式逆變器光伏陣列設(shè)計(jì)

經(jīng)對光伏組件進(jìn)行串、并聯(lián)設(shè)計(jì)，最終確定為22塊多晶硅光伏組件組成1串，12或16路光伏組串經(jīng)光伏專用直流電纜（PV1-F-0.9／1.8-1×4 mm2）接入1臺光伏防雷匯流箱，其系統(tǒng)圖如圖6所示。7～9臺光伏防雷匯流箱經(jīng)直流電纜（ZRCYJV23-0.6／1-2×50／70 mm2）接入1臺直流防雷配電柜（共2臺直流防雷配電柜），每臺直流防雷配電柜接入1臺0.5 MW光伏逆變器（1臺1 MW集裝箱式逆變房由2臺0.5 MW光伏逆變器組成），每臺集裝箱式逆變房通過交流電纜（3×（ZRCYJV23-0.6／1 kV-3×240））接入1臺1 100 kVA升壓變壓器（SF11-1100／35，38.5±2×2.5%／0.315 kV，Y-d11-d11，Uk%＝6.5%），部分參數(shù)由表1所示。

2.2 組串式逆變器光伏陣列設(shè)計(jì)

經(jīng)對光伏組件進(jìn)行串、并聯(lián)設(shè)計(jì)，最終確定為22塊多晶硅光伏組件組成1串，3～5路光伏組串經(jīng)光伏專用直流電纜（PV1-F-0.9／1.8-1×4mm2）接入1臺串式逆變器，6～7臺組串式逆變器經(jīng)交流電纜（3×（ZRC-YJV23-0.6／1 kV-3×16或25））接入1臺交流匯流箱，然后經(jīng)交流電纜（3×（ZRC-YJV23-0.6／1 kV-3×150或185））引至升壓變壓器（S11-1250（800／500）／35，38.5±2×2.5%／0.315 kV，Yd11，Uk%＝6%，接入交流匯流箱的臺數(shù)由升壓變?nèi)萘繘Q定），部分參數(shù)由表2所示。

圖5 光伏電站一次接線示意圖

表1 集中式逆變器光伏陣列設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 組串式逆變器光伏陣列設(shè)計(jì)參數(shù)

圖6 光伏匯流箱系統(tǒng)圖

3 并網(wǎng)型光伏發(fā)電保護(hù)配置原則

根據(jù)《地區(qū)電源并網(wǎng)工程繼電保護(hù)及安全自動裝置配置規(guī)范》要求，為了實(shí)現(xiàn)該光伏電站的投運(yùn)，需要對該光伏電站直接接入的110 kV站相關(guān)保護(hù)及安全自動裝置進(jìn)行完善和升級。主要工作有：在原有110 kV、35 kV備自投裝置中增加跳開工作電源斷路器的同時(shí)，聯(lián)跳經(jīng)失壓母線并網(wǎng)的并網(wǎng)斷路器功能；在原有1號、2號主變間隙保護(hù)中增加一時(shí)限跳并網(wǎng)線斷路器的功能；增加故障解列裝置1臺，具備低頻、低壓、高頻、過壓、失步解列功能。裝置動作時(shí)跳開機(jī)組；增加故障錄波器1臺，記錄故障時(shí)變電站各側(cè)母線電壓，110 kV進(jìn)線間隔、主變間隔、并網(wǎng)線路的交流量和開關(guān)量，相應(yīng)設(shè)備的保護(hù)裝置、各側(cè)備自投裝置、故障解列裝置的開關(guān)量等信息，為故障分析提供可靠數(shù)據(jù)。35 kV直接并網(wǎng)線兩側(cè)應(yīng)配置光纖縱聯(lián)差動保護(hù)為主保護(hù)，方向過流保護(hù)為后備保護(hù)的成套線路保護(hù)裝置。保護(hù)動作時(shí)，作用于并網(wǎng)線兩側(cè)斷路器。110 kV站與并網(wǎng)線相關(guān)的保護(hù)配置如表3所示。

表3 110 kV站保護(hù)配置表

35 kV光伏站內(nèi)配置35 kV母差保護(hù)1套；站內(nèi)進(jìn)線開關(guān)保護(hù)3套三段式過流保護(hù)；主變保護(hù)（接地變、SVG升壓變、光伏電壓升壓變）、逆變器保護(hù)具備過流、過壓、欠壓、過頻、低頻、孤島檢測等功能；增加故障錄波器1臺，記錄光伏電站母線電壓，主變間隔、SVG間隔、進(jìn)線間隔、并網(wǎng)線路的交流量和開關(guān)量等。同時(shí)配置電能質(zhì)量檢測裝置，實(shí)時(shí)檢測記錄電能質(zhì)量。35 kV光伏電站保護(hù)配置如表4所示。

表4 35 kV光伏電站保護(hù)配置表

4 結(jié)束語

光伏發(fā)電對節(jié)能減排、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有重要的意義。本文首先對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，以此為基礎(chǔ)分析光伏發(fā)電的工作原理、工作特點(diǎn)；其次本文依據(jù)《地區(qū)電源并網(wǎng)工程繼電保護(hù)及安全自動裝置配置規(guī)范》，結(jié)合某在運(yùn)的35 kV光伏電站，對并網(wǎng)型光伏電站一二次系統(tǒng)配置進(jìn)行了深入分析和探討，以便為電力工作者提供更加直觀、簡練的光伏發(fā)電及相關(guān)情況參考。

［1］ 地區(qū)電源并網(wǎng)工程繼電保護(hù)及安全自動裝置配置規(guī)范［Z］.國網(wǎng)河北省電力公司，2013.

［2］ 張艷霞，趙 杰.基于反饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏系統(tǒng)發(fā)電功率預(yù)測［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（15）：96-101.

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Working Principle of the Grid?connected Photovoltaic Power Station and Primary and Secondary Device Configuration Principles

ZHAO Jie1，WANG Shuo1，YANG Yu?zhou2，WU Jian1，SONG Jing1，YU Zan?mei1
（1.State Grid Shijiazhuang Power Supply Corporation，Shijiazhuang，Hebei 050000，China；2.Hebei Transmission and Distribution Company，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

The world photovoltaic（PV）industry and market entered a period of fast development under the pressure of severe energy and human ecology environment situation.The grid?connected PV stations increase every year.In this paper，grid?connected PV power generation system is taken as the research object，the working principle is introduced and analyzed，and combined with the configura?tion rules of engineering relay protection and safety automatic device in the power grid to illustrate the primary and second equipment configuration of 35 kV grid?connected PV power station in Shijiazhuang area，which can provide reference basis for future large?scale PV grid power generation.

PV power；Grid?connected system；Protection；Specification

TM615

A

1004-7913（2015）06-0027-04

趙 杰（1983—），男，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)和新能源。

2015-03-30）