王 凱

新疆風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司 烏魯木齊 830063

并網(wǎng)型光伏發(fā)電站中性點(diǎn)接地方式的分析

王 凱

新疆風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司 烏魯木齊 830063

比較了并網(wǎng)型光伏發(fā)電站的中性點(diǎn)接地方式，并以某光伏電站為例，計算中性點(diǎn)接地電阻值，為今后工程提供參考。

光伏發(fā)電站； 并網(wǎng)； 中性點(diǎn)； 接地

開發(fā)利用新能源和可再生能源是解決中國能源和環(huán)境問題的重要措施之一，光伏資源是可再生能源的重要組成部分。我國太陽能資源豐富，全國大部分地區(qū)年日照時數(shù)在 2000h 以上，年輻照量約為 5900MJ/m2，太陽能利用條件良好。太陽能利用的主要方式是太陽能光伏發(fā)電，即利用太陽能光伏電池的光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能[1-2]。

隨著光伏組件價格的降低，國家對發(fā)展清潔能源的重視，并網(wǎng)型光伏發(fā)電站的建設(shè)取得了快速發(fā)展，裝機(jī)規(guī)模也越來越大，由最初的峰值功率1MWp、10MWp級別發(fā)展到現(xiàn)階段的20MWp、30MWp、50MWp、100MWp級別。隨著裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，電網(wǎng)對光伏電站中性點(diǎn)接地方式也提出了新的要求。

通過對比電網(wǎng)常用的不同中性點(diǎn)接地方式，提出了大規(guī)模并網(wǎng)型光伏電站的中性點(diǎn)接地方式。以某光伏電站為實(shí)例，計算中性點(diǎn)接地電阻值，為今后大型并網(wǎng)光伏電站接地電阻值計算提供一定的參考。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，根據(jù)光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的關(guān)系，可以分為獨(dú)立系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)。獨(dú)立于電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)，常用在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。并網(wǎng)光伏電站及其接入系統(tǒng)運(yùn)行特性的研究正逐漸成為光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和電力領(lǐng)域共同關(guān)心的重要課題之一，在并網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)代替電網(wǎng)給用戶提供電力，同時把多余功率饋送回電網(wǎng)。系統(tǒng)需要加入蓄電池，以保證光照不足時能持續(xù)提供電能。由于系統(tǒng)受外界因素影響較大，為獲得持續(xù)的額定輸出功率，通常要應(yīng)用控制器來調(diào)節(jié)、控制和保護(hù)系統(tǒng)。所以，光伏發(fā)電系統(tǒng)基本包括光伏電池、變換器、蓄電池和控制器四大部分，如圖1所示。變換器將系統(tǒng)所發(fā)直流電逆變成正弦交流電，并經(jīng)過連接裝置并入電網(wǎng)。控制器控制系統(tǒng)最大功率點(diǎn)、逆變器輸出的電壓波形和功率等，一般由單片機(jī)或數(shù)字信號處理芯片作為核心器件構(gòu)成[3-5]。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)基本組成框圖

2 光伏電站中性點(diǎn)接地方式選擇原則

2.1 中性點(diǎn)接地方式介紹

電網(wǎng)系統(tǒng)的中性點(diǎn)即為變壓器、發(fā)電器形成的星形繞組公共點(diǎn)，中性點(diǎn)接地方式即為中性點(diǎn)和大地之間的連接方式。中性點(diǎn)運(yùn)行方式一般可分為有效接地和非有效接地兩大類。有效接地方式指中性點(diǎn)直接接地和經(jīng)小電阻接地，非有效接地指不接地或經(jīng)消弧線圈接地。

2.2 不同中性點(diǎn)接地方式的比較

(1) 中性點(diǎn)不接地。若三相電源電壓呈現(xiàn)為對稱，則電源中性點(diǎn)的電位表現(xiàn)為零。但由于架空線路三相排列呈現(xiàn)為不對稱，并且各相對地電容也表現(xiàn)為不相等，因此電網(wǎng)中性點(diǎn)表現(xiàn)出位移電壓， 該值通常不大于電源電壓的3%～5%，這給運(yùn)行帶來了較大的影響。

在中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障的情況下，非故障相的對地電壓隨之升高為線電壓，單相接地電流增大為正常情況時電容電流的3倍左右。

35kV配電網(wǎng)單相接地電流若超過規(guī)定值(10A)，易導(dǎo)致不穩(wěn)定的間歇性接地電弧，出現(xiàn)幅值較高的弧光接地過電壓。

(2) 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。采用此種接地方式，在出現(xiàn)單相接地故障時，消弧線圈的電感電流會使系統(tǒng)對地電容電流有相應(yīng)的補(bǔ)償，使通過故障點(diǎn)的電流變得更小或者接近于零。除此以外，消弧線圈還會使故障相的恢復(fù)電壓上升速度減緩。

采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，電網(wǎng)在出現(xiàn)故障時仍然能夠持續(xù)運(yùn)行一段時間，有利于提高供電可靠性。電網(wǎng)單相接地電流非常小，其對鄰近的信號系統(tǒng)及通信電路造成的影響較小，通常情況下， 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)應(yīng)用補(bǔ)償方式，脫諧度控制在5%～10%之間。

若線路的不對稱度不大，出現(xiàn)斷路器非全相動作或出現(xiàn)線路兩相、單相斷線的情況，在特定條件下容易導(dǎo)致串聯(lián)諧振，需要避免。

(3) 中性點(diǎn)直接接地。中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)屬于較大電流的接地系統(tǒng)，通過接地點(diǎn)的電流較大，可能會燒損電氣設(shè)備。發(fā)生故障后，繼電保護(hù)會立即動作，使斷路器跳閘，消除故障。目前我國110kV 及以上系統(tǒng)大都采用中性點(diǎn)直接接地。

(4) 中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地。中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地， 可簡化為繼電保護(hù)，在檢測接地故障線路時非常方便，通常依靠零序電流保護(hù)將單相接地故障迅速切除。過電壓較低有利于降低絕緣水平，但較大的電流流經(jīng)故障點(diǎn)，將使接觸電壓和跨步電壓顯著升高，對人身及設(shè)備造成威脅。因此，為保證供電可靠安全，需要設(shè)置自動重合閘，在瞬時性故障時立即恢復(fù)供電[6-7]。

2.3 接地方式選擇原則

(1) 電氣設(shè)備和絕緣水平。和配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式一樣， 光伏電站10kV、35kV 交流系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇是一項(xiàng)重大的技術(shù)決策，不僅涉及到系統(tǒng)本身的安全可靠性、過電壓絕緣水平，而且對通信干擾、人身安全有重要影響。

光伏電站交流系統(tǒng)中電力設(shè)備和配電網(wǎng)差異不大，主要為電纜、負(fù)載、變壓器等。確定中性點(diǎn)接地方式應(yīng)主要限制系統(tǒng)中可能產(chǎn)生的過電壓， 尤其是工頻過電壓， 以防止發(fā)生絕緣擊穿或由單相接地發(fā)展為多相短路。

對于6kV～10kV架空線路電網(wǎng)而言，運(yùn)用中性點(diǎn)直接接地方式會使絕緣水平降低，但經(jīng)濟(jì)意義并不明顯。對于電纜網(wǎng)絡(luò)而言，若運(yùn)用中性點(diǎn)有效接地方式， 電纜絕緣水平下降的同時，工程造價會有較為明顯的改善[8-10]。

(2) 繼電保護(hù)工作的可靠性。中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地時接地保護(hù)較為困難，而在中性點(diǎn)有效接地電網(wǎng)中，接地保護(hù)相對容易實(shí)現(xiàn)。

為充分接收太陽能資源，光伏電站內(nèi)匯集系統(tǒng)多采用直埋電纜方式，造成光伏電站交流系統(tǒng)中的電力設(shè)備耐熱能力相對較低， 因此應(yīng)限制單相接地時的故障電流幅值， 以防止燒損事故。同時， 對發(fā)生不可恢復(fù)性故障的設(shè)備應(yīng)盡快退出運(yùn)行， 防止設(shè)備損壞或故障擴(kuò)大。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 50797—2012光伏電站設(shè)計規(guī)范》，場內(nèi)電纜匯集線發(fā)生單相接地后，若不快速切除，容易演變?yōu)槿喽搪?，加劇事故程度，?dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓大幅跌落，使光伏電站低電壓穿越失敗，進(jìn)而脫網(wǎng)。根據(jù)西北電監(jiān)辦〔2011〕165號文《西北區(qū)域并網(wǎng)光伏電站管理暫行規(guī)定》要求，光伏電站10kV～35kV饋線發(fā)生單相接地故障時，須可靠、快速切除故障。

因此，為提高光伏電站運(yùn)行水平，光伏電站內(nèi)匯集線單相接地故障時應(yīng)具備快速切除能力，建議光伏電站匯集線系統(tǒng)多采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地。

3 實(shí)例計算分析

3.1 光伏發(fā)電站建設(shè)方案

某光伏電站計劃安裝容量(峰值功率)為100MW，全部采用305W多晶硅電池組件，共設(shè)100 個1MW子方陣。每500kW太陽能電池經(jīng)一臺一體化500kW逆變器構(gòu)成一個光伏發(fā)電單元，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為0.315kV低壓交流電，1臺1000kVA 雙分裂繞組升壓箱式變壓器將兩個光伏發(fā)電單元逆變器輸出的交流電升壓至35kV。每10 臺雙分裂變壓器在高壓側(cè)并聯(lián)為一個聯(lián)合進(jìn)線單元，共計10回電源匯集線，經(jīng)電纜接入110kV升壓站35kV 母線側(cè)，然后再通過1回110kV線路接入公用電網(wǎng)。

逆變器與35kV升壓箱式變壓器低壓側(cè)連接采用3根YJV-3×185mm2并聯(lián)后的電纜。

35kV集電線路采用直埋電纜敷設(shè)，每10回并聯(lián)為1回，共計10回匯集線路，引入35kV配電室，集電線路采用ZR-YJV22-3×70mm2、R-YJV22-3×95mm2、ZR-YJV22-3×120mm2等型號35kV直埋電纜。

箱式變壓器至35kV配電室之間的匯集電纜總長約23.2km。

3.2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地計算

(1) 單相接地電容電流。本工程電纜線路單相接地電容電流為：

Ic=0.1Uel=81.2(A)

式中：Ic為電網(wǎng)電容電流，A；Ue為電網(wǎng)額定線電壓，kV；l為線路長度，km。

按經(jīng)驗(yàn)值，升壓站增加的接地電容電流在35kV 電壓等級約為13%，即：

IcΣ=Ic(1+13%)=91.7(A)

式中：IcΣ為電網(wǎng)總電容電流，A。

(2) 中性點(diǎn)小電阻計算。在選擇中性點(diǎn)接地電阻值時，要保證每條線路的零序保護(hù)都有足夠的靈敏值。線路的零序保護(hù)動作電流按躲過本線路對地電容電流進(jìn)行整定的，即零序電流保護(hù)動作電流為：

Idz=KkIc

(1)

式中：Idz為零序電流保護(hù)動作電流，A；Kk為可靠因數(shù)。

Kk的大小與保護(hù)的動作時間有關(guān)，若保護(hù)為瞬時動作，則為防止接地電容電流的暫態(tài)分量使保護(hù)誤動作，一般取4～5。

為了保證發(fā)生單相接地故障時零序保護(hù)能可靠動作，快速切除故障，建議流經(jīng)接地電阻的最小接地電流取370A。

接地電阻值為：

式中：Rn為接地電阻值，Ω。

本光伏電站110kV升壓站35kV側(cè)采用經(jīng)小電阻接地方式，即主變35kV側(cè)母線規(guī)劃裝設(shè)一組接地電阻，接地電阻值選擇為55Ω，接地變壓器容量選擇為750kVA。若選擇與所用變壓器一體的接地變壓器，還需加上所用電負(fù)荷容量。

4 結(jié)論

筆者對比了不同電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式，根據(jù)光伏電站的特點(diǎn)，提出了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇原則，并以某峰值功率為100MW的光伏電站為實(shí)例，計算中性點(diǎn)接地電阻值，對選擇的接地電阻值和接地變壓器容量進(jìn)行分析計算。光伏電站升壓變壓器中性點(diǎn)采用小電阻接地系統(tǒng)，能夠保證發(fā)生單相接地故障時迅速切除故障，避免故障范圍擴(kuò)大，保障光伏電站及電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

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Compared the neutral point grounding modes applied to grid-connected PV power station and Took a PV power station as an example to calculate the ohmic value of the neutral point grounding that might provide a reference for future engineering projects.

PV Power Station； Grid-Connected； Neutral Point； Grounding

2016年3月

王凱(1985— )，女，本科，工程師，主要從事風(fēng)電、光伏工程設(shè)計工作， E-mail： wangkai0991@163.com

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