熊 飛，董蓓蓓，劉艷麗，翟 劍

（國網(wǎng)西安供電公司，西安 710032）

0 引言

新能源因其環(huán)保、可持續(xù)的優(yōu)勢為未來人類社會可持續(xù)發(fā)展提供了新的路徑。據(jù)國家能源發(fā)展規(guī)劃，今后將重點推進(jìn)新能源技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，提高能源的轉(zhuǎn)化和利用效率，推動能源開發(fā)、消費方式轉(zhuǎn)變。我國太陽能資源豐富，年日照時數(shù)大于2000 h的地區(qū)占總面積2/3以上[1]。發(fā)展光伏發(fā)電有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保護環(huán)境。

近年來，城市地區(qū)分布式光伏發(fā)電發(fā)展迅速。西安地區(qū)目前共有并網(wǎng)分布式光伏電站17座，裝機容量達(dá)119.958 MW，占西安地區(qū)裝機總?cè)萘康?6.16%。分布式光伏電站的并網(wǎng)發(fā)電不僅在調(diào)度運行方面積累了大量經(jīng)驗[2-3]，而且為電網(wǎng)規(guī)劃、繼電保護配置、電能質(zhì)量分析等方面提供了重要的數(shù)據(jù)資源。本文在分析分布式光伏接入對配電網(wǎng)繼電保護影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合西安地區(qū)分布式光伏接入設(shè)計要求及運行經(jīng)驗，提出典型配置方案，為后期分布式光伏接入設(shè)計提供借鑒。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)光伏電站裝機規(guī)模、接入電壓等級，國家電網(wǎng)公司將其分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模3 類。3種規(guī)模下的光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本一致，均包含光伏組件、逆變器、變壓器及附屬設(shè)備、配電柜、計量表計、環(huán)境監(jiān)控儀、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 分布式光伏電站對繼電保護的影響

目前，西安地區(qū)10 kV 饋線保護均采用三段式電流保護。當(dāng)分布式光伏電站接入配電網(wǎng)后，輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)將變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)。單個小容量分布式光伏電站對短路電流影響較小，但是在配電網(wǎng)接入容量較大或數(shù)量較多的光伏電站時，故障狀態(tài)下故障電流大小、方向會發(fā)生改變[4]。因此，分布式光伏電站的接入會對系統(tǒng)的安全性和可靠性造成一定影響。

（1）若分布式光伏電站接在保護R 上游（見圖2），故障發(fā)生在保護的下游，由于光伏電站的出力，故障點電流增大，流過保護R的故障電流也增大，導(dǎo)致保護范圍擴大，對于電流速斷保護而言，保護范圍將延伸至相鄰下一級線路，從而失去選擇性。若故障發(fā)生在保護的上游，則光伏電站的接入對故障電流沒有影響。

（2）當(dāng)分布式光伏電站接在保護下游，在接入分布式光伏電站后發(fā)生故障的情況如圖3所示。故障發(fā)生在保護的下游，將產(chǎn)生逆流現(xiàn)象，若光伏電站提供的短路電流使得保護動作，保護將失去選擇性；故障發(fā)生在兩者之間，分布式電源對保護沒有影響；故障發(fā)生在光伏電站下游，光伏電站的分流作用，使得流過保護R的故障電流減小，當(dāng)分流足夠大時，將導(dǎo)致保護的靈敏度和范圍減小。

（3）重合閘可顯著提高供電可靠性。配電網(wǎng)的80%～90%故障是瞬時性的，在輻射式配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，重合閘動作不會對系統(tǒng)造成沖擊或破壞。當(dāng)分布式光伏電站接入配電線路后，如果線路因故障跳閘，分布式光伏電站可能形成孤島運行且不脫網(wǎng)，這將造成非同期重合閘或重合閘失敗、故障點電弧重燃重合器及分?jǐn)嗥?、熔斷器配合不協(xié)調(diào)[5]。

3 分布式光伏電站接入系統(tǒng)后的繼電保護配置

不同的接入系統(tǒng)方式對保護配置的要求有所不同。本文針對西安地區(qū)常見的3 種典型10 kV 接入系統(tǒng)方式，提出相應(yīng)的繼電保護配置方案。

3.1 分布式光伏電站經(jīng)專線接入配電網(wǎng)

光伏電站以一路專線接入變電站10 kV 母線，一次系統(tǒng)接線示意圖如圖4所示。

圖4 光伏電站專線接入一次系統(tǒng)示意圖

3.1.1 線路保護

為快速切除線路故障，光伏電站送出線路兩側(cè)配置光差保護作為主保護，階段式過流保護為后備保護，過流保護均指向線路。如果送出線路為電纜線路，則線路重合閘退出運行；若線路為架空線路，則需在線路兩側(cè)裝設(shè)電壓互感器，以滿足線路重合閘的需要。

3.1.2 防孤島保護

孤島是指電網(wǎng)因故中斷供電時，分布式光伏電站與負(fù)荷形成的一個自供給電力系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏逆變器形成持續(xù)孤島運行的條件有2 個：逆變器系統(tǒng)與電網(wǎng)脫離；逆變器輸出功率與本地負(fù)載匹配。

為了防止孤島效應(yīng)，減少對用戶供電質(zhì)量的影響，光伏電站接入時必須考慮防孤島保護。一般情況下，光伏電站配置的逆變器本身需配置防孤島保護，并要求在2 s內(nèi)切除孤島，發(fā)出警告信息。

為防止逆變器防孤島保護失靈，采用以下措施增強保護：一是在專線兩側(cè)各配置一套故障解列裝置；二是增加聯(lián)跳功能，實現(xiàn)110 kV 線路保護聯(lián)跳光伏進(jìn)線開關(guān)。

3.1.3 主變壓器保護

110 kV變電站主變壓器一般為半絕緣設(shè)計，在主變壓器低壓側(cè)增加光伏電源后，為保證主變壓器絕緣水平，需完善主變壓器中性點保護，以避免在發(fā)生單相接地時，主變壓器中性點絕緣擊穿，損壞變壓器。若主變壓器中性點已裝設(shè)成套保護，則無需新增保護。

3.1.4 備自投裝置

光伏電站接入變電站后，備自投裝置動作時間須避開光伏電站防孤島檢測動作時間。

3.2 分布式光伏電站T形接入配電網(wǎng)

分布式光伏電站通過一回線路T形接入公共電網(wǎng)10 kV 線路。分布式光伏電站T形接入一次系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 分布式光伏電站T形接入一次系統(tǒng)示意圖

在變電站10 kV饋線斷路器處應(yīng)配置三段式過流保護，同時在光伏電站側(cè)也配置三段式過流保護，作為T形線路及光伏電站高壓母線的后備保護。

對于架空線路，變電站側(cè)應(yīng)裝設(shè)線路電壓互感器，采用檢無壓方式重合。線路重合閘時間應(yīng)避開光伏電站防孤島檢測動作時間。

光伏電站的逆變器應(yīng)同時具備主動和被動防孤島保護。為防止逆變器防孤島保護失靈，在光伏電站側(cè)加裝故障解列裝置。主變壓器保護、備自投同專線接入方案。

3.3 分布式光伏電站接入配電室

分布式光伏電站以一回線路接入10 kV 配電室，其一次接入系統(tǒng)示意圖見圖6[6]，若圖中2DL 為熔絲類設(shè)備，應(yīng)更換為斷路器。

圖6 分布式光伏電站接入配電室接入示意圖

為快速切除線路故障，開關(guān)站與變電站聯(lián)絡(luò)線（1DL 與6DL 之間）、光伏送出線路（2DL 與3DL 之間）兩側(cè)配置光差保護作為主保護，階段式過流保護為后備保護，過流保護均指向線路。光伏送出線路應(yīng)采用檢無壓重合方式，線路重合閘時間應(yīng)避開光伏電站防孤島檢測動作時間及故障解列裝置動作時間[7-11]。

光伏電站的逆變器應(yīng)具備主動和被動防孤島保護。為防止逆變器防孤島保護失靈，開關(guān)站與變電站聯(lián)絡(luò)線光差動作時聯(lián)跳2DL。同時可在2DL處增加故障解列裝置。

主變壓器保護配置同專線接入方案。

4 案例分析

西安地區(qū)某9.8 MW 分布式光伏發(fā)電項目在約12 萬平方米的廠房建筑屋頂安裝光伏組件。該項目擬采用265 W 多晶電池組件，裝機容量共計9.841 04 MW，采用1000 kVA、1250 kVA兩種變壓器升壓至10 kV 后送出。送出線路采用400 mm2電纜接入110 kV農(nóng)場變電站，線路長1.5 km。

4.1 保護配置

該項目屬于光伏電站經(jīng)專線接入配電網(wǎng)，其保護配置如圖7所示。

圖7 保護配置圖

4.2 保護定值

光伏線路選配ISA353G 型線路保護裝置，經(jīng)系統(tǒng)計算，保護定值整定如表1所示。

該工程中光差保護為主保護，兩段過流保護作為后備保護，可以滿足保護靈敏度需要；光伏電站側(cè)光伏逆變器防孤島保護時限定值為0.5 s；農(nóng)場變電站側(cè)10 kV備自投裝置自投動作時限為4.5 s。由于110 kV線路聯(lián)切及逆變器防孤島保護，備自投裝置可以避開系統(tǒng)防孤島動作時間。

5 結(jié)語

隨著分布式光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，國家政策的積極扶持，西安地區(qū)光伏電站接入數(shù)量和容量將會逐步增大，對電網(wǎng)運維的影響將越來越深遠(yuǎn)。分析分布式光伏接入對系統(tǒng)繼電保護的影響，研究繼電保護典型配置，不僅有益于積累光伏并網(wǎng)運維管理方面的經(jīng)驗，而且對提高電網(wǎng)企業(yè)新能源消納能力具有十分重要的意義。