熊 飛,董蓓蓓,劉艷麗,翟 劍
(國網(wǎng)西安供電公司,西安 710032)
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。
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
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]。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。