并网型光伏发电站中性点接地方式的分析

王 凯

新疆风电工程设计咨询有限责任公司 乌鲁木齐 830063

并网型光伏发电站中性点接地方式的分析

王 凯

新疆风电工程设计咨询有限责任公司 乌鲁木齐 830063

比较了并网型光伏发电站的中性点接地方式，并以某光伏电站为例，计算中性点接地电阻值，为今后工程提供参考。

光伏发电站； 并网； 中性点； 接地

开发利用新能源和可再生能源是解决中国能源和环境问题的重要措施之一，光伏资源是可再生能源的重要组成部分。我国太阳能资源丰富，全国大部分地区年日照时数在 2000h 以上，年辐照量约为 5900MJ/m2，太阳能利用条件良好。太阳能利用的主要方式是太阳能光伏发电，即利用太阳能光伏电池的光伏效应将太阳能转换为电能[1-2]。

随着光伏组件价格的降低，国家对发展清洁能源的重视，并网型光伏发电站的建设取得了快速发展，装机规模也越来越大，由最初的峰值功率1MWp、10MWp级别发展到现阶段的20MWp、30MWp、50MWp、100MWp级别。随着装机规模的扩大，电网对光伏电站中性点接地方式也提出了新的要求。

通过对比电网常用的不同中性点接地方式，提出了大规模并网型光伏电站的中性点接地方式。以某光伏电站为实例，计算中性点接地电阻值，为今后大型并网光伏电站接地电阻值计算提供一定的参考。

1 并网光伏发电系统

光伏发电系统将太阳能转换为电能，根据光伏系统与电网的关系，可以分为独立系统和并网系统。独立于电网的光伏系统，常用在远离电网的偏远地区。并网光伏电站及其接入系统运行特性的研究正逐渐成为光伏发电产业和电力领域共同关心的重要课题之一，在并网系统中，光伏发电系统代替电网给用户提供电力，同时把多余功率馈送回电网。系统需要加入蓄电池，以保证光照不足时能持续提供电能。由于系统受外界因素影响较大，为获得持续的额定输出功率，通常要应用控制器来调节、控制和保护系统。所以，光伏发电系统基本包括光伏电池、变换器、蓄电池和控制器四大部分，如图1所示。变换器将系统所发直流电逆变成正弦交流电，并经过连接装置并入电网。控制器控制系统最大功率点、逆变器输出的电压波形和功率等，一般由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件构成[3-5]。

图1 光伏并网发电系统基本组成框图

2 光伏电站中性点接地方式选择原则

2.1 中性点接地方式介绍

电网系统的中性点即为变压器、发电器形成的星形绕组公共点，中性点接地方式即为中性点和大地之间的连接方式。中性点运行方式一般可分为有效接地和非有效接地两大类。有效接地方式指中性点直接接地和经小电阻接地，非有效接地指不接地或经消弧线圈接地。

2.2 不同中性点接地方式的比较

(1) 中性点不接地。若三相电源电压呈现为对称，则电源中性点的电位表现为零。但由于架空线路三相排列呈现为不对称，并且各相对地电容也表现为不相等，因此电网中性点表现出位移电压， 该值通常不大于电源电压的3%～5%，这给运行带来了较大的影响。

在中性点不接地电网出现单相接地故障的情况下，非故障相的对地电压随之升高为线电压，单相接地电流增大为正常情况时电容电流的3倍左右。

35kV配电网单相接地电流若超过规定值(10A)，易导致不稳定的间歇性接地电弧，出现幅值较高的弧光接地过电压。

(2) 中性点经消弧线圈接地。采用此种接地方式，在出现单相接地故障时，消弧线圈的电感电流会使系统对地电容电流有相应的补偿，使通过故障点的电流变得更小或者接近于零。除此以外，消弧线圈还会使故障相的恢复电压上升速度减缓。

采用中性点经消弧线圈接地，电网在出现故障时仍然能够持续运行一段时间，有利于提高供电可靠性。电网单相接地电流非常小，其对邻近的信号系统及通信电路造成的影响较小，通常情况下， 中性点经消弧线圈接地系统应用补偿方式，脱谐度控制在5%～10%之间。

若线路的不对称度不大，出现断路器非全相动作或出现线路两相、单相断线的情况，在特定条件下容易导致串联谐振，需要避免。

(3) 中性点直接接地。中性点直接接地系统属于较大电流的接地系统，通过接地点的电流较大，可能会烧损电气设备。发生故障后，继电保护会立即动作，使断路器跳闸，消除故障。目前我国110kV 及以上系统大都采用中性点直接接地。

(4) 中性点经电阻接地。中性点经电阻接地， 可简化为继电保护，在检测接地故障线路时非常方便，通常依靠零序电流保护将单相接地故障迅速切除。过电压较低有利于降低绝缘水平，但较大的电流流经故障点，将使接触电压和跨步电压显著升高，对人身及设备造成威胁。因此，为保证供电可靠安全，需要设置自动重合闸，在瞬时性故障时立即恢复供电[6-7]。

2.3 接地方式选择原则

(1) 电气设备和绝缘水平。和配电网中性点接地方式一样， 光伏电站10kV、35kV 交流系统中性点接地方式的选择是一项重大的技术决策，不仅涉及到系统本身的安全可靠性、过电压绝缘水平，而且对通信干扰、人身安全有重要影响。

光伏电站交流系统中电力设备和配电网差异不大，主要为电缆、负载、变压器等。确定中性点接地方式应主要限制系统中可能产生的过电压， 尤其是工频过电压， 以防止发生绝缘击穿或由单相接地发展为多相短路。

对于6kV～10kV架空线路电网而言，运用中性点直接接地方式会使绝缘水平降低，但经济意义并不明显。对于电缆网络而言，若运用中性点有效接地方式， 电缆绝缘水平下降的同时，工程造价会有较为明显的改善[8-10]。

(2) 继电保护工作的可靠性。中性点不接地或经消弧线圈接地时接地保护较为困难，而在中性点有效接地电网中，接地保护相对容易实现。

为充分接收太阳能资源，光伏电站内汇集系统多采用直埋电缆方式，造成光伏电站交流系统中的电力设备耐热能力相对较低， 因此应限制单相接地时的故障电流幅值， 以防止烧损事故。同时， 对发生不可恢复性故障的设备应尽快退出运行， 防止设备损坏或故障扩大。

根据国家标准《GB 50797—2012光伏电站设计规范》，场内电缆汇集线发生单相接地后，若不快速切除，容易演变为三相短路，加剧事故程度，导致并网点电压大幅跌落，使光伏电站低电压穿越失败，进而脱网。根据西北电监办〔2011〕165号文《西北区域并网光伏电站管理暂行规定》要求，光伏电站10kV～35kV馈线发生单相接地故障时，须可靠、快速切除故障。

因此，为提高光伏电站运行水平，光伏电站内汇集线单相接地故障时应具备快速切除能力，建议光伏电站汇集线系统多采用中性点经电阻接地。

3 实例计算分析

3.1 光伏发电站建设方案

某光伏电站计划安装容量(峰值功率)为100MW，全部采用305W多晶硅电池组件，共设100 个1MW子方阵。每500kW太阳能电池经一台一体化500kW逆变器构成一个光伏发电单元，逆变器将直流电转换为0.315kV低压交流电，1台1000kVA 双分裂绕组升压箱式变压器将两个光伏发电单元逆变器输出的交流电升压至35kV。每10 台双分裂变压器在高压侧并联为一个联合进线单元，共计10回电源汇集线，经电缆接入110kV升压站35kV 母线侧，然后再通过1回110kV线路接入公用电网。

逆变器与35kV升压箱式变压器低压侧连接采用3根YJV-3×185mm2并联后的电缆。

35kV集电线路采用直埋电缆敷设，每10回并联为1回，共计10回汇集线路，引入35kV配电室，集电线路采用ZR-YJV22-3×70mm2、R-YJV22-3×95mm2、ZR-YJV22-3×120mm2等型号35kV直埋电缆。

箱式变压器至35kV配电室之间的汇集电缆总长约23.2km。

3.2 中性点经小电阻接地计算

(1) 单相接地电容电流。本工程电缆线路单相接地电容电流为：

Ic=0.1Uel=81.2(A)

式中：Ic为电网电容电流，A；Ue为电网额定线电压，kV；l为线路长度，km。

按经验值，升压站增加的接地电容电流在35kV 电压等级约为13%，即：

IcΣ=Ic(1+13%)=91.7(A)

式中：IcΣ为电网总电容电流，A。

(2) 中性点小电阻计算。在选择中性点接地电阻值时，要保证每条线路的零序保护都有足够的灵敏值。线路的零序保护动作电流按躲过本线路对地电容电流进行整定的，即零序电流保护动作电流为：

Idz=KkIc

(1)

式中：Idz为零序电流保护动作电流，A；Kk为可靠因数。

Kk的大小与保护的动作时间有关，若保护为瞬时动作，则为防止接地电容电流的暂态分量使保护误动作，一般取4～5。

为了保证发生单相接地故障时零序保护能可靠动作，快速切除故障，建议流经接地电阻的最小接地电流取370A。

接地电阻值为：

式中：Rn为接地电阻值，Ω。

本光伏电站110kV升压站35kV侧采用经小电阻接地方式，即主变35kV侧母线规划装设一组接地电阻，接地电阻值选择为55Ω，接地变压器容量选择为750kVA。若选择与所用变压器一体的接地变压器，还需加上所用电负荷容量。

4 结论

笔者对比了不同电网中性点接地方式，根据光伏电站的特点，提出了光伏并网发电系统中性点接地方式的选择原则，并以某峰值功率为100MW的光伏电站为实例，计算中性点接地电阻值，对选择的接地电阻值和接地变压器容量进行分析计算。光伏电站升压变压器中性点采用小电阻接地系统，能够保证发生单相接地故障时迅速切除故障，避免故障范围扩大，保障光伏电站及电力系统稳定、安全运行。

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[3] 赵杰.光伏发电并网系统的相关技术研究[D].天津： 天津大学，2012.

[4] 赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].合肥： 合肥工业大学，2003.

[5] 陆彦青，迟长春，宁建行，等.储能技术在分布式电源配网中的作用[J].上海电气技术，2015，8(3)： 42-47.

[6] 姜茜.太阳能发电的发展与展望[J].东方电机，2002(2)： 183-191.

[7] 王涛.变电站10kV 接地方式的选择[J].自动化应用，2015(2)： 88-89.

[8] 马春兰.大型并网光伏发电系统方案设计探讨[J].水电与新能源，2015(1)： 76-78.

[9] 黎功华，王正华.中型并网光伏电站中性点接地方式的选择[J].低碳世界，2015(25)： 64-65.

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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

王凯(1985— )，女，本科，工程师，主要从事风电、光伏工程设计工作， E-mail： wangkai0991@163.com

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