一个光伏电站二次跳闸回路的优化

章文浦，刘志强

（中国电建集团江西省电力建设有限公司，江西 南昌 330001）

0 引言

某光伏电站10 kV母线设计的是单母分段的接线方式，但只设计了一组电压互感器，由于采用的是一次仓的安装布置模式，一次仓内没有多余的空间加装一组电压互感器，重新订制一次仓就要额外增加成本，工期上也有影响。文中阐述的就是通过采取优化二次回路跳闸逻辑的方式，解决了只设计了一组母线电压互感器的失误，并在不增加投资并确保安全运行的基础上，提高电站发电出力[1]。

1 某光伏电站概况

该光伏电站是一个渔光互补的光伏电站，工程总装机容量为20.072 8 MW，选用315 W多晶硅组件10 080块，325 W多晶硅组件36 640块，330 W多晶硅组件15 120块，选用某公司组串型逆变器，每1.5 MW为一个单元，每单元21台逆变器，采用分块发电、集中并网方案，光伏组件输出的直流电，先经过逆变器转换成交流电，21台逆变器输出的交流电汇集到一个汇流箱，汇流箱汇流后接入箱变的低压侧，经箱变升压至10 kV，一台箱变所带的所有设备称为一个发电单元，共有14个发电单元。由于湖面的不规则性，光伏组件场分为两大片，一片有9个发电单元，共12.625 MW，9个发电单元并联后通过集电线Ⅰ接入变电站内的一次仓配电装置的10 kV母线Ⅰ，另一片为5个发电单元，共7.375 MW，5个发电单元并联后通过集电线Ⅱ接入变电站内的一次仓配电装置的10 kV母线Ⅱ，共有两回集电线路。

一次仓内配电装置的10 kV母线采用的是单母分段的接线方式，集电线Ⅰ和集电线Ⅱ分别接入10 kV配电装置的Ⅰ段和Ⅱ段。变电站没有设计主变压器，只是通过10 kV外线Ⅰ和外线Ⅱ接入15 km外的对侧变电站，单回外送线路最大输送功率为14 MW。对侧变电站是一个建成比较久的110 kV变电站，其10 kV配电装置的备用间隔有限，从本站接入到对侧变电站的外线Ⅰ和外线Ⅱ接在对侧变电站的同一段10 kV母线上。

本侧10 kV配电装置设计的是单母分段的接线方式，但只是在10 kVⅡ段上设计了一组母线电压互感器，10 kVⅠ段上没有设计母线电压互感器。

本站10 kV系统一次接线图如图1。

图1 10 kV一次系统图

2 原设计存在的问题和现状

从10 kV系统一次接线图上可以看出，正常的运行方式是：外线Ⅰ、外线Ⅱ并列运行，集电线Ⅰ、集电线Ⅱ分别接入一次仓10 kV配电装置的Ⅰ段和Ⅱ段运行。当集电线Ⅰ故障时，跳集电线Ⅰ10 kV侧断路器（901）；当集电线Ⅱ故障时，跳集电线Ⅱ10 kV侧断路器（903）；当外线Ⅰ故障时，跳外线Ⅰ对侧断路器和本侧10 kV断路器（902）；当外线Ⅱ故障时，跳外线Ⅱ对侧断路器和本侧10 kV断路器（904）。

通过分析本站的外线和集电线的负荷情况及本站10 kV母线只有一组电压互感器的“硬伤”问题，发现本站设计存在一些问题。

2.1 10 kVⅠ段没有设计电压互感器

本侧10 kV配电装置设计的是单母分段的接线方式，但只是在10 kVⅡ段上设计了一组母线电压互感器，10 kVⅠ段上没有设计母线电压互感器，当10 kV分段断路器（931）在分闸状态时，就导致了10 kVⅠ段上的集电线Ⅰ和外线Ⅰ的保护装置无母线电压可取，保护功能无法实现。

2.2 两回外线不能分列运行

由于外线Ⅰ和外线Ⅱ接到对侧变电站的同一段10 kV母线上，故正常工况下外线Ⅰ和外线Ⅱ需要并列运行。

2.3 单回外线不能输送全站最大负荷

由于单回外线的输送最大负荷只有14 MW，而全站最大负荷为20 MW，当任意一回外线出现故障的情况下，保护跳开故障外线两侧断路器，此时未发生故障的另一回外线将出现过载现象，发电负荷高的情况下将使得过流保护动作，跳开本回外线，从而导致全站停运。

2.4 两回集电线发电负荷偏差很大

由于湖面的不规则的特殊地形，光伏组件安装一片多，另一片少，整个场区通过两回集电线输送至10 kV一次仓。一回集电线有9个发电单元，总容量12.625 MW，另一回集电线只有5个发电单元，总容量为7.375 MW，相差较大。

3 改进、优化方案

针对上述存在的问题，最简单直接的解决方法应该是在10 kVⅠ段母线上增加一组母线电压互感器，但本站的一次仓早已经到货并且安装完成，仓内已经没有空间增加一组母线电压互感器，除非重新订制一套一次仓，那样将增加很多成本，工期上也不允许，显然这个方法不可取。通过分析整个系统的结构，提出了如下的改进和优化方案[2]。

3.1 10 kVⅠ段二次电压解决方案

将本站10 kV由设计的单母分段形式当成单母线来运行，将10 kVⅡ段母线电压互感器的二次电压经过分段断路器（931）的辅助接点切换后接入10 kVⅠ段上的各保护装置，为保护装置提供母线电压，确保保护装置能正确判断故障信息，正确、可靠地动作，当10 kV分段断路器（931）跳闸时10 kVⅠ段上的各保护装置采样的母线电压同时切断，确保保护装置采样信息准确。分段断路器（931）在某回外线或某回集电线故障的情况下均不跳闸，只有在10 kVⅠ段母线故障时才跳闸，通过修改跳闸逻辑来实现各种工况下的正常运行。

工况一：在正常运行的情况下，出现外线Ⅰ故障时，外线Ⅰ两侧保护装置动作，跳开对侧变电站线路Ⅰ断路器，跳开本侧出线Ⅰ断路器（902），由本侧出线Ⅰ断路器（902）的辅助常闭触点联跳本侧10 kVⅠ段集电线断路器（901），即集电线Ⅰ不发电，而集电线Ⅱ通过外线Ⅱ继续发电；

工况二：在正常运行的情况下，出现外线Ⅱ故障时，外线Ⅱ两侧保护装置动作，跳开对侧变电站线路Ⅱ断路器，跳开本侧出线Ⅱ断路器（904），由本侧出线Ⅱ断路器（904）的辅助常闭触点联跳本侧10 kVⅡ段集电线断路器（903），即集电线Ⅱ不发电，而集电线Ⅰ通过外线Ⅰ继续发电；

工况三：在正常运行的情况下，出现本侧10 kV母线Ⅰ段故障时，母线保护动作，跳开分段断路器（931）、外线Ⅰ断路器（902）、集电线V断路器（901），由于母线电压互感器是设计在10 kVⅡ段上，集电线Ⅱ和外线Ⅱ的保护装置采集的母线电压是正常的，集电线Ⅱ通过外线Ⅱ仍能继续发电；

工况四：在正常运行的情况下，出现本侧10 kV母线Ⅱ段故障时，母线保护动作，由于只有故障段上才有母线电压互感器，故障发生后，所有保护装置采集的母线电压都为零，故跳闸逻辑选择为全停，即：跳开外线Ⅰ断路器（902）、集电线Ⅰ断路器（901）、外线Ⅱ断路器（904）、集电线Ⅱ断路器（903），全站不发电；

工况五：任一回集电线故障，直接跳开本集电线的10 kV断路器就可以了，另一回集电线正常发电。

3.2 减少发电量损失的优化方案

由于本站单回外送线路容量的限制，使得在任意一回外线故障时不能满足20 MW的全容量发电，需要跳开一回集电线，否则外线就过载了。从原设计的图上看，当外线Ⅰ故障时跳开集电线Ⅰ断路器（901），外线Ⅱ故障时跳开集电线Ⅱ断路器（903），正常的设计思路都是这样的。但考虑到本光伏站的特殊性，集电线Ⅰ和集电线Ⅱ所带的光伏组件容量是不同的，分别是12.625 MW和7.375 MW，那么针对上述的工况一和工况二，提出了优化方案，即：在两回集电线都能够正常运行的情况下，当任意一回外线发生故障跳闸时，都选择性地只联跳集电线Ⅱ的10 kV断路器（903），而不选择跳集电线Ⅰ的10 kV断路器（901），也就是只解列7.375 MW的光伏组件容量，保证容量更大的集电线Ⅰ可以继续发电，从而使任意一回外线故障的情况下发电量的损失能够减小到最低水平。具体如下：

工况一：在正常运行的情况下，出现外线Ⅰ故障时，外线Ⅰ两侧保护装置动作，跳开对侧变电站线路Ⅰ断路器，跳开本侧出线Ⅰ断路器（902），由本侧出线Ⅰ断路器（902）的辅助常闭触点联跳本侧10 kVⅡ段集电线断路器（903），即集电线Ⅱ不发电，而集电线Ⅰ通过外线Ⅱ继续发电；

工况二：跳闸逻辑不变。即：在正常运行的情况下，出现外线Ⅱ故障时，外线Ⅱ两侧保护装置动作，跳开对侧变电站线路Ⅱ断路器，跳开本侧出线Ⅱ断路器（904），由本侧出线Ⅱ断路器（904）的辅助常闭触点联跳本侧10 kVⅡ段集电线断路器（903），即集电线Ⅱ不发电，而集电线Ⅰ通过外线Ⅰ继续发电。

在完成了上述的优化后，还需要考虑一种特殊工况，如果集电线Ⅰ已经在停电检修状态下，恰巧又发生了一回外线故障，因为此时集电线Ⅰ已经在不发电的状态，外线Ⅱ不会发生过载现象，这种情况发生时，为了不损失发电量，集电线Ⅱ不应该被联跳。为了解决这个问题，在集电线Ⅱ的联跳回路里串入了一付集电线Ⅰ10 kV断路器（901）的常开接点，当集电线Ⅰ的10 kV断路器（901）在合闸状态时，常开接点闭合，发生任意外线故障时，集电线Ⅱ的联跳回路贯通，跳开集电线Ⅱ的10 kV断路器（903）；当集电线Ⅰ的10 kV断路器（901）在跳闸状态时，常开接点打开，发生任意一回外线故障时，集电线Ⅱ的联跳回路不通，集电线Ⅱ的10 kV断路器（903）不会跳闸，集电线Ⅱ仍可正常发电。

优化后集电线Ⅱ的跳闸回路如图2。

图2 集电线Ⅱ断路器（903）跳闸回路图

4 优化后的效果

这样的设计改进和优化，有效解决了原设计的不足，并且在不同故障情况发生时，能使发电量的损失减小到最低。今年7月份，外线Ⅰ在电缆上杆塔的地方发生了跌落保险接触不良烧毁引发的接地事故，触发外线Ⅰ的保护动作，保护正确动作，跳开了外线Ⅰ的10 kV断路器（902）和对侧10 kV断路器，同时联跳集电线Ⅱ10 kV断路器（903），集电线Ⅰ和外线Ⅱ正常运行。事故处理耗时2天，按当时日发电量满发为10 kWh计算，优化前的电量损失为12.625 kWh，优化后电量损失为7.375 kWh，少损失了5.25 kWh，本站的上网电价为0.9元/kWh，直接计算就可以算出这两天的检修时间里少损失了4.725万元。

5 结语

文中针对该光伏电站的特殊情况，在不增加设备的情况上，采取修改跳闸逻辑和跳闸方式，在二次回路上进行了一些小的修改，简单易行，既满足了电网的运行方式，又不影响保护的正常动作，还解决了原来设计的不足，并且优化了发电模式，在发生故障的情况下，减少了发电量的损失，提高了光伏电站的发电收益，此方式可在同类型光伏电站中推广。