新能源发电“自发自用、禁止余电上网”模式下的防逆流安全自动控制装置的应用研究

杨志银

(协鑫能源工程有限公司，苏州 215100)

0 引言

分布式电源[1]是指接入35 kV及以下电压等级电网，位于用户附近，在35 kV及以下电压等级就地消纳为主的电源，包括同步发电机、异步发电机、变流器等类型电源，可为太阳能发电、风力发电、生物质能发电等类型。

近年来，新能源发电发展迅速，尤其是光伏发电越发成熟，而且目前国家电网对于分布式光伏发电采取鼓励和合作的态度。目前我国分布式光伏电站接入电网的模式主要分为“全额上网”“自发自用、余电上网”及“自发自用、禁止余电上网”3种。

1)“全额上网”模式。“全额上网”意味着无论光伏发电系统所在接入点是否可以消纳，其所发电力都会统一输送给电网，并且按照电站所在资源区的固定标杆上网电价结算。该模式发展较为成熟，由于模型简单，电费支付为国家电网和国家可再生能源补贴，因此收益相对稳定，风险较低，是我国分布式光伏电站接入电网的主要方式。但是从2017年12月起，光伏发电标杆上网电价开始大幅降低，已由2013年的最高超过1元/kWh降低至2018年的约0.4元/kWh(全国各类太阳能资源区的标杆上网电价略有不同)，全额上网的分布式光伏电站无法获得预期收益。因此，从2017年之后，“全额上网”模式的分布式光伏发电项目的投资规模大幅降低。

2)“自发自用、余电上网”模式。在该模式下，分布式光伏电站建设时，会优先根据企业用户的用电负荷水平，评估光伏发电的安装潜力，在用户侧配电线路容量满足要求的情况下，尽可能按照消纳能力设计分布式光伏电站中光伏组件的总装机容量。分布式光伏电站发出的电力优先给其所利用屋顶的企业用户消纳，若该用户暂时无法消纳，可将多余电量卖给电网，地方电力公司将按照收购电厂当地的脱硫燃煤标杆上网电价支付给分布式光伏电站的投资商。“自发自用、余电上网”模式的发展也已较为成熟。图1为采用“自发自用、余电上网”模式的屋顶分布式光伏电站的现场照片。

图1 采用“自发自用、余电上网”模式的屋顶分布式光伏电站Fig. 1 “Power generation used by self and residual power connected to power grid”mode of rooftop distributed PV power station

3)“自发自用、禁止余电上网”模式。“自发自用、禁止余电上网”意味着企业用户必须全部消纳该分布式光伏电站所发电量，并且不允许将多余电量上送至公共电网。因此采用该模式时，企业用户需安装防逆功率(防逆流)装置，该装置可在出现逆功率上送时切断分布式光伏电站的并网开关。“自发自用、禁止余电上网”模式受技术条件、业主消纳水平及投资收益比的限制和影响，发展较为缓慢，实际应用项目较少。

2020年2月12日，江苏省镇江市、泰兴市等地区的地方供电公司收到上级通知，根据通知要求，受消纳空间所限，2020年春节过后，江苏省工商业分布式项目(包括低压上网项目)只允许电力自发自用，余电不得上网，并要求安装防逆流装置。事实上，山东省、江苏省、安徽省等华东、华北地区的光伏发电消纳问题在2019年的光伏发电竞价中已经略显疲态，尤其是皖北、苏北等地区；而在2020年的光伏发电竞价中，消纳已经成为最大挑战之一。

本文基于逆功率保护原理，结合自动控制理论，提出了一种新的适用于新能源发电的“自发自用、禁止余电上网”模式下的防逆流安全自动控制装置，实现了防逆功率的自动控制及功率恢复功能。该装置可用于在10 kV、35 kV电压等级侧并网的装机容量为6～30 MWp的“自发自用、禁止余电上网”模式的新能源发电项目(如风力发电项目、光伏发电项目)。本文以光伏发电项目为例进行说明并展开研究。

1 “自发自用、禁止余电上网”模式的介绍

为了更好地理解“自发自用、禁止余电上网”模式，首先需要理解“自发自用、余电上网”模式。

1.1 “自发自用、余电上网”模式

“自发自用、余电上网”模式是指用户优先消纳分布式光伏电站所发电力，未消纳完的剩余光伏电力馈入电网。企业用户在建设分布式光伏电站时，应根据自身负荷消纳水平及企业配电网接入能力设计光伏组件的总装机容量，光伏组件总装机容量应尽可能满足企业用户的消纳水平。“自发自用、余电上网”模式的拓扑图如图2所示。

图2 “自发自用、余电上网”模式的拓扑图Fig. 2 Topological diagram of“power generation used by self and residual power connected to power grid”mode

在“自发自用、余电上网”模式下，由企业用户自身消纳的光伏电量，以节省电费的方式按照当地脱硫燃煤标杆上网电价直接享受电网的销售电价，剩余反送至公共电网的电量单独计量，并以规定的当地标杆上网电价进行单独结算，部分地区还可同时享受光伏发电政策补贴。

1.2 “自发自用、禁止余电上网”模式

相于对“自发自用、余电上网”模式，“自发自用、禁止余电上网”模式就是要求分布式光伏电站所发电量由企业用户全部消纳，禁止将剩余电量馈送至公共电网，同时电网公司要求用户安装防逆流装置[2]，杜绝分布式光伏电站将剩余电量倒送至公共电网。“自发自用、禁止余电上网”模式的拓扑图如图3所示。

图3 “自发自用、禁止余电上网”模式的拓扑图Fig. 3 Topological diagram of“power generation used by self and prohibiting residual power connected to power grid”mode

由于该模式禁止余电上网，因此当企业用户不能全部消纳分布式光伏电力时，分布式光伏电站需要在部分时段停机，但这样做将直接影响分布式光伏电站的投资收益。

2 “自发自用、禁止余电上网”模式的应用场景

根据光伏组件总装机容量的大小，分布式光伏电站分别对应不同的并网电压等级[3]。下文分别按照8～500 kWp、500 kWp～6 MWp、6～30 MWp这3个不同光伏组件装机容量的应用场景进行讨论分析。

2.1 应用场景1

光伏组件装机容量为8～500 kWp的分布式光伏电站可通过逆变器直接在380 V电压侧并网。此类分布式光伏电站多安装于小型工商业屋顶，由于组件总装机容量小，企业用户基本能完全消纳光伏电力，同时市场上也有用于在380 V电压侧并网的防逆流装置，比如华为技术有限公司生产的SmartLogger(下文简称“华为SmartLogger”)，该装置通过监测公共连接点(PCC点)关口表电流方向控制逆变器的启停。通过逆变器直接并网的应用场景拓扑图如图4所示。

图4 通过逆变器直接并网的应用场景拓扑图Fig. 4 Topological diagram of application scenario of direct grid connected through inverter

2.2 应用场景2

光伏组件总装机容量在500 kWp～6 MWp的分布式光伏电站可通过10 kV电压等级接入电网。分布式光伏电站经1条10 kV并网出线接入企业用户10 kV配电系统，若电站出现逆流，将直接切除并网断路器。通过断路器并网的应用场景拓扑图如图5所示。

图5 通过断路器并网的应用场景拓扑图Fig. 5 Topological diagram of application scenario of grid connected through circuit breaker

华为SmartLogger会在检测到逆流时动作，并联动断开并网断路器。此时整个分布式光伏电站退出运行，企业用户将直接损失光伏电力，造成较大的经济损失。

2.3 应用场景3

光伏组件总装机容量在6～30 MWp的光伏电站可通过10 kV、35 kV电压等级接入电网，大部分情况是以多条10 kV汇集线接入新建光伏开关站(10 kV母线)，最终经1条出线并网接入用户高压配电系统。多条光伏汇集线通过并网柜并网的应用场景拓扑图如图6所示。此类光伏电站多用于电力负荷较大的工企、矿企，如屋面资源丰富的大型炼钢厂，靠近荒山、荒地的水泥厂或矿场等。由于这些企业用电负荷较高，配电系统接入容量大，基本24 h运转全年无休；同时，该类企业的生产规模大，具备大型新能源发电(如光伏发电、风力发电)的投资能力。

图6 多条光伏汇集线通过并网柜并网的应用场景拓扑图Fig. 6 Topological diagram of application scenario of several PV collection lines are connected to grid through grid cabinet

由于采用“自发自用、禁止余电上网”模式的项目极少，目前还未有成熟的防逆流实际应用方案。市场上现有的逆功率保护装置大部分用于发电机保护，应用于新能源发电项目的案例较少； 而且如果逆功率保护装置跳闸出口，直接跳开光伏电站并网线路[4]，光伏电站将直接退出运行，不利于提高企业用户的新能源发电消纳水平。

下面为应用场景3的一个项目实例，说明防逆流安全自动控制装置有实际的应用需求，存在研究的必要性。

1)工程背景：为发展新能源，促进江苏省光伏发电应用，常州台鑫新能源科技有限公司在常州市经济开发区启动了“常州台鑫新能源科技有限公司建设中天钢铁集团有限公司屋顶一期5.643 MW、二期5.2206 MW光伏电站项目”，拟利用中天钢铁集团有限公司南厂区屋顶建设分布式光伏电站，且该项目已获常州经济开发区管理委员会投资项目备案证。

2)接入系统方案：该项目的接入系统方案由国网常州供电公司评审，在评审意见的第2章节“一次接入系统方案”第3条提出：“本工程所发电量全部自用，用户应采取措施，保证光伏发电量全部在内部消纳，不得上送电网。”

3 防逆流安全自动控制装置

现有的“自发自用、禁止余电上网”模式的项目大部分都是采用逆功率控制柜，其通过监测产权分界点功率的实际值，与设定的整定控制功率临界定值进行比较，从而调节逆变器的功率输出或切断分布式光伏发电系统。但这一方案只适用于单体装机容量在500 kWp以下的分布式光伏发电项目，且逆功率控制柜与逆变器之间采用RS485通信，整个光伏发电系统对通信的依赖太高，通信中断后逆功率控制柜会直接切断光伏发电系统，造成光伏电力的浪费。

虽然逆功率保护装置[5]可达到防逆流的目的，但常规的逆功率保护装置主要是用于发电机，该装置的保护原理简单，出口单一，且不具备功率恢复功能；若将其应用于新能源发电项目，当出现逆功率时保护装置动作出口，直接断开并网点开关，将降低用户的新能源消纳水平。因此，本文提出了一种新的适用于新能源发电“自发自用、禁止余电上网”模式的防逆流安全自动控制装置，并已成功申请相关专利。

3.1 装置的基本原理

防逆流安全自动控制装置在逆功率保护的基础上增加了自动控制功能，且配置有多组跳闸出口及合闸出口。该装置的基本原理为：监测产权分界点的电压和电流，通过逻辑控制跳合闸出口实时投退新能源发电单元汇集线(下文简称“汇集线”)、并网出线，达到控制产权分界点的功率方向及提高新能源发电消纳水平的目的。典型的接入系统主接线图如图7所示。

图7 典型的接入系统主接线图Fig. 7 Typical main wiring diagram of access system

防逆流安全自动控制装置通过检测产权分界点实时正向功率P(电网系统指向用户为正向)，将P与控制功率定值Pk进行比较。

1)当P≥Pk时，进入投入汇集线判据，若所有汇集线已处于投入运行状态，则执行结束；若有未投入的汇集线，则比较差值ΔP与未投入的汇集线中第i条汇集线的额定功率定值Pi的大小，Pi为装置设定的每条汇集线的额定功率定值，i为编号。

ΔP的公式为：

若ΔP>Pi(若多条汇集线处于分位，ΔP优先与较大的额定功率定值Pi进行比较)，则执行“合第i条汇集线开关”的操作；反之，执行“结束”。

2)当P

式中，∑Pi为已投入的汇集线的额定功率定值的和；Ps为实时处于合位的理论最大发电量与1个可自行设置的常数之和；Pt为可自行设置的常数。

若ΔP′

防逆流安全自动控制装置的控制逻辑流程图如图8所示。

图8 防逆流安全自动控制装置的控制逻辑流程图Fig. 8 Control logic flow of anti-reflux safety automatic control device

3.2 装置的硬件组成

防逆流安全自动控制装置主要由电源板(开入板)、交流板、CPU板、出口板几个部分组成。

1)电源板(开入板)：包含装置电源及遥信电源，负责为装置供电及提供遥信回路电源，设计多组遥信开入点用于采集汇集线开关状态，以及普通遥信开入。

2)交流板：用于采集产权分界点的电压和电流，供CPU板计算分析实时正向功率P，用于逻辑执行。

3) CPU板：该装置的中央处理系统，用于信号分析、数据计算、逻辑执行。

4)出口板：出口板配置有7组合闸出口、8组跳闸出口，用于执行CPU板发出的指令，投入或退出汇集线及跳开并网出线开关，可根据项目实际需求灵活配置出口板数量。

防逆流安全自动控制装置的背板接线图如图9所示。

图9 防逆流安全自动控制装置的背板接线图Fig. 9 Backplane wiring diagram of anti-reflux safety automatic control device

4 防逆流安全自动控制装置的优势

1)与现有的防逆流装置相比，本文提出的防逆流安全自动控制装置在应用上更加广泛，可替代传统方案。传统的防逆流方案是通过通信方式调节逆变器的功率输出，对通信的依赖性较高，且只适用于单体装机容量在500 kWp以下的小型光伏发电项目；本文提出的防逆流安全自动控制装置可用于单体装机容量在6～30 MWp的“自发自用、禁止余电上网”模式的大中型新能源发电项目，具有较大的实际应用空间。

2)相比于传统的逆功率保护装置，本文提出的防逆流安全自动控制装置具备逆功率跳闸的功能，同时可实时监测产权分界点实时功率的大小及方向，逻辑控制汇集线的退出与投入，通过调节产权分界点实时正向功率的大小，以达到防逆流、提高新能源发电消纳水平的目的。

3)防逆流安全自动控制装置的工作原理逻辑可靠，硬件结构简单，实际应用时的接线原理清晰，符合国家电网对继电保护和安全自动装置在可靠性、灵敏性、选择性、速动性[6]这4个方面的基本要求。

5 结论

本文提出了一种新的适用于新能源发电“自发自用、禁止余电上网”模式的防逆流安全自动控制装置。该装置硬件结构简单，实际应用时的接线原理清晰；与现有的防逆流装置相比，该装置的应用场景更加广泛，可应用于单体装机容量在6～30 MWp的“自发自用、禁止余电上网”模式的大中型新能源发电项目；该装置具备逆功率跳闸的功能，同时可实时监测产权分界点实时功率的大小及方向。