分布式光伏发电的继电保护策略

张戈

摘 要：基于分布式光伏发电系统的案例，阐述光伏系统接入对配网继电保护的影响，孤岛效应对配电网的影响，分布式光伏电源的配电网保护不正确动作的解决对策。

关键词：光伏发电;孤岛效应;继电保护

引言

本文结合光伏发电的现状，分析了大规模光伏发电接入配电网对继电保护的影响因素，探讨分布式光伏发电的配电网继电保护措施。

1 分布式光伏发电概述

1.1 分布式光伏发电的定义

分布式光伏发电是采用光伏组件将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。在用户场地附近建设，运行方式以用户侧自发自用、多余电量上网，在配电系统平衡调节为特征的光伏发电设施。分布式光伏发电遵循因地制宜、清洁高效、分散布局、就近利用的原则，充分利用当地太阳能资源，替代和减少能源消费。

1.2 分布式光伏发电特征

分布式光伏发电可以抗污染，能够在一定程度上缓解用电紧张的状况。但由于其能量密度相对较低，每平方米分布式光伏发电系统的功率仅为100瓦，再加上适合安装光伏组件的建筑屋顶面积有限，不能从根本上解决用电紧张的问题;另外，分布式光伏发电可以发电用电并存。大型地面电站发电是升压接入输电网，仅作为发电电站而运行;而分布式光伏发电接入配电网，具有发电用电并存的特点。

2 光伏发电的案例

某地区常年日照数2431.4h，太阳能资源丰富且稳定，优越的光照条件适合大规模地建设光伏发电项目。光伏发电主要采用光伏并网发电的形式，可以分成集中式与分布式光伏发电。集中式并网系统是将光伏发电站产生的电能输送到电网的统一供电系统;分布式并网是指在靠近负荷供电的配置较小的光伏发电系统，可直接分配到负载上，再通过电网进行余电调节以及电力不足时的电力供应。

3 光伏系统接入对配网继电保护的影响

该地区已建成的配电网大部分是单一辐射状供电结构，其潮流从电源到负荷单向流动，自变电站出线以后逐级配送到主干线、支路、公用变压器及专用变压器。其继电保护的配置，也呈成放射状，自变电站10kV出线开始，到主干线上联络断路器、支路断路器、配电站所及专用变压器进线断路器，实行逐级配置、上下配合的方案，以达到减少停电范围、准确定位故障点的目的。

大规模光伏发电系统接入电网后，电网结构将由单一的辐射状结构转变为多电源结构，系统潮流流向发生大幅度变化，电网的潮流分布点也随着光伏发电投入的容量、位置的不同而发生改变，进而导致原有的继电保护设备受到影响当电网发生故障时，短路电流方向和大小的变化不仅会引起孤岛运行，而且会引起继电保护装置的误动作，如保护灵敏度降低、距离保护失灵、重合闸重合失败等。随着光伏并网容量的增加，传统的继电保护配置方案已不适用，这些问题将变得较为严重。

对三段式电流保护的影响。该地区大部分配电网都广泛使用三段式电流保护，当光伏发电接入后将使配电网结构变得更复杂，对三段式电流保护的影响最大。具体影响主要有以下三点：（1）影响保护的灵敏性。接入光伏系统前，如果配电网发生故障，只有电网输送短路电流，仅需要对系统自身的电流进行处理即可实现保护作用。但是接入光伏系统之后， 如光伏并网点下游的线路发生故障时，光伏电源还会额外提供短路电流。原有的继电保护設备仅能够感应到系统所提供的电流，而光伏电站的短路电流无法进行感知，所以降低了保护装置的灵敏性。（2）影响保护准确性。当电网发生故障时，光伏电源将在很大程度上增加下游保护的短路电流，导致线路保护灵敏度降低，进而造成保护装置误动或拒动。（3）影响相邻线路动作。线路发生故障后，因故障点具有绝缘效果，随着光伏电源的接入，流向相邻线路的电流也会相应增加，进而扩大了保护范围，使得相邻的线路受到影响。接入位置对继电保护的影响。光伏电源在始端接入。光伏电源的供电将大大增加短路点下游保护的故障电流，其增大的电流易造成继电保护误动。光伏电源在中段接入。当并网点介于保护设备和短路点之间时，光伏电源会减少流过保护的短路电流，容易造成保护拒动。光伏电源在末端接入。光伏电源接入对故障点上游处没有影响，但会在故障点的下游产生孤岛效应。

4 孤岛效应对配电网的影响

孤岛效应是指含分布式电源的配电网中，电网侧故障或停电检修时， 分布式电源未及时断开与电网的连接，分布式电源会持续向周围供电，从而形成了一个自给的供电孤岛。孤岛对电网带来的影响主要有以下几个方面：（1）孤岛系统的电压和频率不稳定，会损坏用户端的设备;（2）孤岛系统重新接入电网时，可能造成非同步并网，对电网和设备产生电流冲击;（3）会威胁人身安全，当电网停电时，电网维护人员和用户能不知道孤岛系统在继续送电。

5 分布式光伏电源的配电网保护的措施

分布式光伏电源的配电网保护不正确动作的解决对策。（1）基于方向元件的继电保护改进策略。一般配网线路采用的是三段式电流保护，不需要设置方向元件就可以有效地保护线路全长，然而光伏电源的接入，使系统潮流结构发生改变。故加装功率方向元件来判别故障方向成为目前主流方案。然而受逆变器的影响，电网侧和光伏电源侧的保护安装点电流与电压相位差有明显不同，传统方向元件可能会产生误判。当光伏系统采用非低电压穿越控制时，电网侧和光伏侧保护方向元件的动作判据分别为和-75° ≤ ɑ≤ 100°和-80° ≤ ɑ≤ 105°;光伏系统采用低电压穿越控制时， 电网侧和光伏侧保护方向元件的动作判据分别为和-75° ≤ ɑ≤ 170°和-10°≤ ɑ≤ 105°（ɑ为正序电流和保护安装点电压和的向量夹角）。按照整定原则，方向元件能判断正确的故障方向，保护可以正确动作。（2）自适应电流保护改进方案。该方案通过功率方向元件首先判别故障方向，再根据短路电流零序、负序分量确定故障类别从而选择相应整定值，最后根据保护的电流和电压信息与相应的整定值比较来决定是否动作。该方案的整定值可根据光伏电源的不同接入容量和位置进行实时改变，避免了因光伏电源接入导致的继电保护误动与拒动，但此方案需对系统实时数据同步采样，信息量大，对于配网自动化程度要求高，经济性较低。（3）基于通信原理的电流保护改进方案。相对于自适应保护，从经济性角度考虑，对配电网保护进行升级改造更能适应该地区当前配电网发展现状，提出一种基于通信原理的电流保护改进方案，该方案依据纵联保护的思想，引入对端互发信号在纵联保护中的作用，通过电气量的方向性来断是否区内外故障，通过助单侧通信设备的传输准确排除故障线路。该方法需要为线路两端装设通信设备，但避免了线路两端都需要安装互感器导致的成本增加。（4）防孤岛保护措施。随着光伏发电技术的成熟，越来越多的光伏发电接入电网，大规模分布式发电造成的孤岛问题日益突出。为此，许多学者提出了基于孤岛运行方案的微电网概念，微电网是指由分布式电源、负荷、储能、控制装置、保护装置等组成的电力系统。微电网可根据光伏并网的容量及当地负荷来确定计划性孤岛区域，在电网停电的情况下根据预定的控制策略形成有计划的孤岛运行，并通过相应的技术手段维持微电网电能质量的稳定，向周围负荷可靠供电。

6 结束语

目前，微电网的应用还有许多问题需要解决，其中计划性孤岛需要先选择好与电力系统的解列点，当发生故障时能使微电网内部基本功率平衡，而电力系统的实际运行情况有较多的不确定性，给微电网的规划带来较大难度。

参考文献：

[1]张惠智.逆变型分布式电源接入配电网的故障分析及保护原理的研究[D].天津：天津大学，2015.

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