太阳能分布式光伏电站接入配电网继电保护配置研究

河南中原金太阳技术有限公司 程传新

1 引言

随着全球能源需求的增加和环境污染日益加剧，太阳能作为清洁、可再生的能源形式受到广泛的关注和应用。太阳能分布式光伏电站作为重要的太阳能利用方式，已经逐渐成为未来能源发展的趋势。然而在太阳能分布式光伏电站接入配电网过程中，由于运行特点不同，可能会出现一些电网故障，如过电压、欠电压、短路等，对电网的安全稳定造成威胁。因此，如何对太阳能分布式光伏电站进行继电保护的配置，成为当前亟待解决的问题[1]。

2 分布式光伏电站并网对配电网继电保护的影响

2.1 太阳能分布式光伏电站概述

太阳能分布式光伏电站是指将多个小型光伏电站分布式地建设在电网用户侧的乡村、城市、工厂等地方，将分散的光伏发电资源集成到电网中，实现分布式发电。与传统的大型中心化光伏电站相比，具有许多优势[2]。

一是降低输电损耗。太阳能分布式光伏电站建设在电网用户侧，与用电负荷相近，避免了远距离输电带来的损耗，提高了发电效率。

二是减少土地占用。太阳能分布式光伏电站建设在建筑物、工厂、商场等建筑群中，充分利用已有的空间，减少了土地占用，避免了因为建设光伏电站而进行土地征用的问题。

三是增强电网稳定性。太阳能分布式光伏电站分散建设在用户侧，能够有效平衡电网负荷，减少电网的负荷压力，提高电网稳定性。

四是降低环保成本。太阳能分布式光伏电站能够减少化石能源的使用，降低环境污染，同时也降低了环保成本。

2.2 分布式光伏电站并网对配电网继电保护的影响

太阳能分布式光伏电站虽然具有诸多优势，但是在使用过程中也有许多技术难题需要解决。以接近负荷的方式向配电网输送电能对三段式电流保护、自动重合闸和熔断器保护都会产生一定的影响[3]。

2.2.1 影响三段式电流保护

三段式电流保护主要是针对中低压配电网的保护措施，基本原理为在配电线路的起点、中段和终点分别设立断路器或负载开关，通过测量不同位置的电流、电压变化，实现对故障电流的精确定位和及时切除，保证电网的稳定运行。随着太阳能分布式光伏电站的接入，这种传统的保护机制存在的问题如下。

一是不稳定的电压和电流造成保护误动，增加误报率。由于太阳能分布式光伏电站的发电量受天气等自然条件的影响较大，产生的电压和电流会有一定的波动，这会导致传统的电流保护系统产生误动，错误地切除正常的负载电流，从而造成供电中断或安全事故。

二是电流反演导致保护失效，增加电网风险。在太阳能分布式光伏电站的接入中，发电装置通常是通过逆变器将直流电转换为交流电后再接入配电网。由于逆变器会对电网产生一定的影响，在某些情况下，可能会出现“电流反演”的问题，即逆变器输出的电流方向与负载侧电流方向相反，造成传统电流保护系统无法有效检测到故障电流，从而导致保护失效。

2.2.2 影响自动重合闸

太阳能分布式光伏电站接入配电网后，由于其电流方向和电压波动等因素，可能会对自动重合闸产生影响，影响电网的供电能力。

一是电流方向变化。在传统的电网中，电流的流向是单向的，即从发电站到用户，但是太阳能分布式光伏电站接入电网后，电流的流向会发生变化，可能会向电站内部或者其他分布式电源流动。这种电流的变化可能会使得自动重合闸不能正常地工作，从而影响电网的供电能力。

二是电压波动。光伏电站接入电网后，由于光照等因素的影响，可能会引起电压的波动。这种电压波动可能会对电网中的自动重合闸装置产生影响，使其失去了灵敏度，不能及时地检测到故障，并进行隔离和恢复操作，从而影响电网的供电能力。

2.2.3 影响熔断器保护

一是熔断器额定电流不匹配。太阳能分布式光伏电站接入电网后，由于光照等因素的影响，可能会引起电压的波动和电流的变化。这种电流的变化可能会使得熔断器的额定电流不匹配，从而导致熔断器无法正常地保护电路，损坏电设备，甚至引起火灾等危险情况。

二是熔断器故障检测不及时。太阳能分布式光伏电站接入电网后，电流的变化可能会对熔断器的故障检测产生影响，使得熔断器不能及时地检测到故障，并进行隔离和恢复操作，从而影响电网的供电能力，甚至导致设备损坏和人身伤亡等危险情况。

3 分布式光伏电站并网接入方式

太阳能分布式光伏电站通常采用并网接入方式，将发电的直流电转化为交流电，并通过并网点接入电网。常见的接入方式包括单相并网接入、三相并网接入以及逆变器并网接入等三种。

3.1 单相并网接入

单相并网接入的原理是将发电的单相交流电与电网单相交流电并联，通过电网点接入电网。单相并网接入的优点是结构简单、安装方便、成本低廉，适用于小型分布式光伏电站，如家庭、企业等小规模场所。但由于单相电力的特性，容易出现电压波动、谐波扰动等问题，不适用于大规模分布式光伏电站。

单相并网接入的技术方案主要包括串联式和并联式两种，将太阳能电池板串联或并联连接成一个大电池组，通过逆变器将直流电转换为交流电，并与电网单相交流电串联或并联连接。

两种接入方式都需要保证电池板的电压和电流在一定范围内，避免电池板之间的电压失衡和电流不一致。串联式单相并网接入的特点是结构简单、易于安装和维护，并联式单相并网接入的特点是电池板之间的电压和电流均衡，能够充分利用太阳能电池板的发电能力。

3.2 三相并网接入

三相并网接入是太阳能分布式光伏电站中常用的一种接入方式。三相并网接入将发电的三相交流电与电网三相交流电并联接入电网。其原理是将发电的三相交流电与电网三相交流电并联，通过电网点接入电网。三相并网接入的优点是电力稳定、谐波小、传输距离远等，适用于大规模分布式光伏电站。但由于三相电力的特性，其结构复杂、安装和维护难度较大。

直接并网。逆变器直接与电网相连，并通过电网保护装置进行保护。这种方式结构简单，但是需要逆变器具备一定的功率调节功能，以适应电网负载变化。

集中式控制。通过集中式控制器对光伏电站的功率输出进行调节，以满足电网负载需求。这种方式可以更好地实现分配和调度，但是需要额外的控制系统和通信设备，增加了成本和复杂度。

3.3 逆变器并网接入

逆变器并网接入是将太阳能电池板发出的直流电转化为交流电，再通过并联接入电网。其原理是将太阳能光伏发电系统中逆变器输出的交流电与电网交流电并联连接，将太阳能发电系统中的电能注入电网。逆变器并网接入的优点是光伏发电系统的安装和维护较为简单，且能够充分利用太阳能电池板的发电能力。逆变器并网接入的技术方案主要包括单相和三相两种。单相逆变器并网接入的特点是适用范围窄，但结构简单、易于安装和维护，成本较低。三相逆变器并网接入的特点是适用范围广，能够充分利用太阳能电池板的发电能力，但结构复杂、安装和维护难度较大。

4 分布式光伏电站并网方式及其继电保护设置

在太阳能分布式光伏电站并网时，必须进行相应的保护配置和并网断路器保护，以保证系统的安全稳定运行。具体的保护配置需要根据系统的具体情况来决定，并且应定期检查和维护，以确保系统的正常运行。

分布式光伏电站接入配电网时，需要进行相应的继电保护配置，以保证电网的安全稳定运行。具体的继电保护配置需要根据电站和电网的具体情况进行选择和设置，并且需要定期检查和维护，以确保系统的正常运行。系统侧的保护和并网断路器保护是两个重要继电保护配置。

4.1 系统侧的保护配置

系统侧的保护配置是指在光伏电站接入配电网时，针对配电网侧的电力系统进行的保护配置。其目的是确保电力系统的安全运行，防止因光伏电站接入而引起的故障和事故。

4.1.1 根据电压等级进行分段保护

在系统侧的保护配置中，需要对110kV 电压进行分段保护，以母线段为单位进行设置。这样能够涵盖高频、低频、高压和低压灯保护设施，并且包括光伏电站连接线断路器，从而保证电力系统的完整性和稳定性。

4.1.2 针对连接线路进行过电流保护

在配电网10kV 光伏电站连接线路中，需要设置过电流保护设施。这是因为过电流是光伏电站接入配电网时常见的故障类型之一，需要进行有效的保护。同时，还需要能够进行方向元件投退和方向闭锁，以防止反方向故障的发生。

4.1.3 保证三相一次重合闸功能的正常发挥

系统侧的保护配置中，需要确保三相一次重合闸能够正常发挥作用，并且在时间方面与光伏电站切除所需的最长时间保持一致。此外还需要具备无压检测和同期功能，以避免非同期合闸带来的危害。

4.1.4 根据地区规定配置断路器

针对节点位置，需要根据地区的相关规定采用合适的方式配置断路器。这需要先调查分布式光伏电站的容量，然后才能进行专门配置。对于断路器的保护，应采用常规的线路，并且需要对线路进行无压检测，以确保电力系统的安全运行。

4.2 并网断路器保护

并网断路器保护是指在光伏电站与配电网连接时，在并网断路器处设置的保护措施，其目的是确保电力系统的安全稳定运行，防止因光伏电站接入而引起的故障和事故。

4.2.1 速断保护

速断保护是指在出现故障时，通过速断设备迅速切断光伏电站与配电网的连接，以防止故障扩大和事故发生。常用的速断设备包括光纤差动保护、过流保护以及带方向的过流保护等，这些设备能够快速检测出故障，并对电力系统进行保护。

4.2.2 孤岛保护

孤岛保护是指在光伏电站接入配电网后，能够快速监测孤岛，并对其与配电网的连接进行快速切断。对于非计划孤岛，从发生孤岛开始到并网断路器断开的时间应确保在2s 之内，能够确保电力系统的安全稳定运行。

4.2.3 逆功率保护

逆功率保护是指在光伏电站采用不可逆的并网方式时，需要进行逆功率保护的配置，能够避免光伏电站向配电网输送过多的电力，对电力系统造成危害。

4.2.4 功能要求

并网断路器的保护还需要具备低周、低压解列功能和高周、高压解列等功能。这些功能能够有效地保护电力系统，避免因光伏电站接入而引起的故障和事故。

5 结语

本文主要研究了太阳能分布式光伏电站接入配电网继电保护配置问题。通过分析太阳能分布式光伏电站接入配电网的特点和故障类型，提出了一套完整的继电保护配置方案。在实际工程中，可以根据该方案进行继电保护的配置，以保证太阳能分布式光伏电站接入配电网的正常运行和安全稳定。