分布式光伏电源接入方式及其保护与控制

刘 征

（大唐国际发电股份有限公司广东分公司，广东 广州 510335）

1 分布式光伏电源接入分析

1.1 项目概况

为缓解用电紧张问题，某项目辖区内多个村办企业拟依托当地太阳能资源，利用厂房屋顶建设分布式光伏项目。具体情况为：A 村最大输出功率为40 kW，占地面积约为400 m2；B 村最大输出功率为30 kW，占地面积为270 m2；C 村最大输出功率为20 kW，占地面积为220 m2；D 村最大输出功率为30 kW，占地面积为460 m2等。该项目于2021 年6 月15 日开工建设，至2021 年7 月30 日完工并实现并网。按照项目最初规划，截至2023 年底，周边将有十余个乡镇企业会参与该分布式光伏项目，届时项目发电量至少为当前的2 倍。

1.2 电源接入方式

L 街道分布式光伏项目的建设初衷是自发自用、余量上网，因此项目所产出的电力主要由村办企业生产、办公消耗，在仍有剩余的情况下再送入电网。考虑到村办企业在建设之初就已经完成用电申请，电缆路径、开关站等基础设施齐备，故本项目最终采用先接入内部电网，再经专线接入10 kV 公共电网的方式。光伏电站汇流后经过变压器升压，并入其厂用的10 kV 母线，光伏发电不足部分由市电补充，光伏发电有盈余时卖给电网企业。这种接入方式合理利用现有电力基础设施，各村办企业只需采购少量通信设备即可维持项目的有序运行，极大地节省投资成本[1-3]。分布式光伏并网电源接入方式如图1 所示。

图1 分布式光伏并网电源接入方式

2 分布式光伏电源接入对配电网的影响

2.1 对电压的影响

光伏发电项目的瞬时输出功率受光照条件影响，昼夜更替、云层遮挡都会使光伏发电项目出力呈现不规律的特点，在分布式光伏项目并网后，容易造成配电网的电压波动。正午光照充足时，光伏发电装置正常运行，此时负载从电网消耗的有功功率减少，系统功率因数显著下降，电源接入点的电压会升高。日落后，光伏发电装置处于停机状态，变压器会产生空载损耗，进而使配电网的电压降低[4]。

2.2 对电能质量的影响

2.2.1 产生谐波

分布式光伏并网需要用到逆变器、高频开关等非线性元件，这些元件会产生大量的谐波，进而干扰电网系统的稳定。根据国家能源局的要求，光伏项目总的电流谐波不宜超过5%，以免影响配电网其他电力设备的运行。分布式光伏项目在并入配电网前，必须经过严格的电能质量检测，确保其达到相关部门的推荐标准。

2.2.2 引入直流分量

若项目采用电压型逆变器，则需要在开关信号中加入死区时间，先断开其中一个器件后才能开通另一个器件。如此一来，就造成电压、电流的不平衡，进而产生直流分量。电流型逆变器也存在类似问题，要实现2 个器件换流，就必须同时导通叠流，期间也会产生直流分量。尽管随着脉宽调制技术的成熟，人们已经能够有效抑制直流分量的产生，但是光伏并网实践中电压失衡的情况仍很难杜绝，会对配电网中电力设备的性能造成一定影响。

2.2.3 出现孤岛效应

就L 街道而言，村办企业生产所需电力由光伏发电系统和配电网共同提供。当电网出现故障停止运行时，若光伏发电系统仍持续向本地负载供电，就会出现供电孤岛效应。孤岛效应的产生不利于配电网的平稳运行，会干扰电网故障检修，严重时还会威胁检修人员的生命安全。

2.3 对继电保护的影响

项目所在地的配电网一直采用“手拉手”闭环设计、开环运行的方式。在继电保护措施方面，主要依赖速断、自动重合闸等手段。随着光伏并网项目不断增加，已有继电保护措施不具方向性的缺陷显现出来。当配电网出现故障，而光伏系统又未能及时解列时，电流仍会被输送至故障点，引起电弧燃烧。在配电网故障排除后，由于光伏发电系统与配电网失去同步，重合闸的开关不能自动重合。虽然J 市电网近年来陆续实现电网自动化改造，并依托信息技术对开关站控制装置进行遥控，但是大量分布式光伏项目的并网使电网故障检测难度大幅提升，配电网的自动化效果也大打折扣，这都对继电保护提出更高的要求[5,6]。

3 分布式光伏电源并网保护措施

3.1 加强系统侧保护

加强系统侧保护是从根源上规避并网负面影响的有效手段。由于项目装机容量较小，且为10 kV并网，微机线路保护可适当从简。L 街道分布式光伏项目采用T 接方式接入公用电网时，电网侧线路保护应具备三相一次重合闸功能，重合闸时间需延长，同时应具备检测线路无压、同期功能，避免非同期合闸带来的冲击。同时，需要优化电流保护的整定方案。J 街道分布式光伏项目接入点位于配电网的中段母线上，当配电网发生故障时，光伏电源下游流经的故障电流会增大，而上游流经的故障电流会减小。J 街道分布式光伏并网接入点及其对上下游电流的影响如图2所示。这也意味着，电源接入点保护处的过电流保护动作灵敏度增大，下一条线路保护处的过电流保护动作灵敏度减小。针对这一问题，在并网时相应调整灵敏系数，从而满足保护动作的选择性。

图2 J 街道分布式光伏并网接入点及其对上下游电流的影响

3.2 完善电站断路器保护

为确保并网后不影响配电网的稳定性，光伏电站侧需要配置一套微机型线路保护装置。施工方可提前向当地电网企业咨询，为微机线路保护装置选型提供依据。项目需采用10 kV 并网，为光伏电站侧并网断路器配置阶段式方向过流保护。对于具备条件的项目，还可以加装光纤电流差动保护装置，更迅速、准确地检测出故障点，并及时做出反应。

针对分布式光伏并网后重合闸不能自动重合的问题，光伏电站还要配套解列装置，使配电网发生故障时光伏电源能迅速解列。通常情况下，光伏电站需配置低周解列、低压解列、高周解列以及高压解列功能。低周解列应具备滑差闭锁功能；低压解列应具备判断短路功能和交流电压断线闭锁功能。配电网发生故障或电站保护装置未能正常运行，解列装置就会自动切开并网点，使光伏发电装置独立出来。按照行业现行规范，解列装置通常需要在2 s内完成动作，且在确定整定值时，也必须令重合闸时限大于解列所需时间[7]。

3.3 重视逆变器保护

根据电气电子工程师学会制定的标准，当配电网发生故障时，光伏发电装置应停止向并网点输送电流。但由于分布式光伏电源的接入，很容易给电网的运行造成干扰，以至于后者不能准确判断并应对故障，这就要求分布式光伏并网时要重视逆变器保护。

一是要做好电网电压过欠压保护，即输出端电压超限时，逆变器应当在2 s 内停止送电；二是要做好电网频率过欠频保护，当并网点频率偏离正常值时，必须停止向配电网送电，尤其J 街道分布式光伏项目还将继续扩容，随着装机容量变大，就更依赖过欠频保护；三是要做好逆变器过流保护，当输入端电流偏离正常值时，逆变器应瞬时停止运转。

3.4 做好升压变压器保护

升压变压器作为整个J 街道分布式光伏项目并网的关键设备，也要做好保护措施。升压变压器保护需要兼顾多个方面。例如，利用差动保护装置、瓦斯保护装置，使升压变压器能够在发生故障时跳开两侧断路器。此外，需配套负荷保护，保护动作延时发告警信号，不跳断路器。由于升压变压器在光伏电站本体中作为一个常规的升压装置进行处理，在保护方面与常规电源的配置基本一致即可。

3.5 做好防孤岛保护

未来，分布式光伏项目并网越来越常见。为保障电网的平稳运行，确保检修人员的作业安全，需要加强防孤岛保护。一方面，要做好主动防孤岛检测。通过向电网施加扰动信号的方式来进行监测，一旦电网失去平衡，该扰动信号就会迅速放大，逆变器随即停止工作。这种检测方式也存在一定缺陷，如扰动信号的施加可能导致电能质量的下降，且检测流程烦琐复杂。另一方面，分布式光伏项目并网还要引入被动防孤岛检测。通过检测电网断电时逆变器输出的三次电压谐波、电压相位以及频率的变化，来判断孤岛效应的发生，并及时做出动作[8]。

4 结 论

分布式光伏电源的接入会给配电网电压、电能质量及继电保护等方面带来负面影响。随着国内分布式光伏并网项目逐渐增多，如何化解这些负面影响成为当前业界需要思考的问题。文章立足J 街道分布式光伏并网遇到的实际问题，提出加强系统侧保护、完善电站断路器保护、重视逆变器保护以及做好升压变压器保护等措施，为项目顺利并网提供保障，同时推动配电网的有序运行。