光伏電站接入配電網(wǎng)典型設計研究

白 熊，王駿海，高振宇，周昱甬

（1.華北電力大學，北京 102206；2.杭州市電力局，杭州 310009）

近年來，浙江省政府出臺了加快光伏電源等可再生能源推廣應用的若干意見，規(guī)劃浙江省未來三年要實現(xiàn)六個一百和一個示范工程，大批以光伏電源為主的可再生能源項目申請已獲批準。以積極的姿態(tài)應對大量可再生能源接入系統(tǒng)，并充分考慮由此帶來的影響已成為電力公司所面臨的重要課題。

1 典型設計的目的和意義

目前，光伏發(fā)電及并網(wǎng)還缺乏相應的管理規(guī)定，技術標準不完善，國家政策和激勵措施也未考慮對電網(wǎng)企業(yè)綜合經(jīng)濟效益的補償，因此對光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)的健康有序發(fā)展產(chǎn)生了一定的不利影響。同時，光伏電源出力的間歇性、周期性和隨機性，加上逆變器并網(wǎng)、孤島效應等因素，也會影響電網(wǎng)電能質(zhì)量、電量計量計費、供電可靠性。隨著大容量并網(wǎng)光伏電站和分布式光伏建筑一體化電源的大規(guī)模接入電網(wǎng)，給電網(wǎng)的規(guī)劃、運行控制和管理帶來了一系列挑戰(zhàn)。

為應對大規(guī)模光伏電源接入給電力系統(tǒng)帶來的沖擊，保障光伏電源接入后的電網(wǎng)能安全穩(wěn)定運行并可靠地向電力用戶提供優(yōu)質(zhì)電力，浙江省電力公司承擔了國家電網(wǎng)公司關于分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的規(guī)劃設計和運行控制技術研究課題，浙江省電力試驗研究院和杭州市電力局分別承擔了其中的規(guī)劃設計和運行控制研究工作。杭州市電力局就配電網(wǎng)網(wǎng)架模型的建立、光伏電源并網(wǎng)后負荷預測與電力電量平衡方法、分布式光伏電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)可靠性的影響、光伏電站與調(diào)度系統(tǒng)、配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的信息交互技術、光伏發(fā)電電能計量計費技術等進行了深入研究。

目前該研究項目已取得階段性成果，編制了《光伏電站接入系統(tǒng)典型設計方案》，并于2009年12月22日通過由國家電網(wǎng)公司專家和高校教授組成的評審組的審核。

2 典型設計研究的主要內(nèi)容

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)多以分布式電源形式接入配電網(wǎng)。研究光伏電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響主要從以下兩方面考慮：一方面，光伏電源屬于間歇式電源，具有顯著的不連續(xù)性和受天氣影響的群發(fā)性；另一方面，由于分布式光伏電源的接入，配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單端輻射型網(wǎng)絡發(fā)展成為復雜的多端系統(tǒng)。因此，通過對光伏電源準入容量和接入位置、光伏電源配電系統(tǒng)可靠性評估、光伏電源引起的備用需求等重點課題的研究，形成通用、全面、典型接入系統(tǒng)設計方案，以指導今后光伏電源的接入系統(tǒng)設計。

2.1 光伏電源準入原則和并網(wǎng)電壓等級

目前的配電網(wǎng)接線模式主要有電纜網(wǎng)絡的雙電源雙Π接線、雙電源單Π接線及架空線路多分段多聯(lián)絡網(wǎng)。綜合考慮光伏電源并網(wǎng)后的區(qū)域配電網(wǎng)可靠性、電壓質(zhì)量、電壓穩(wěn)定以及諧波注入量等方面的要求，通過合理控制接入電源的電壓等級和安裝容量，有效降低光伏電源對區(qū)域配電網(wǎng)的沖擊。經(jīng)多次仿真計算，初步確定光伏電站接入公用電網(wǎng)的總安裝容量應控制在上級變電站最小單臺變壓器額定容量的15%以內(nèi)；光伏電站T接入10 kV公用線路，其總安裝容量應控制在該線路最大輸送容量的15%以內(nèi)。

2.2 并網(wǎng)點與公共連接點的技術要求

依據(jù)電力部門調(diào)度管理、保護整定、計量等需求，光伏電源的并網(wǎng)點應設置易于操作、可閉鎖且具有明顯斷開點的并網(wǎng)總斷路器，以確保電力設施檢修維護人員的人身安全。光伏電站與電網(wǎng)之間的連接點即并網(wǎng)點，也稱為公共連接點，只能有唯一一個，作為解并列點。原則上公共連接點就是電能質(zhì)量考核點。

當光伏電站采用400 V并網(wǎng)且只有單臺逆變器時，逆變器出口處作為并網(wǎng)點，并裝設并網(wǎng)斷路器；當光伏電站采用400 V并網(wǎng)且有多臺逆變器時，逆變器通過400 V交流母線匯接，匯接點作為并網(wǎng)點，然后在并網(wǎng)點裝設并網(wǎng)斷路器。光伏電站采用高壓并網(wǎng)時，光伏電站升壓變高壓側(cè)作為并網(wǎng)點，如果有多臺升壓變壓器，變壓器高壓側(cè)可并列運行，高壓母線作為并網(wǎng)點設置并網(wǎng)斷路器。

2.3 保護及安全自動裝置

目前，國內(nèi)投產(chǎn)的光伏電源數(shù)量較少，相關運行經(jīng)驗還不成熟。特別是光伏電源受光照、溫度等天氣、氣候因素的影響較大，對其性能變化情況不夠了解。傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)的潮流是從電源到用戶單向流動的，且配電網(wǎng)大多數(shù)故障具有瞬時性，所以傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護設計通常是在變電站安裝反向過流繼電器，主饋線裝設自動重合閘裝置，支路裝設熔斷器。接入分布式電源后，必須在系統(tǒng)側(cè)和光伏電站側(cè)配置一定的保護裝置，使配電網(wǎng)能保持保護裝置原有的協(xié)調(diào)性，避免原有保護設備誤動。

2.3.1 系統(tǒng)側(cè)保護

公用電網(wǎng)接入光伏電站后，電網(wǎng)保護應保持可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。光伏電站接入公用電網(wǎng)的供電線路（專線），電網(wǎng)側(cè)應配置一套線路保護。35 kV并網(wǎng)線路一般配置距離保護，系統(tǒng)有穩(wěn)定要求或短線路整定配合困難時，應裝設光纖電流差動保護。10 kV并網(wǎng)線路一般配置方向過流保護（方向元件可投退），如有電網(wǎng)穩(wěn)定要求，需配置全線速動保護。

光伏電站采用T接方式接入公用電網(wǎng)10 kV或35 kV純架空線路或電纜、架空混合線路時，電網(wǎng)側(cè)線路保護應具備重合閘功能，重合閘應具備檢測線路無壓功能。

2.3.2 并網(wǎng)斷路器保護

一般情況下，并網(wǎng)總斷路器配置速斷、過流保護，如距離及過流保護、帶方向的過流保護以及光纖差動保護。同時，光伏電站必須具備快速監(jiān)測孤島且立即斷開與電網(wǎng)連接的能力。對于非計劃孤島，應能保證從孤島發(fā)生到并網(wǎng)斷路器跳開（光伏電站與電網(wǎng)斷開）的時間不大于2 s。并網(wǎng)斷路器一般應具有低周、低壓及高周、高壓解列功能。

由于光伏電站的接入，系統(tǒng)變電站主變應設置間隙零序電流保護和零序電壓保護。當并網(wǎng)光伏電站接入企業(yè)（用戶）內(nèi)部電網(wǎng)，且設計為不可逆并網(wǎng)方式時，應配置逆功率保護。

2.4 通信與監(jiān)測

并網(wǎng)光伏電站應安裝能夠自動采集、記錄、遠程傳輸光伏電站各類電氣參數(shù)和氣象環(huán)境參數(shù)的采集裝置。光伏電站向電網(wǎng)提供的監(jiān)測信息至少應包括以下內(nèi)容：

（1）光伏電站并網(wǎng)狀態(tài)信息、太陽板傾斜面輻照度。

（2）光伏電站并網(wǎng)點有功功率、無功功率；有功電量、無功電量；功率因數(shù)。

（3）并網(wǎng)點的電壓、電流。

（4）變壓器分接頭檔位、斷路器和隔離閘刀位置信息等。

采用10 kV或35 kV線路并網(wǎng)的光伏電站能接受的電網(wǎng)遠方調(diào)度控制指令應包括：有功功率、有功功率最大變化率、電壓無功調(diào)節(jié)方式、參考電壓、光伏電站停機指令等。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)應能滿足繼電保護、安全自動裝置、調(diào)度自動化及電能信息和有關狀態(tài)信息的傳輸要求。

光伏電站可考慮接入電力系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)或負控終端。采用10 kV或35 kV線路并網(wǎng)的光伏電站，其通信通道應采用光纜通信方式接入電力調(diào)度通信網(wǎng)，并具有雙光纜路由，光纜線路結(jié)合并網(wǎng)線路建設；采用400 V線路并網(wǎng)的光伏電站，其通信通道可選用專用通道、以太網(wǎng)絡以及GPRS等。

2.5 電能計量

計量關口設置原則為資產(chǎn)分界點。關口表應采用雙向計量裝置，具體設置在雙方協(xié)議中進一步明確。光伏電站采用專線接入公用電網(wǎng)時，計量點設在產(chǎn)權(quán)分界點；光伏電站采用T接方式接入公用線路時，計量點設在光伏電站進線側(cè)；光伏電站接入企業(yè)（用戶）內(nèi)部電網(wǎng)的，計量點設在并網(wǎng)點。

計量裝置至少應具備雙向有功和四象限無功計量功能、事件記錄功能，配有標準通信接口，具備本地通信和通過電能信息采集終端遠程通信的功能。電能計量裝置的配置和技術要求應符合DL/T 448《電能計量裝置技術管理規(guī)程》和DL/T 5202《電能量計量系統(tǒng)設計技術規(guī)程》，以及相關標準、規(guī)程要求。

3 光伏電源接入系統(tǒng)典型設計方案及應用

對典型設計方案的研究，是以配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和歷史數(shù)據(jù)為基礎，圍繞光伏電源的出力特性進行深入分析，并對光伏電源在不同電壓等級、不同接線方式下，就光伏電源的接入位置、設備選型、保護自動化配置方案、通信及計量計費方式進行研究，形成光伏電源通過35 kV專線、10 kV專線、10 kV T接線及400 V線路并網(wǎng)等8種接入電網(wǎng)典型設計方案。研究成果為大量光伏發(fā)電接入系統(tǒng)做好理論和實踐準備。接入方案詳見表1。

通過編制《分布式光伏電源接入系統(tǒng)典型設計》，使接入系統(tǒng)典型化、規(guī)范化，為光伏電源有序、可控接入提供指導意見。

參照典型設計，目前已完成多個光伏電站接入系統(tǒng)設計，其中杭州能源與環(huán)境產(chǎn)業(yè)園6 000 kWp光伏發(fā)電站并網(wǎng)項目已于2009年10月并網(wǎng)投運。該項目根據(jù)典型設計的技術標準和管理要求，通過收集光伏電站的安裝容量、逆變器參數(shù)和配電升壓站的設備參數(shù)，詳細論證了接入系統(tǒng)方案、保護配置方案和監(jiān)控監(jiān)測方案，最終確定通過1回10 kV專線接入110 kV漁橋變，在系統(tǒng)和光伏電源側(cè)配置帶方向的過流等相關保護，在并網(wǎng)斷路器側(cè)配置解列裝置，確定了通過2回光纜線路接入余杭SDH環(huán)網(wǎng)的通信方案。

該工程成功并網(wǎng)運行后，年平均發(fā)電量達200萬kWh，與相同發(fā)電量的火電廠相比，每年可節(jié)約用煤700 t，減少排放二氧化碳1 000 t、二氧化硫近 10 t、氮氧化合物 6.2 t、煙塵2.9 t，此外還可節(jié)約大量的水資源。

在接入系統(tǒng)的設計過程中，嚴格遵循了典型設計方案，確保了杭州第一個用戶光伏示范項目安全可靠并網(wǎng)，為光伏電源的有序、可控接入積累了真實可信的實踐經(jīng)驗。

4 結(jié)語

隨著接入電網(wǎng)的光伏電源規(guī)模的日益擴大，光伏電源將在未來電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，同時也會給電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行、管理帶來許多挑戰(zhàn)。光伏并網(wǎng)發(fā)電只有在滿足一定的技術約束條件下，對接入系統(tǒng)容量和位置進行合理規(guī)劃和設計，才能在發(fā)揮光伏發(fā)電優(yōu)勢的同時，保障電力系統(tǒng)的安全可靠運行。通過對光伏系統(tǒng)分類和并網(wǎng)電壓等級、準入功率及并網(wǎng)點與公共連接點的要求、配電設備選擇的要求、保護及安全自動裝置、通信與監(jiān)測以及電能計量等方面的研究，旨在探索光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)的規(guī)劃設計技術導則，形成光伏發(fā)電接入電網(wǎng)典型設計方案，為大量光伏發(fā)電的接入做好理論和實踐準備。

表1 光伏系統(tǒng)分類及對應的典型設計方案

[1]桑妲.小型光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響[J].上海電力，2008（2）∶132-134.

[2]國家電網(wǎng)公司業(yè)擴供電方案編制導則（試行），國家電網(wǎng)營銷（2007）655 號文件.

[3]國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術規(guī)定，國家電網(wǎng)發(fā)展（2009）747 號文件.