分布式光伏電站接入系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

楊樂(lè)新，肖明偉，杜 力，謝茜子，李 佩

(國(guó)網(wǎng)蕪湖供電公司，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

分布式光伏電站并網(wǎng)的首要問(wèn)題是接入系統(tǒng)方案的制定，這其中涉及的問(wèn)題有很多，如電網(wǎng)運(yùn)行安全、潮流流向、系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)、電網(wǎng)消納能力、繼電保護(hù)的配置等[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)在這方面的研究較少，原則性的東西較多，但在接入模式和設(shè)備配置方面沒(méi)有進(jìn)一步細(xì)化[4-7]。分布式光伏電站并網(wǎng)模式的選擇應(yīng)基于配電網(wǎng)現(xiàn)狀及光伏電站裝機(jī)容量大小而定[8-9]。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)管理文件，結(jié)合地域配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、變電站負(fù)荷情況等因素，遵循光伏裝機(jī)容量不同、電壓等級(jí)不同，接入系統(tǒng)方案就不同的原則，設(shè)計(jì)出幾種分布式光伏電站的接入系統(tǒng)方案。

1 分布式光伏電站接入系統(tǒng)方案

鑒于目前大部分地區(qū)光伏電站并網(wǎng)電壓等級(jí)以35 kV及以下為主，本文重點(diǎn)對(duì)35 kV及以下分布式光伏電站的接入系統(tǒng)方案進(jìn)行研究。表1為某地區(qū)的光伏電站報(bào)裝容量統(tǒng)計(jì)表。

針對(duì)分布式光伏電站報(bào)裝情況和用戶上網(wǎng)需求，并結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)管理文件，將光伏電站上網(wǎng)模式分為全額上網(wǎng)、自發(fā)自用/余電上網(wǎng)模式，這2種上網(wǎng)模式所對(duì)應(yīng)的接入容量、設(shè)備配置均有所不同，根據(jù)電壓等級(jí)不同，又可細(xì)分為35 kV和10 kV接入系統(tǒng)方案。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，了解光伏電站周邊變電站、配電網(wǎng)線路相關(guān)運(yùn)行情況，結(jié)合光伏電站報(bào)裝容量，制定出相應(yīng)的接入系統(tǒng)方案，滿足用戶并網(wǎng)需求的同時(shí)，最大限度地發(fā)揮分布式光伏電站區(qū)域供電的優(yōu)勢(shì)，提高區(qū)域供電能力，進(jìn)而為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)提供有力支撐。

表1 某地區(qū)分布式光伏電站報(bào)裝容量統(tǒng)計(jì)Table 1 Report capacity statistics of distributed photovoltaic power station in a region

綜上所述，根據(jù)光伏發(fā)電相關(guān)管理文件以及結(jié)合地區(qū)配電網(wǎng)設(shè)備現(xiàn)狀，此處共給出4種分布式光伏電站接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。方案中明確了并網(wǎng)電壓等級(jí)、上網(wǎng)模式、并網(wǎng)方式及光伏裝機(jī)容量，具體內(nèi)容詳見(jiàn)表2。

表2 分布式光伏電站典型接入系統(tǒng)方案Table 2 Typical access system scheme of distributed photovoltaic power station

針對(duì)分布式光伏電站不同的并網(wǎng)需求，選擇合適的接入系統(tǒng)方案是首要確定的重點(diǎn)問(wèn)題。各種接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的電氣接線示意圖如圖1所示。

2 接入系統(tǒng)方案設(shè)備配置原則

針對(duì)分布式光伏電站不同裝機(jī)容量、上網(wǎng)模式、電壓等級(jí)設(shè)計(jì)出幾種典型的接入系統(tǒng)方案后，從系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、安全性角度出發(fā)，本部分內(nèi)容將針對(duì)幾種接入系統(tǒng)方案分別給出其一次、二次電氣設(shè)備的配置原則。

2.1 方案Ⅰ

分布式光伏電站容量高于6 MW低于35 MW時(shí)，采用35 kV電壓等級(jí)專用線路接入公用電網(wǎng)，并網(wǎng)模式為全額上網(wǎng)。其電氣一次、二次設(shè)備的配置原則如下。

2.1.1 電氣一次

(1) 送出導(dǎo)線截面:根據(jù)光伏電站送出的容量、并網(wǎng)電壓等級(jí)選取，并考慮分布式光伏發(fā)電的效率。

(2) 開(kāi)斷設(shè)備:選擇35 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備，開(kāi)關(guān)額定參數(shù)、短路開(kāi)斷參數(shù)分別跟據(jù)光伏發(fā)送容量及短路電流計(jì)算結(jié)果來(lái)定(電網(wǎng)側(cè)、光伏電站側(cè)均應(yīng)進(jìn)行短路電流較驗(yàn))。

(3) 光纜架設(shè):鑒于保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)均需采用光纖傳輸相關(guān)信號(hào)，因此隨35 kV送出線路應(yīng)同步架設(shè)1根光纜線路，光纜芯數(shù)可根據(jù)實(shí)際需求選擇。

2.1.2 保護(hù)配置

(1) 繼電保護(hù):光伏電站采用35 kV電壓等級(jí)專用線路接入，線路主保護(hù)應(yīng)配置光纖差動(dòng)保護(hù)，后備保護(hù)可采用線路電流保護(hù)。光伏電站所接入公用變電站的上級(jí)送出線路保護(hù)動(dòng)作時(shí)需聯(lián)切光伏電站并網(wǎng)線路，二次增加解列回路。方案Ⅰ保護(hù)配置如圖2所示。

圖1 分布式光伏電站接入系統(tǒng)方案Fig.1 Access system scheme of distributed photovoltaic power station

圖2 方案Ⅰ繼電保護(hù)配置示意圖Fig.2 Configuration on relay protection of scheme Ⅰ

(2) 安全自動(dòng)裝置:光伏電站及接入公用變電站35 kV母線均需配置頻率電壓控制裝置1套，用于系統(tǒng)頻率電壓異常時(shí)迅速切斷光伏電站與系統(tǒng)的電氣連接。

(3) 自動(dòng)重合閘:當(dāng)光伏電站通過(guò)35 kV專用線路接入公用變電站時(shí)，該線路兩側(cè)自動(dòng)重合閘功能應(yīng)取消。光伏電站所接入公用變電站的上級(jí)送出線路兩側(cè)自動(dòng)重合閘功能應(yīng)取消。

(4) 備用電源自投裝置:光伏電站所接入公用變電站進(jìn)線電源如配有備用電源自投裝置(以下簡(jiǎn)稱備自投裝置)，當(dāng)主供電源故障時(shí)，備自投動(dòng)作時(shí)應(yīng)首先切除光伏電站并網(wǎng)線路。

(5) 有功、無(wú)功控制裝置:光伏電站采用35 kV電壓等級(jí)接入公用電網(wǎng)，光伏電站側(cè)需配置有功功率、無(wú)功電壓控制裝置各1套，用于控制光伏電站有功、無(wú)功容量的輸出。

(6) 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置:光伏電站與公用變電站兩側(cè)均需配置電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置1套,用于監(jiān)測(cè)并網(wǎng)線路的電壓、電流、頻率、諧波等電氣參數(shù)。

2.1.3 調(diào)度自動(dòng)化

根據(jù)分布式光伏電站并網(wǎng)的相關(guān)管理文件，分布式光伏電站采用35 kV電壓等級(jí)并入公用電網(wǎng)，光伏電站的遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)應(yīng)采用調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至當(dāng)?shù)卣{(diào)度管理中心。光伏電站應(yīng)配置調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備(一、二區(qū)數(shù)據(jù)均需傳輸)，形成光伏電站至當(dāng)?shù)毓╇姽菊{(diào)度控制中心的調(diào)度自動(dòng)化通道。

光伏電站應(yīng)上傳的遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括:并網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)、并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、發(fā)電量、事故總信號(hào)等。

2.1.4 系統(tǒng)通信

分布式光伏電站采用35 kV電壓等級(jí)接入公用電網(wǎng)，鑒于35 kV送出線路主保護(hù)需配置光纖差動(dòng)保護(hù)以及光伏電站需通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳遠(yuǎn)動(dòng)信息，因此光伏電站側(cè)需配置光端機(jī)、PCM、綜合配線架等設(shè)備，光伏電站所接入公用變電站側(cè)也需增加相應(yīng)的光口板、光配單元等設(shè)備，從而形成光伏電站至當(dāng)?shù)毓╇姽菊{(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通道。

2.1.5 電能計(jì)量

電能表按照計(jì)量用途分為2類：關(guān)口計(jì)量電能表與并網(wǎng)計(jì)量電能表，方案Ⅰ為全額上網(wǎng)模式，關(guān)口計(jì)量電能表設(shè)置在資產(chǎn)分界點(diǎn)(主、副表各1塊，同型號(hào)、同規(guī)格)，并網(wǎng)電能表設(shè)置在光伏電站側(cè), 電能表準(zhǔn)確度等級(jí)應(yīng)為有功0.2S級(jí)，無(wú)功2.0級(jí)，有關(guān)電流互感器、電壓互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)需分別達(dá)到0.2S、0.2級(jí)(注:資產(chǎn)分界點(diǎn)如設(shè)置在光伏電站側(cè)，關(guān)口計(jì)量電能表與并網(wǎng)計(jì)量電能表可合為一)。與此同時(shí),光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)處需同步配置無(wú)線電量采集器1塊,用于上傳光伏發(fā)電量至營(yíng)銷用采系統(tǒng)。

2.2 方案Ⅱ

分布式光伏電站容量低于6 MW時(shí)，采用10 kV電壓等級(jí)專用線路接入用戶10 kV高壓電房，并網(wǎng)模式為自發(fā)自用/余電上網(wǎng)。其電氣一次、二次設(shè)備的配置原則如下。

2.2.1 電氣一次

(1) 送出導(dǎo)線截面:根據(jù)光伏電站送出的容量、并網(wǎng)電壓等級(jí)選取，并考慮分布式光伏發(fā)電的效率。

(2) 開(kāi)斷設(shè)備:選擇10 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備，開(kāi)關(guān)額定參數(shù)、短路開(kāi)斷參數(shù)分別跟據(jù)光伏發(fā)送容量及短路電流計(jì)算結(jié)果來(lái)定(注:出于設(shè)備采購(gòu)、后期維護(hù)的考慮，10 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備額定電流可選擇630、1 250 A，短路開(kāi)斷電流水平可選擇20、25和31.5 kA)。

2.2.2 保護(hù)配置

(1) 繼電保護(hù):光伏電站采用10 kV電壓等級(jí)專用線路接入，線路主保護(hù)應(yīng)配置光纖差動(dòng)保護(hù)，后備保護(hù)可采用方向性線路電流保護(hù)，方向指向光伏電站。如并網(wǎng)線路長(zhǎng)度較短，則可在用戶電房接入開(kāi)關(guān)柜配置三段式線路電流保護(hù)，保護(hù)范圍應(yīng)延伸至光伏電站。方案Ⅱ保護(hù)配置如圖3所示。

圖3 方案Ⅱ繼電保護(hù)配置示意圖Fig.3 Configuration on relay protection of scheme Ⅱ

(2) 安全自動(dòng)裝置:光伏電站10 kV母線均需配置頻率電壓控制裝置1套，用于系統(tǒng)頻率電壓異常時(shí)迅速切斷光伏電站與系統(tǒng)的電氣連接。

(3) 防孤島保護(hù)裝置:光伏電站并網(wǎng)線路用戶側(cè)如只配置三段式線路電流保護(hù)，則光伏電站側(cè)需配置防孤島保護(hù)裝置1套，該裝置應(yīng)具備被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)雙功能；光伏電站并網(wǎng)線路如配置了光纖差動(dòng)主保護(hù)，則防孤島保護(hù)裝置可選配。

(4) 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置:光伏電站與公用變電站兩側(cè)均需配置電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置1套,用于監(jiān)測(cè)并網(wǎng)線路的電壓、電流、頻率、諧波等電氣參數(shù)。

2.2.3 調(diào)度自動(dòng)化

根據(jù)分布式光伏電站并網(wǎng)的相關(guān)管理文件，光伏電站采用10 kV電壓等級(jí)并入用戶高壓電房，裝置容量低于6 MW的光伏電站，其遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)可采用無(wú)線通信方式上傳至當(dāng)?shù)卣{(diào)度管理中心。容量高于6 MW時(shí)，其遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)需通信調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至當(dāng)?shù)卣{(diào)度控制中心，光伏電站側(cè)需配置調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備。

2.2.4 系統(tǒng)通信

方案Ⅱ分布式光伏電站采用10 kV電壓等級(jí)接入用戶高壓電房，裝置容量低于6 MW的光伏電站遠(yuǎn)動(dòng)信息通過(guò)無(wú)線公網(wǎng)通信方式上傳至當(dāng)?shù)毓╇姽菊{(diào)度中心；容量高于6 MW時(shí)，因其遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)需通信調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至當(dāng)?shù)卣{(diào)度控制中心，因此光伏電站側(cè)需配置光傳輸通信設(shè)備。

2.2.5 電能計(jì)量

電能表按照計(jì)量用途分為2類：關(guān)口計(jì)量電能表與并網(wǎng)計(jì)量電能表，方案Ⅱ?yàn)樽园l(fā)自用/余電上網(wǎng)模式，并網(wǎng)電能表設(shè)置在光伏電站側(cè),關(guān)口計(jì)量電能表通常已配置(如不滿足雙向計(jì)量則需進(jìn)行改造)，電能表、互感器精度同方案Ⅰ。

2.3 方案Ⅲ

分布式光伏電站容量低于6 MW時(shí)，采用10 kV電壓等級(jí)專用線路接入用戶10 kV高壓電房(用戶電壓等級(jí)為35 kV及以上)，并網(wǎng)模式為自發(fā)自用/余電上網(wǎng) (注:并網(wǎng)容量高于6 MW低于9 MW時(shí)，如滿足年自發(fā)自用電量>50%宜可采取該模式)。其電氣一次、二次設(shè)備的配置原則如下。

2.3.1 電氣一次

(1) 送出導(dǎo)線截面:根據(jù)分布式光伏電站送出的容量、并網(wǎng)電壓等級(jí)選取，并考慮分布式光伏發(fā)電的效率。

(2) 開(kāi)斷設(shè)備:開(kāi)關(guān)設(shè)備參數(shù)選擇原則同方案Ⅱ。

2.3.2 保護(hù)配置

(1) 繼電保護(hù):光伏電站采用10 kV電壓等級(jí)專用線路接入，線路主保護(hù)應(yīng)配置光纖差動(dòng)保護(hù)，后備保護(hù)可采用方向性線路電流保護(hù)，方向指向光伏電站。如并網(wǎng)線路長(zhǎng)度較短，則可在用戶電房接入開(kāi)關(guān)柜配置三段式線路電流保護(hù)，保護(hù)范圍應(yīng)延伸至光伏電站。方案Ⅲ保護(hù)配置如圖4所示。

圖4 方案Ⅲ繼電保護(hù)配置示意圖Fig.4 Configuration on relay protection of scheme Ⅲ

(2) 安全自動(dòng)裝置:光伏電站10 kV母線均需配置頻率電壓控制裝置1套，用于系統(tǒng)頻率電壓異常時(shí)迅速切斷光伏電站與系統(tǒng)的電氣連接。

(3) 防孤島保護(hù)裝置:光伏電站并網(wǎng)線路用戶側(cè)如只配置三段式線路電流保護(hù)，則光伏電站側(cè)需配置防孤島保護(hù)裝置1套，該裝置應(yīng)具備被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)雙功能；光伏電站并網(wǎng)線路如配置了光纖差動(dòng)主保護(hù)，則防孤島保護(hù)裝置可選配。

(4) 自動(dòng)重合閘:用戶變電站電源進(jìn)線兩側(cè)自動(dòng)重合閘功能應(yīng)取消。

(5) 備用電源自投裝置: 用戶變電站電源進(jìn)線如配有備用電源自投裝置(以下簡(jiǎn)稱備自投裝置)，當(dāng)主供電源故障時(shí)，備自動(dòng)動(dòng)作時(shí)應(yīng)首先切除光伏電站并網(wǎng)線路。

(6) 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置:光伏電站與公用變電站兩側(cè)均需配置電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置1套,用于監(jiān)測(cè)并網(wǎng)線路的電壓、電流、頻率、諧波等電氣參數(shù)。

2.3.3 調(diào)度自動(dòng)化

根據(jù)光伏電站并網(wǎng)的相關(guān)管理文件，光伏電站采用10 kV電壓等級(jí)并入用戶高壓電房(用戶電壓等級(jí)為35 kV及以上)，并網(wǎng)模式為自發(fā)自用/余電上網(wǎng)，光伏電站遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)需通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至當(dāng)?shù)卣{(diào)度控制中心，光伏電站側(cè)需配置調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備。

光伏電站應(yīng)上傳的遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括:并網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)、并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、發(fā)電量、事故總信號(hào)等。

2.3.4 系統(tǒng)通信

方案Ⅲ光伏電站采用10 kV電壓等級(jí)接入用戶高壓電房(用戶電壓等級(jí)為35 kV及以上)，鑒于光伏電站遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)需通信調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至當(dāng)?shù)卣{(diào)度控制中心，因此光伏電站側(cè)需配置光傳輸通信設(shè)備。

2.3.5 電能計(jì)量

電能表按照計(jì)量用途分為2類：關(guān)口計(jì)量電能表與并網(wǎng)計(jì)量電能表，方案Ⅲ為自發(fā)自用/余電上網(wǎng)模式，并網(wǎng)電能表設(shè)置在光伏電站側(cè),關(guān)口計(jì)量電能表通常已配置(如不滿足雙向計(jì)量則需進(jìn)行改造)，電能表、互感器精度同方案Ⅰ。

2.4 方案Ⅳ

分布式光伏電站容量低于2 MW時(shí)，采用10 kV電壓等級(jí)T接10 kV公用線路，并網(wǎng)模式為全額上網(wǎng)。其電氣一次、二次設(shè)備的配置原則如下。

2.4.1 電氣一次

(1) 送出導(dǎo)線截面:根據(jù)光伏電站送出的容量、并網(wǎng)電壓等級(jí)選取，并考慮分布式光伏發(fā)電的效率。

(2) 開(kāi)斷設(shè)備:開(kāi)關(guān)設(shè)備參數(shù)選擇原則同方案Ⅱ。該開(kāi)關(guān)設(shè)備應(yīng)具備快速保護(hù)功能且預(yù)留配電自動(dòng)化接口，歸當(dāng)?shù)毓╇姽菊{(diào)度中心管轄。)

2.4.2 保護(hù)配置

(1) 繼電保護(hù):光伏電站采用10 kV電壓等級(jí)T接公用線路，資產(chǎn)分界點(diǎn)處開(kāi)關(guān)設(shè)備需具備快速保護(hù)功能，保護(hù)范圍應(yīng)延伸至光伏電站并網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜。光伏電站并網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜安裝線路電流保護(hù)，保護(hù)范圍應(yīng)延伸至光伏電站。方案Ⅳ保護(hù)配置如圖5所示。

圖5 方案Ⅳ繼電保護(hù)配置示意圖Fig.5 Configuration on relay protection of scheme Ⅳ

(2) 安全自動(dòng)裝置:光伏電站10 kV并網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜需配置頻率電壓控制裝置1套，用于系統(tǒng)頻率電壓異常時(shí)迅速切斷光伏電站與系統(tǒng)的電氣連接。

(3) 防孤島保護(hù)裝置:光伏電站10 kV并網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜需配置防孤島保護(hù)裝置1套，該裝置應(yīng)具備被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)雙功能，能有效避免非計(jì)劃孤島的形成。

(4) 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置:光伏電站與公用變電站兩側(cè)均需配置電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置1套,用于監(jiān)測(cè)并網(wǎng)線路的電壓、電流、頻率、諧波等電氣參數(shù)。

2.4.3 調(diào)度自動(dòng)化

根據(jù)光伏電站并網(wǎng)的相關(guān)管理文件，光伏電站采用10 kV電壓等級(jí)T接公用線路，其遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)可采用無(wú)線通信方式上傳至當(dāng)?shù)卣{(diào)度管理中心。

2.4.4 系統(tǒng)通信

方案Ⅳ光伏電站采用10 kV電壓等級(jí)T接公用線路，遠(yuǎn)動(dòng)信息通過(guò)無(wú)線公網(wǎng)通信方式上傳至當(dāng)?shù)毓╇姽菊{(diào)度中心，光伏電站側(cè)需配置無(wú)線公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

2.4.5 電能計(jì)量

電能表按照計(jì)量用途分為2類：關(guān)口計(jì)量電能表與并網(wǎng)計(jì)量電能表，方案Ⅳ為全額上網(wǎng)模式，二者可以合二為一，電能表、互感器精度同方案Ⅰ。

3 結(jié)論

本文給出了分布式光伏電站并網(wǎng)的典型接入系統(tǒng)方案以及設(shè)備配置原則，為制定分布式光伏接入系統(tǒng)方案提供便捷的同時(shí)，大大地縮短了分布式光伏電站并網(wǎng)的整體流程，提高了光伏管理部門工作效率的同時(shí)，也起到為新能源的有序快速發(fā)展保架護(hù)航的作用。針對(duì)幾種典型的接入系統(tǒng)方案制定的一次、二次電氣設(shè)備配置原則使得整個(gè)光伏并網(wǎng)工作更加規(guī)范化。