分析新能源并網(wǎng)對(duì)配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響

王可 含芳

摘 要：本文分析光伏電源接入配電網(wǎng)，分析光伏電源并網(wǎng)對(duì)配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響。在對(duì)實(shí)際應(yīng)用情況分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合配電系統(tǒng)電源側(cè)與光伏電源饋線上游的短路問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置可能受到影響。如果光伏電源所在的饋線下游出現(xiàn)短路問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致上游電流受到不同程度的影響。

關(guān)鍵詞：新能源并網(wǎng);配電系統(tǒng);繼電保護(hù);影響

中圖分類號(hào)：TM615.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）07-0177-02

隨著環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題的日益嚴(yán)重，新能源技術(shù)開(kāi)始高速發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電是新趨勢(shì)?，F(xiàn)在，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，光伏行業(yè)市場(chǎng)容量呈現(xiàn)不斷的上升趨勢(shì)。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)成為太陽(yáng)能資源利用的主要方向，但是光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率受到很多外界環(huán)境的影響，對(duì)配電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生不良影響[1]。所以，在光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中，應(yīng)該合理的分析其對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生的影響。

1 光伏發(fā)電和繼電保護(hù)

1.1 光伏發(fā)電的內(nèi)涵

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料將光轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，這種半導(dǎo)體材料具有光伏效應(yīng)，這是一種在物理學(xué)、光化學(xué)和電化學(xué)中研究的現(xiàn)象。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池板，每個(gè)太陽(yáng)能電池板由多個(gè)太陽(yáng)能電池組成，這些太陽(yáng)能電池產(chǎn)生電力。光伏裝置可以是地面安裝、屋頂安裝或壁裝。這個(gè)底座可以固定，或者使用太陽(yáng)能跟蹤器來(lái)跟蹤太陽(yáng)穿過(guò)天空。太陽(yáng)能光伏作為能源有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一旦安裝，其運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生污染和溫室氣體排放，在電力需求方面表現(xiàn)出簡(jiǎn)單的可擴(kuò)展性，而硅在地殼中具有很大的可用性。光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是，在陽(yáng)光直射的情況下，功率輸出工作得最好，因此如果不使用跟蹤系統(tǒng)，大約會(huì)損失10-25%。大氣中的灰塵、云層和其他障礙物也會(huì)降低功率輸出。通常不符合人類活動(dòng)周期需求高峰的易失性。除非當(dāng)前的社會(huì)消費(fèi)模式和電網(wǎng)適應(yīng)這種情況，否則仍需儲(chǔ)存電力以供日后使用或由其他電源組成。光伏發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)一直被用于專門的應(yīng)用領(lǐng)域，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，獨(dú)立和電網(wǎng)連接的光伏系統(tǒng)一直在使用中。2000年，德國(guó)環(huán)保人士和歐洲太陽(yáng)能組織獲得了政府對(duì)一萬(wàn)個(gè)屋頂項(xiàng)目的資金，這是第一批大規(guī)模生產(chǎn)的光伏系統(tǒng)。技術(shù)的進(jìn)步和制造規(guī)模的增加無(wú)論如何都降低了成本，提高了可靠性，提高了光伏裝置的效率、凈計(jì)量和財(cái)政激勵(lì)，如太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)惠上網(wǎng)電價(jià)，在許多國(guó)家支持太陽(yáng)能光伏裝置?，F(xiàn)在有100多個(gè)國(guó)家使用太陽(yáng)能光伏，光伏發(fā)電是繼水電和風(fēng)力發(fā)電之后全球第三大可再生能源[2]。截至2016年底，全球光伏裝機(jī)容量增加到300千兆瓦以上，約占全球電力需求的2%。中國(guó)是增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)，其次是日本和美國(guó)，而德國(guó)仍然是全球最大的生產(chǎn)國(guó)，太陽(yáng)能光伏提供了每年國(guó)內(nèi)電力需求的7%。利用當(dāng)前的技術(shù)，光伏技術(shù)在南歐1.5年和北歐2.5年內(nèi)回收了生產(chǎn)所需的能源。光伏技術(shù)最廣為人知的是一種利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成光電效應(yīng)的電子流的發(fā)電方法。太陽(yáng)能電池利用陽(yáng)光產(chǎn)生直流電，可以為設(shè)備供電或?yàn)殡姵爻潆?。光伏技術(shù)的第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是為軌道衛(wèi)星和其他航天器提供動(dòng)力，但如今大多數(shù)光伏組件都用于并網(wǎng)發(fā)電。在這種情況下，需要一個(gè)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。光伏發(fā)電采用由多個(gè)太陽(yáng)能電池組成的太陽(yáng)能電池板，其中包含光伏材料。銅太陽(yáng)能電纜連接模塊、陣列和子場(chǎng)。由于對(duì)可再生能源的需求不斷增長(zhǎng)，近年來(lái)太陽(yáng)能電池和光伏陣列的制造業(yè)有了很大的發(fā)展。太陽(yáng)能光伏發(fā)電長(zhǎng)期以來(lái)被視為一種清潔能源技術(shù)，它利用了地球上最豐富、分布最廣的可再生能源——太陽(yáng)。電池需要保護(hù)，不受環(huán)境影響，通常被緊緊地包裝在太陽(yáng)能電池板中。光伏發(fā)電容量是以瓦特峰值為單位，在標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試條件下測(cè)量的最大功率輸出根據(jù)地理位置、一天中的時(shí)間、天氣條件和其他因素，特定時(shí)間點(diǎn)的實(shí)際功率輸出可能小于或大于該標(biāo)準(zhǔn)化值或“額定”值。太陽(yáng)能光伏陣列的容量系數(shù)通常低于25%，這比許多其他工業(yè)用電源都要低。

1.2 繼電保護(hù)的內(nèi)涵

在電氣工程中，保護(hù)繼電器是一種繼電器裝置，用于在檢測(cè)到故障時(shí)使斷路器跳閘。保護(hù)繼電器是電磁裝置，依靠運(yùn)行在運(yùn)動(dòng)部件上的線圈來(lái)檢測(cè)異常運(yùn)行條件。基于微處理器的數(shù)字保護(hù)繼電器現(xiàn)在可以模擬原始設(shè)備，并為機(jī)電繼電器提供實(shí)用的保護(hù)和監(jiān)控類型。機(jī)電繼電器僅提供故障位置和來(lái)源的基本指示。在許多情況下，單個(gè)微處理器繼電器提供的功能需要兩個(gè)或多個(gè)機(jī)電設(shè)備。通過(guò)在一個(gè)案例中組合多個(gè)功能，數(shù)字繼電器也比機(jī)電繼電器節(jié)省了資金成本和維護(hù)成本。重要的輸電線路和發(fā)電機(jī)都有專用于保護(hù)的隔間，有許多單獨(dú)的機(jī)電設(shè)備，或一個(gè)或兩個(gè)微處理器繼電器。為了迅速采取行動(dòng)保護(hù)電路和設(shè)備，通常需要保護(hù)繼電器在幾千分之一秒之內(nèi)做出響應(yīng)并使斷路器跳閘。在某些情況下，維護(hù)或測(cè)試程序用于確定保護(hù)系統(tǒng)的性能和可用性。

2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型建立

2.1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型建立

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏陣列、最大功率點(diǎn)跟蹤器和直流變換器等構(gòu)成，光伏陣列由不同的光伏發(fā)電單元組件串聯(lián)組成，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。為了確保太陽(yáng)能資源得到最大化的應(yīng)用，控制光伏陣列應(yīng)該確保在最大功率點(diǎn)的位置。直流變換器是在光伏電池序列輸出發(fā)電過(guò)程中，使逆變器的直流滿足電壓的要求[3]。光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備是逆變器，其可以將直流電轉(zhuǎn)化成三相交流電，并且接入到電網(wǎng)中?？刂破髦饕菍?duì)電網(wǎng)的電壓進(jìn)行跟蹤，獲得電流信息。

2.2 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響理論分析

由于三相短路故障對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響非常大，在運(yùn)行中常常會(huì)發(fā)生三相短路的情況。針對(duì)不同容量光伏電源接入中，其對(duì)配電網(wǎng)短路電流的影響非常大。

2.2.1 系統(tǒng)電源側(cè)發(fā)生故障

在系統(tǒng)電源側(cè)發(fā)生故障后，系統(tǒng)側(cè)保護(hù)動(dòng)作發(fā)生，會(huì)出現(xiàn)跳閘的情況。經(jīng)過(guò)重合后，會(huì)出現(xiàn)非同期合閘的情況。為了有效的防止非同期合閘對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的破壞，光伏電源要直接與電網(wǎng)分離，防止配電系統(tǒng)短路對(duì)電流產(chǎn)生的影響。

2.2.2 光伏電源所在饋線上游發(fā)生故障

系統(tǒng)的線路參數(shù)非常重要，光伏系統(tǒng)受到反孤島保護(hù)，所以系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的短路。

3 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響仿真分析

3.1 仿真模型的建立

在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行研究中，結(jié)合實(shí)際的參數(shù)分析，建立仿真模型。系統(tǒng)電壓選取配電網(wǎng)的額定電壓為10.5KV，系統(tǒng)最大運(yùn)行方式的系統(tǒng)阻抗為0.09歐姆，配電網(wǎng)每條饋線上帶有4MVA負(fù)荷。在對(duì)架空線路選擇中，合理的分析其型號(hào)，每千米的電阻為0.223歐姆。配電網(wǎng)各個(gè)線路的首端都涉及三段式的電流保護(hù)裝置，按照傳統(tǒng)的方法，對(duì)電流保護(hù)定值進(jìn)行計(jì)算。分別計(jì)算各個(gè)線路的最大短路電流與最大負(fù)荷電流，然后計(jì)算線路三段保護(hù)的動(dòng)作電流。繼電器的一次繞組由電力系統(tǒng)電流互感器通過(guò)一個(gè)插頭橋供電，該橋被稱為插頭設(shè)置倍增器。通常七個(gè)等距抽頭或工作頻段決定繼電器的靈敏度。一次繞組位于上電磁鐵上。二次繞組與上電磁鐵相連，上電磁鐵由一次繞組供電并與下電磁鐵相連。一旦上下電磁鐵通電，它們就會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流被感應(yīng)到金屬圓盤上，并流過(guò)磁通路徑。渦流和磁通量之間的這種關(guān)系產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與初級(jí)繞組的輸入電流成比例，這是由于兩個(gè)磁通路徑的相位相差90度。在過(guò)電流條件下，將達(dá)到一個(gè)電流值，克服主軸和制動(dòng)磁鐵上的控制彈簧壓力，使金屬盤朝固定觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)[4]。圓盤的初始移動(dòng)也被切割到圓盤側(cè)面的小槽阻擋在臨界正電流值。轉(zhuǎn)動(dòng)觸點(diǎn)所需的時(shí)間不僅取決于電流，還取決于主軸逆止位置，即時(shí)間倍增器，時(shí)間倍增器被分為10個(gè)全旋轉(zhuǎn)時(shí)間的線性劃分。

3.2 仿真驗(yàn)證

在光伏電源從母線接入到配電網(wǎng)系統(tǒng)后，出現(xiàn)三相短路的問(wèn)題。

3.2.1 光伏電源所在饋線上游發(fā)生故障

配電網(wǎng)接入后，光伏電源的容量分別是0，1，2和3MW，在運(yùn)行0.5秒后發(fā)生三相短路問(wèn)題，故障持續(xù)了0.3秒。在不同容量下，光伏電源出現(xiàn)兩次短路情況。當(dāng)三相短路發(fā)生后，隨著系統(tǒng)電流的增大，短路部分的電流減小，導(dǎo)致短路出出現(xiàn)拒動(dòng)作。靜態(tài)繼電器沒(méi)有或只有很少的運(yùn)動(dòng)部件，隨著晶體管的引入而變得實(shí)用。靜態(tài)繼電器的測(cè)量元件由二極管、齊納二極管、雪崩二極管、單結(jié)晶體管、p-n-p和n-p-n雙極晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管或它們的組合成功地和經(jīng)濟(jì)地構(gòu)成。6個(gè)靜態(tài)繼電器比純機(jī)電繼電器具有更高的靈敏度，因?yàn)閜操作輸出觸點(diǎn)的電源來(lái)自單獨(dú)的電源，而不是來(lái)自信號(hào)電路。靜態(tài)繼電器消除或減少了接觸反彈，可提供快速操作、長(zhǎng)壽命和低維護(hù)。

3.2.2 光伏電源相鄰饋線發(fā)生故障

配電網(wǎng)接入到光伏電源后，容量分別記為0，1，2和3，其在0.5秒時(shí)發(fā)生三相短路問(wèn)題，故障持續(xù)時(shí)間為0.2秒。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路問(wèn)題后，隨著電流的上升，短路處的電流先減小后增大。數(shù)字繼電器可以在一個(gè)裝置中模擬多個(gè)分立機(jī)電繼電器的功能，簡(jiǎn)化保護(hù)設(shè)計(jì)和維護(hù)。每個(gè)數(shù)字繼電器可以運(yùn)行自檢程序，以確認(rèn)其準(zhǔn)備就緒，并在檢測(cè)到故障時(shí)發(fā)出警報(bào)。數(shù)字繼電器還可以提供通信接口、觸點(diǎn)輸入監(jiān)測(cè)、測(cè)量、波形分析和其他有用功能。數(shù)字繼電器可以存儲(chǔ)多組保護(hù)參數(shù)，允許在維護(hù)附屬設(shè)備期間更改繼電器的行為。數(shù)字繼電器還可以提供機(jī)電繼電器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的保護(hù)策略，尤其是在遠(yuǎn)距離高壓或多終端電路中，或在串聯(lián)或并聯(lián)補(bǔ)償?shù)木€路中，它們還提供了自我測(cè)試和與監(jiān)控系統(tǒng)通信的好處。

4 結(jié)語(yǔ)

在采用新能源并網(wǎng)中，要合理的采用繼電保護(hù)，防止其對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生影響。當(dāng)光伏電源所在饋線下游發(fā)生短路故障后，會(huì)產(chǎn)生繼電保護(hù)拒動(dòng)作，所以，要有效的防止饋線下游發(fā)生短路[5]。繼電保護(hù)在新能源并網(wǎng)中發(fā)揮的作用非常大，促進(jìn)電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行，有效的降低短路問(wèn)題的發(fā)生率，提升電網(wǎng)的運(yùn)行效率，促進(jìn)電力資源的高效供應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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