分布式光伏并網(wǎng)一體化裝置研制與應(yīng)用

北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司 潘 博 秦 鵬 劉 剛 嘉興國電通新能源科技有限公司 張 峰 龍亞洲

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電力需求迅速增長，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，但超大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端也日益凸顯，成本高、運行難度大，難以適應(yīng)用戶越來越高的安全和可靠性要求以及多樣化的供電需求。光伏分布式發(fā)電倡導(dǎo)就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換、就近使用的原則，具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安裝地點靈活等優(yōu)點，不僅能夠有效提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題，是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式，獲得了快速發(fā)展。分布式光伏并網(wǎng)是光伏發(fā)電的主流發(fā)展模式，同時對如何保證并網(wǎng)安全提出了嚴格要求。

分布式光伏智能并網(wǎng)箱，結(jié)合并網(wǎng)光伏逆變器，可以為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的并網(wǎng)控制技術(shù)，與大電網(wǎng)靈活連接、快速斷開，形成有機整體，既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)，也可在電網(wǎng)故障時通過快速開關(guān)進行快速跳閘，與大電網(wǎng)斷開，降低對大電網(wǎng)質(zhì)量的影響，滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全的要求。

分布式光伏智能并網(wǎng)箱將關(guān)鍵設(shè)備高度集中，完成通訊、數(shù)據(jù)采集和處理、離網(wǎng)/并網(wǎng)控制、計量等功能。并網(wǎng)模式是指在正常情況下，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，向電網(wǎng)提供電能。當檢測到內(nèi)部故障、電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以與主網(wǎng)斷開，為系統(tǒng)提供了更高的供電可靠性。

1 功能技術(shù)指標

分布式光伏智能并網(wǎng)箱同并網(wǎng)光伏逆變器、光伏組件配合組成分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，具有自動并網(wǎng)、孤島保護、快速故障隔離、接受調(diào)度、電能計量等功能，既保證了配電網(wǎng)的安全性，減少了分布式電源對配電網(wǎng)的影響，又提高了分布式電源的利用效率，是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)重要的關(guān)鍵設(shè)備。

分布式光伏并網(wǎng)一體化裝置具備的主要功能有以下方面[1]。

1.1 檢測功能

可實現(xiàn)并網(wǎng)點線路的交流量采集，可輸出線路的三相電壓、三相電流、零序電壓、正序電壓、負序電壓、零序電流、發(fā)電量等，并計算出每條線路的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、諧波等電能質(zhì)量參數(shù)。

1.2 保護功能

三段可經(jīng)方向和復(fù)壓閉鎖的過流保護：方向元件、復(fù)壓元件各段電流可獨立投退；禁止對各段定值大小作自動比對校核及報錯；每段只設(shè)置一個時限；禁止使用組合16進制控制字或矩陣方式出口。PT斷線后自動轉(zhuǎn)純過流，方向元件退出。

二段零序過流保護：可獨立投退；方向元件、零壓元件各段電流可獨立投退；禁止對各段定值大小作自動比對校核及報錯；每段只設(shè)置一個時限。過負荷保護：可獨立投退。

兩段低電壓保護、兩段過電壓保護、兩段低頻保護、兩段高頻保護：可獨立投退；禁止含有滑差閉鎖功能。

逆功率保護：可獨立投退；以電流進行整定，功率自動計算。

以上繼電保護整定模塊獨立，與其它參數(shù)模塊（如四遙、電壓合格等）設(shè)置分離。

1.3 并網(wǎng)投切功能

能夠通過本地控制或者接受主站控制指令，實現(xiàn)以下動作：開關(guān)分合閘、逆變器啟停、逆變器功率調(diào)節(jié)、逆變器復(fù)位操作等。裝置支持遠方/就地把手輸入，當裝置進行后臺或調(diào)度遙控時，必須使把手處于“遠方”位置；當裝置進行當?shù)孛姘宀僮鲿r，必須使把手處于“當?shù)亍蔽恢?，本地控制?yōu)先級大于遠程控制。具有遠程控制閉鎖功能、本地操作閉鎖功能，在電力檢修時進行分布式電源的發(fā)電閉鎖。另外，裝置應(yīng)具有“檢修”功能，當對應(yīng)一次設(shè)備或繼電保護設(shè)備進行檢修時可以使用。當裝置處于檢修狀態(tài)時，屏蔽遠方遙控命令，遙測量、遙信量應(yīng)設(shè)置相應(yīng)品質(zhì)位。

接入裝置應(yīng)具備開關(guān)檢無壓自動分閘、檢有壓自動合閘功能。當檢測到系統(tǒng)無壓，經(jīng)延時自動分閘；當檢測到系統(tǒng)側(cè)有壓，經(jīng)20s延時自動合閘。

1.4 通訊功能

對上可通過百兆網(wǎng)關(guān)方式與與主站進行通訊，通過總召查詢、變位主動上送等方式將狀態(tài)信息上傳至主站系統(tǒng)，須支持IEC61850、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104等通訊規(guī)約報文的采集和解析，并支持規(guī)約擴展；對下可通過Modbus總線、串行通信線、以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)或光纖方式與逆變器、環(huán)境監(jiān)測儀、智能電表、380V分布式電源并網(wǎng)接入裝置等設(shè)備通訊，并能將信息向分布式電源調(diào)控平臺發(fā)布。應(yīng)能與主站平臺協(xié)同實現(xiàn)信道通訊狀態(tài)與質(zhì)量的檢測。支持導(dǎo)出遙信、遙測、遙控表以及經(jīng)過邏輯處理的邏輯表等。支持的轉(zhuǎn)發(fā)目的地址不少于4個。

1.5 記錄存儲功能

可在本地存儲器中記錄并網(wǎng)點、分布式電源電站事件。包括：開關(guān)動作事件、狀態(tài)異常事件、一般事件（如設(shè)置參數(shù)改變等）。接入裝置具備歷史數(shù)據(jù)記錄功能，記錄深度為不小于二個月，可實現(xiàn)主站記錄深度內(nèi)任意一天的任意數(shù)據(jù)的補召喚。

2 裝置硬件設(shè)計

分布式光伏并網(wǎng)一體化接入裝置通過對電網(wǎng)電壓、電流數(shù)據(jù)的采集來監(jiān)測公共并網(wǎng)點電能質(zhì)量各項指標，并通過所采集的電能質(zhì)量對并網(wǎng)進行控制、保護，并通過IEC61850規(guī)約完成與監(jiān)控系統(tǒng)進行相關(guān)數(shù)據(jù)交換。分布式光伏并網(wǎng)一體化接入裝置采用DSP+ARM雙核心控制系統(tǒng)。DSP擁有大的數(shù)所處理能力和邏輯、控制能力，因此在本項目中用來進行采樣數(shù)據(jù)的處理、計算和繼電保護邏輯的實現(xiàn)，主要完成三相電壓、電流瞬時量的采樣、有效值計算、采樣同步算法、FFT算法進行諧波分析、有功無功電流計算、電網(wǎng)不平衡度計算、繼電保護的保護邏輯算法。ARM以發(fā)揮其非接口豐富、開發(fā)便捷的優(yōu)勢，在本項目中完成裝置與系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備通訊的下行通信規(guī)約——Modbus規(guī)約、與上級站點數(shù)據(jù)交換的百兆網(wǎng)口中的ICE61850規(guī)約以及控制面板控制開關(guān)、指示燈及顯示等人機交互單元。

控制電路設(shè)計整個大系統(tǒng)中基于DSP的計算模塊的軟件程序往往采用混合編程的方法將C語言與匯編語言結(jié)合起來，其中循環(huán)主程序和一些功能子程序是通過用C語言編譯，提高編程效率，增強程序可讀性，便于調(diào)試。而復(fù)雜的算法子程序如FFT運算我們使用匯編語言來編譯，整個程序使用模塊化設(shè)計。

本裝置實現(xiàn)并網(wǎng)點線路的交流量采集、電能質(zhì)量的監(jiān)控、并網(wǎng)點保護與投切功能，還可通過下行通信接口與系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，通過百兆網(wǎng)關(guān)與上級站點進行通信。本裝置交流電壓與電流由電壓、電流互感器引入，經(jīng)低調(diào)理電路對其進行換后模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364，對六路電壓電流量瞬時值采樣后，送入數(shù)字信號處理器TMS320F28335，由其對電壓電流數(shù)椐分析計算，得到電壓電流有效值、頻率、周期、電壓諧波、電流諧波、不平衡度等檢測參數(shù)。通過對采樣計算所得數(shù)據(jù)，結(jié)合繼保整電參數(shù)，按繼電保護邏輯控制雙穩(wěn)態(tài)永磁開關(guān)。對并網(wǎng)電進行保護與投切控制。

3 并網(wǎng)點保護方案

3.1 過電流保護

分布式并網(wǎng)接口保護裝置設(shè)有過電流保護，有獨立的電流定值和時間定值以及控制字。可獨立選擇是否經(jīng)復(fù)壓閉鎖（低電壓和負序電壓），是否經(jīng)方向閉鎖[2]。

3.2 過欠壓保護

對于小型分布式電源，當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)異常時，過欠電壓保護將發(fā)揮作用，按表1要求的時間實現(xiàn)分布式電源停止發(fā)電。此要求適用于三相系統(tǒng)中的任一相。

表1 分布式電源在電網(wǎng)電壓異常時的分閘時間響應(yīng)要求

分布式并網(wǎng)接口保護裝置設(shè)有低電壓保護和過電壓保護功能，用于電網(wǎng)電壓由于故障等因素引起系統(tǒng)低壓或者高壓時的跳閘要求。

3.3 低電壓保護

三個線電壓均小于低電壓保護定值范圍，時間超過整定時間時，低電壓保護動作。低電壓保護經(jīng)TWJ位置閉鎖。

3.4 過電壓保護

三個線電壓任何一個大于過電壓保護定值，時間超過整定時間時，過電壓保護動作。過電壓保護經(jīng)TWJ位置閉鎖。

3.5 逆功率保護

目前分布式電源并網(wǎng)的逆功率保護，通常采用cosφ型。

若分布式電源逆功率運行時，輸出電壓約為額定值的情況下，cosφ型逆功率繼電器的測量回路輸出電壓U0將正比于輸入功率UIcosφ，能做到正比于Icosφ。在其最大靈敏角cosφ=180°時的動作電流為I0（I0=P0/U），P0為逆功率運行時的二次側(cè)功率值，可根據(jù)分布式電源的實際情況整定（U、I0分別為二次側(cè)的線電壓和線電流）。則臨界動作電流Id為：

Id=I0cosφ

分布式并網(wǎng)接口保護裝置具有低功率或逆功率保護功能，可以在分布式電源并網(wǎng)點檢測到逆向電流、或者公共電網(wǎng)的輸送電流接近于0時，保護裝置應(yīng)快速斷開分布式電源。

4 結(jié)語

隨著大量的分布式光伏電站接入電網(wǎng)，改變了電網(wǎng)潮流，影響了電能質(zhì)量和電網(wǎng)安全穩(wěn)定。分布式光伏并網(wǎng)一體化接入裝置不僅可實現(xiàn)分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的保護、測量、控制、電能質(zhì)量監(jiān)視，同時還具備通信管理功能，啟到承上啟下的作用。一方面可以收集系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備（逆變器、電度表等）的信息并上送到分布式監(jiān)控主機、調(diào)度，另一方面可以接收主機、調(diào)度的遙控、啟停等命令，實現(xiàn)遠方控制和管理功能。