分布式光伏發(fā)電的繼電保護(hù)措施

秦金宣

太陽(yáng)能是一種具有可再生、對(duì)環(huán)境友好、清潔 等特征的新能源，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)在太陽(yáng) 能開(kāi)發(fā)、利用方面的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，同時(shí)太陽(yáng)能的 收集比較容易，應(yīng)用十分便捷，因此已經(jīng)在我國(guó)多個(gè)領(lǐng)域 得到了應(yīng)用。在國(guó)家的大力推廣下，目前我國(guó)在分布式光 伏發(fā)電的研究、實(shí)踐方面均取得了許多成果，但關(guān)于分布 式光伏發(fā)電繼電保護(hù)策略的研究相對(duì)較少，有待深入研究 。

（一）概念

分布式光伏發(fā)電指的是利用光伏組件進(jìn)行光伏 發(fā)電的一種方法，其通常是以用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量 上網(wǎng)為主要運(yùn)行方式。分布式光伏發(fā)電可以對(duì)當(dāng)?shù)氐奶?yáng) 能資源進(jìn)行充分利用，從而可以降低對(duì)煤炭、石油等傳 統(tǒng)能源的消耗。分布式光伏發(fā)電的適用范圍較廣，既可以 應(yīng)用于城市、鄉(xiāng)村，也可以建設(shè)在山區(qū)、牧區(qū)。分布式光 伏發(fā)電有著良好的發(fā)展前景。

（二）組成

分布式光伏發(fā)電是一種新興的能源綜合利用的 發(fā)電方式。當(dāng)前新能源的開(kāi)發(fā)與利用已經(jīng)成為生態(tài)經(jīng)濟(jì)建 設(shè)的主要著力點(diǎn)與促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的重要推動(dòng)力，在這 樣的背景下，分布式光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)與利用的一 種實(shí)踐成果，在我國(guó)有著良好的發(fā)展前景。分布式光伏發(fā) 電系統(tǒng)倡導(dǎo)就近發(fā)電、就近轉(zhuǎn)換、就近并網(wǎng)以及就近使用 ，可提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，還解決了電力在長(zhǎng) 途運(yùn)輸、升壓過(guò)程中的損耗問(wèn)題，是一種高效、節(jié)能、 安全的太陽(yáng)能發(fā)電方式。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由蓄電池組、控制器 、直流/交流逆變器、由光伏組件串聯(lián)或并聯(lián)組成的光伏 方陣等部分組合而成。光伏組件是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中 的核心，光伏組件是由太陽(yáng)能電池即光伏電池以并聯(lián)或 者是串聯(lián)的形式連接起來(lái)并封裝組成，其可以直接將太陽(yáng) 的光能轉(zhuǎn)換成電能，且為直流電，可以直接利用，也可以 使用直流/交流逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。也就是說(shuō) ，針對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)的電能，可即發(fā)即用，也能 用儲(chǔ)能裝置如蓄電池等儲(chǔ)存起來(lái)，有需要的時(shí)候可隨時(shí)釋放 出來(lái)。

（三）原理

太陽(yáng)能是一種應(yīng)用十分廣泛的清潔型、可再生 能源，其本身屬于輻射能，無(wú)法被直接利用，只能采用能 量轉(zhuǎn)換器件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的應(yīng) 用，太陽(yáng)能電池是主要的能量轉(zhuǎn)換器件，可以起到能量轉(zhuǎn) 換的作用，在太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)與利用過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān) 重要的作用。對(duì)太陽(yáng)能電池的作用原理進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其 屬于半導(dǎo)體器件，以光電轉(zhuǎn)換原理為依托，在經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體 物質(zhì)的時(shí)候，太陽(yáng)的輻射光便會(huì)被轉(zhuǎn)換為電能，這一過(guò)程 被稱作光生伏打效應(yīng)，所以，太陽(yáng)能電池也被稱作光伏電 池。光伏電池可起到光電轉(zhuǎn)換的作用，可以將太陽(yáng)輻射能 直接轉(zhuǎn)換為直流電，是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本單元。 將磷或硼等元素?fù)降骄w硅中，組成混合材料，混合材 料的分子電荷中，產(chǎn)生永久的不平衡，形成具有特殊電性 能的半導(dǎo)體材料，由這種半導(dǎo)體材料制成的光伏電池，在 太陽(yáng)光的照射下，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生自由電荷，同時(shí)自由電荷會(huì) 在光伏電池內(nèi)部產(chǎn)生定向移動(dòng)、積累，在兩端閉合的時(shí)候 便會(huì)產(chǎn)生電能，這便是光生伏打效應(yīng)。

（四）特點(diǎn)

分布式光伏發(fā)電有四項(xiàng)基本特征，第一項(xiàng)特征 是污染較低，有著理想的環(huán)保效益，在進(jìn)行發(fā)電的過(guò)程中 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)不會(huì)對(duì)水環(huán)境、大氣環(huán)境造成污染， 也不會(huì)產(chǎn)生噪聲污染、光污染;第二項(xiàng)特征是輸出功率較 低，一個(gè)獨(dú)立的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，通常情況下容量 為數(shù)千瓦，集中式電站的大小會(huì)影響發(fā)電效率，而光伏 電站不同，其大小不會(huì)給發(fā)電效率造成太大的影響，小 型分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的投資收益率與大型分布式光伏 發(fā)電項(xiàng)目的投資收益率相差不大;第三項(xiàng)特征是可做到發(fā) 電用電并存，對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大型地面電站運(yùn) 行過(guò)程中，發(fā)電是升壓接入輸電網(wǎng)，僅作為發(fā)電電站，分 布式光伏發(fā)電是接入配電網(wǎng)，同時(shí)要求盡量就地消納;第 四項(xiàng)特征是有利于改善局部地區(qū)的用電緊張問(wèn)題，分布式 光伏發(fā)電能量密度較低，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)每平方米的 功率約為100W左右，且安裝光伏組件需要占用建筑屋頂， 涉及人民群眾的切身利益，需做好溝通工作，這就增加 了分布式光伏發(fā)電的推廣難度，導(dǎo)致其無(wú)法從根本上解決 電能短缺的問(wèn)題。

A地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，常年日照數(shù)約為 2398.6h，經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)該地的光照條件能夠滿足光伏發(fā)電項(xiàng) 目建設(shè)的要求，且經(jīng)可行性分析、經(jīng)濟(jì)性分析判定可起到 理想的經(jīng)濟(jì)效益。集團(tuán)公司的光伏發(fā)電項(xiàng)目，采用的形式 為光伏并網(wǎng)發(fā)電，可分為分布式光伏發(fā)電、集中式光伏發(fā) 電。首先，分布式并網(wǎng)指的是，將小型光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝 在靠近供電負(fù)荷的區(qū)域，可直接分配至負(fù)載上，借助電網(wǎng) 進(jìn)行余電調(diào)節(jié)、電力供應(yīng);其次，集中式并網(wǎng)指的是，將 光伏發(fā)電站生產(chǎn)的電能直接輸送至電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一供電。

（一）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后配電網(wǎng)的變化

集團(tuán)公司已建成的配電網(wǎng)，以單一輻射狀供電 結(jié)構(gòu)為主，潮流按照從電源到負(fù)荷的方向進(jìn)行單向流動(dòng)。 配電網(wǎng)的繼電保護(hù)為放射狀配置方式，可達(dá)到逐級(jí)配置、上下配合的效果，從而實(shí)現(xiàn)停電范圍的縮減，一旦發(fā)生故 障便可以準(zhǔn)確定位故障所在位置。

配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后發(fā) 生了明顯的改變，即轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫垂╇娊Y(jié)構(gòu)，與此相對(duì)應(yīng) 的，潮流流向也出現(xiàn)了明顯的改變，分布式光伏發(fā)電的投 入位置、容量不同，配電網(wǎng)的潮流分布點(diǎn)也會(huì)發(fā)生相應(yīng) 的變化，從而使得原有繼電保護(hù)裝置受到較大的影響。 配電網(wǎng)中出現(xiàn)故障時(shí)，短路電流方向與大小會(huì)發(fā)生改變， 進(jìn)而容易使配電網(wǎng)出現(xiàn)孤島運(yùn)行的現(xiàn)象，同時(shí)還會(huì)使繼電 保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)作，例如重合閘重合失敗、距離保護(hù)失 靈、保護(hù)靈敏度降低都是常見(jiàn)的誤動(dòng)作。隨著分布式光 伏發(fā)電項(xiàng)目數(shù)量的增多、規(guī)模的擴(kuò)大，分布式光伏并網(wǎng) 容量也在不斷增加，因此傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)已經(jīng)無(wú)法滿 足新要求，必須探索更加科學(xué)有效的繼電保護(hù)措施。

（二）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)三段式電流保護(hù)的影響

集團(tuán)公司配電網(wǎng)主要采用三段式電流保護(hù)，配 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入之后，其復(fù)雜程度明 顯提高，這就給三段式電流保護(hù)帶來(lái)了巨大的影響。主 要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，保護(hù)的靈敏度受到嚴(yán)重影 響。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)之前，配電網(wǎng)存在 故障的情況下，短路電流的輸送途徑只有一個(gè)，也就是電 網(wǎng)，這樣的情況下，僅需解決系統(tǒng)本身存在的電流，便能 起到保護(hù)作用，整個(gè)過(guò)程比較簡(jiǎn)單、方便。但在分布式光 伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)之后，應(yīng)具體情況具體分析，如果 出現(xiàn)故障的線路處于光伏并網(wǎng)點(diǎn)的下游，則除了電網(wǎng)之外 ，光伏電源也會(huì)輸送短路電流，這對(duì)于繼電保護(hù)裝置來(lái)說(shuō) ，其僅能檢測(cè)到系統(tǒng)中的短路電流，不能檢測(cè)到光伏電站 提供的短路電流，這就導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的靈敏度被降低 。第二，保護(hù)的準(zhǔn)確性受到明顯影響。電網(wǎng)出現(xiàn)故障的 時(shí)候，光伏電源會(huì)導(dǎo)致下游保護(hù)的短路電流大幅度上漲， 這就會(huì)降低線路保護(hù)的靈敏度，影響保護(hù)的準(zhǔn)確性，主要 表現(xiàn)為繼電保護(hù)裝置拒動(dòng)或誤動(dòng)。

（三）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入位置對(duì)配電網(wǎng) 繼電保護(hù)的影響

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入位置，可以分為三 種情況：第一種是在始端接入，這種情況下，光伏電源 的供電會(huì)導(dǎo)致短路點(diǎn)下游保護(hù)的故障電流大幅度增加，進(jìn) 而使繼電保護(hù)裝置誤動(dòng);第二種是在中段接入，這種情況 下，受到光伏電源的影響，流過(guò)繼電保護(hù)裝置的短路電流 減少，容易使其拒動(dòng);第三種是在末端接入，這種情況下 不會(huì)給故障點(diǎn)上游造成影響，但是光伏電源的接入會(huì)使故 障點(diǎn)的下游容易出現(xiàn)孤島效應(yīng)。孤島效應(yīng)指的是，配電網(wǎng) 中含分布式光伏電源的情況下，在停電檢修或者是出現(xiàn)電 網(wǎng)側(cè)故障的時(shí)候，分布式光伏電源沒(méi)有及時(shí)斷開(kāi)與電網(wǎng)的 連接，持續(xù)朝著周圍供電，形成一個(gè)自給的供電孤島。孤 島效應(yīng)會(huì)給電網(wǎng)造成嚴(yán)重的影響，主要體現(xiàn)在：第一， 孤島系統(tǒng)的頻率、電壓穩(wěn)定性較差，容易導(dǎo)致用戶端的設(shè) 備發(fā)生損壞;第二，會(huì)給人身安全造成一定的威脅，電網(wǎng) 停電的情況下，用戶和電網(wǎng)維護(hù)人員可能不清楚孤島系統(tǒng) 會(huì)繼續(xù)送電，如果誤觸，可能引起觸電事故;第三，孤島 系統(tǒng)重新接入電網(wǎng)的時(shí)候，可能出現(xiàn)非同步并網(wǎng)的現(xiàn)象， 給設(shè)備、電網(wǎng)造成電流沖擊。

（四）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)容量較大對(duì)配電網(wǎng) 繼電保護(hù)的影響

在國(guó)家的大力支持與推動(dòng)下，現(xiàn)如今我國(guó)分布 式光伏發(fā)電項(xiàng)目的數(shù)量不斷增多、規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，這 就使得光伏并網(wǎng)容量呈現(xiàn)出持續(xù)性增加的態(tài)勢(shì)。對(duì)經(jīng)過(guò)繼 電保護(hù)裝置的短路電流的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)查，由于分流作 用，上游短路電流減小，保護(hù)距離會(huì)縮短;下游短路電流 加大，這就使得繼電保護(hù)裝置容易發(fā)生誤動(dòng)。

（五）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)對(duì)自動(dòng)重合閘的影響

光伏并網(wǎng)后，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此 也會(huì)給自動(dòng)重合閘帶來(lái)一定的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè) 方面：第一，非同期重合閘。瞬時(shí)性故障發(fā)生后，重合閘 前加速保護(hù)動(dòng)作，便可以將故障切除。但是，若是分布式 光伏發(fā)電系統(tǒng)沒(méi)有解列，則系統(tǒng)側(cè)重合的時(shí)候，光伏電源 、系統(tǒng)之間會(huì)出現(xiàn)一定的相位差，從而產(chǎn)生沖擊電流，導(dǎo) 致繼電保護(hù)誤動(dòng)作。光伏電源、系統(tǒng)甚至?xí)喾?，產(chǎn)生非 常大的沖擊電流，嚴(yán)重?fù)p壞電力系統(tǒng)。第二，重合閘誤動(dòng) 作。配電網(wǎng)采用三段式電流保護(hù)的情況下，由于保護(hù)無(wú)法 判斷故障電流方向，因此在相鄰線路出現(xiàn)故障的時(shí)候，反 向電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致重合閘誤動(dòng)作，如果出現(xiàn)的故障是永久 性故障，則會(huì)造成重合失敗，導(dǎo)致正常線路供電中斷。

（一）基于方向元件的解決方案

集團(tuán)公司配電網(wǎng)采用了三段式電流保護(hù)，無(wú)須 設(shè)置方向元件便能實(shí)現(xiàn)對(duì)線路全長(zhǎng)的有效保護(hù)，但在分布 式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后，系統(tǒng)潮流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的改變 。因此，可以采取設(shè)置功率方向元件的方法，對(duì)故障方 向進(jìn)行判別，以解決配電保護(hù)不正確動(dòng)作的問(wèn)題。但對(duì)實(shí) 際情況進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于受到逆變器的干擾，光伏電源 側(cè)、電網(wǎng)側(cè)的保護(hù)安裝點(diǎn)，電流與電壓相位差存在著顯著 的差異，這樣的狀況下若是依然使用傳統(tǒng)方向元件，便 容易出現(xiàn)誤判的問(wèn)題。面對(duì)這樣的問(wèn)題，可對(duì)保護(hù)方向元 件動(dòng)作判據(jù)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，以預(yù)防誤判問(wèn)題的發(fā)生，保 障配電保護(hù)的有效性。針對(duì)選擇非低電壓穿越控制的光 伏系統(tǒng)，光伏側(cè)保護(hù)方向元件的動(dòng)作判據(jù)是：正序電流 與保護(hù)安裝點(diǎn)電壓和的向量夾角（a）為-80°（含-80° ）至105°（含105°），電網(wǎng)側(cè)保護(hù)方向元件的動(dòng)作 判據(jù)為：a為-75°（含-75°）至100°（含100°） ;針對(duì)選擇低電壓穿越控制的光伏系統(tǒng)，光伏側(cè)保護(hù)方 向元件的動(dòng)作判據(jù)是：a為-10°（含-10°）至105° （含105°）;電網(wǎng)側(cè)保護(hù)方向元件的動(dòng)作判據(jù)為：a為 -75°（含-75°）至170°（含170°）。按照整定 原則，方向元件能夠?qū)收戏较蜻M(jìn)行有效識(shí)別，從而 可以確保配電保護(hù)的正確動(dòng)作。

（二）基于通信原理的電流保護(hù)改進(jìn)方案

對(duì)集團(tuán)公司配電網(wǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng) 濟(jì)性較好的一種方法是對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)?；?通信原理的電流保護(hù)改進(jìn)方案，引入對(duì)端互發(fā)信號(hào)在縱聯(lián) 保護(hù)中的作用，借助電氣量的方向性對(duì)故障進(jìn)行合理評(píng)估 ，依靠單側(cè)通信設(shè)備的傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障線路的有效排除 。在實(shí)際應(yīng)用這一方案的時(shí)候，需要將通信設(shè)備安裝在 線路兩端，但無(wú)需安裝互感器。

（三）基于光伏電源的自適應(yīng)電流保護(hù)改進(jìn)方 案

該方案指的是，借助功率方向元件，初步概括 性地識(shí)別故障方向，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮短路電流的負(fù) 序、零序分量，判斷是哪種類型的故障問(wèn)題，并以此為根 據(jù)，選擇整定值，對(duì)保護(hù)的電流電壓與相應(yīng)整定值等數(shù)據(jù) 信息進(jìn)行全面分析，決定是否動(dòng)作。在基于光伏電源的自 適應(yīng)電流保護(hù)改進(jìn)方案中，根據(jù)光伏電源的位置不同、容 量不同，整定值可實(shí)時(shí)改變，解決了由于光伏電源接入 配電網(wǎng)而導(dǎo)致的繼電保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)問(wèn)題。但是，這一方 案的經(jīng)濟(jì)性較低，對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化水平有著較高的要求。

（四）防孤島措施

科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，光伏發(fā)電技術(shù)也 在不斷改進(jìn)、優(yōu)化，越來(lái)越多的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入 電網(wǎng)，由此帶來(lái)的孤島問(wèn)題也愈發(fā)明顯。為解決孤島問(wèn)題 ，可采取微電網(wǎng)系統(tǒng)，這種電力系統(tǒng)是由保護(hù)裝置、控制 裝置、儲(chǔ)能、負(fù)荷以及分布式電源組成，其可根據(jù)當(dāng)?shù)刎?fù) 荷、光伏并網(wǎng)容量確定計(jì)劃性孤島區(qū)域，如果發(fā)生電網(wǎng)停 電的情況，則可按照預(yù)定控制策略，有計(jì)劃地進(jìn)行孤島運(yùn) 行，同時(shí)可以采取技術(shù)手段，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠向周圍 負(fù)荷進(jìn)行穩(wěn)定供電，并能確保電能質(zhì)量。

綜上，繼電保護(hù)問(wèn)題是分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目發(fā) 展過(guò)程中的一個(gè)制約因素，應(yīng)在明確分布式光伏發(fā)電系統(tǒng) 接入對(duì)配網(wǎng)繼電保護(hù)影響的前提下，采取科學(xué)、有效的解 決對(duì)策，以確保繼電保護(hù)的可靠性。