光伏发电接入电网对电力系统继电保护产生的影响张天翼

光伏发电接入电网对电力系统继电保护产生的影响张天翼

张天翼

（国电科学技术研究院江苏南京210023）

摘要：光伏发电以其清洁、能量巨大等特点备受世界各国的关注，世界范围的光伏产业发展十分迅速。受我国政策的支持，近年来发电量在逐年增加，但由于其小型化、布置分散、输出功率不稳定的特点，也给电力系统保护配置以及电能质量带来一定的影响。因此研究并网光伏发电对继电保护及电能质量的影响，对进一步完善大电网与分布式发电系统具有重要意义

关键词：光伏发电；继电保护；电能质量

1光伏并网发电原理及特点

光伏发电即利用光伏电池阵列将太阳能转换成直流电，再通过直流/交流（DC/AC）并网逆变器将直流电逆变成50Hz、220/380V的交流电，继而并入电网。光伏并网发电系统的模型主要由太阳能光伏阵列、并网逆变器、计量装置及配电系统组成，光伏发电系统结构如图1所示。逆变装置可以分为单级式逆变和多级式逆变，多级式逆变便于实现最大功率跟踪控制和直流电压的控制，但是电力电子器件数目的增多使得结构变的复杂，同时增加了电能损耗，接入电网时对电网产生一定的影响。对于并网型光伏系统，在向当地负荷提供电能和向电网输送电能时，由于太阳光照受四季、昼夜等气象条件的影响，造成输出功率的波动，此外电力电子设备的使用对电网的谐波也产生一定的影响。当并网容量较大时，光伏系统对电网的影响尤其突出。为了使电网能够安全稳定经济地运行，光伏系统发出的电能质量应在谐波、电压、频率等方面满足国家相关标准。尽管目前有些电网并网的光伏容量依然很小，但是为了能够更好地利用太阳能，合理优化资源配置，最大限度地利用清洁能源，对光伏发电系统接入电网的保护及电能质量的影响进行分析十分必要。

2光伏并网对继电保护的影响

2.1对配电网继电保护的影响分析

传统的配电网呈放射形结构，并由单电源供电，其继电保护模块也是以此为基础设计和配置的。在放射状电力系统中，由于只有一个电源向故障点提供故障电流，因此清除故障只需要跳开系统侧的断路器1QF就能完成，如图2所示。图2中，IS为系统故障电流，IR为流过保护的故障电流，IF为流过故障点的电流，当无光伏发电系统（PV）接入时，如式(1)所示的关系：IS=IR=IF(1)。当光伏发电接入配电网后，配电网的结构将由单电源变为多电源。配电网发生故障时，传统电源和光伏发电模块都会向故障点提供故障电流，这将改变配电网的节点短路水平，也将改变故障电流的大小、方向及其持续时间。虽然小容量系统对短路电流的影响并不大，但当小型机组较多，且与风力发电等其他分布式发电配合起来时，故障点的短路水平变化明显将导致过流保护配合失误。

2.2光伏并网后对继电保护的要求

含光伏发电的电力系统发生异常或故障时，为保证设备和人身的安全，必须具备相应继电保护功能，以保证电网和光伏设备的安全运行。因此光伏电站的保护应符合继电保护的基本要求，即可靠性、选择性、灵敏性和速动性，具体体现在以下四个方面：(1)过流与短路保护。光伏发电系统需具备一定的过流能力，其可靠工作时间应根据过电流的大小而有所不同，当过电流小于1.2倍额定电流时，光伏系统连续可靠工作时间不少于1min；当过电流为1.2～1.5倍额定电流时，连续工作时间大于10s；当电网侧发生短路时，光伏电站向电网输出的短路电流应小于1.5倍的额定电流。(2)防孤岛。当系统发生故障时，应有与电网侧相配合的防孤岛保护措施，光伏系统必须迅速检测到孤岛并立即断开与电网连接。(3)逆功率保护。当光伏系统设计为不可逆并网方式时，需配置逆向功率保护元件。当逆向电流超过额定电流的5%时，光伏发电系统应在0.5～2s内停止向电网送电。(4)恢复并网。当系统发生扰动后，在电网电压和频率恢复正常之前光伏电站不允许并网，且在系统电压和频率恢复正常后，光伏电站需要经过一段时间延迟后才可重新并网。

3光伏并网对电能质量的影响

电压波动和谐波是衡量电网电能质量的重要指标，对此，针对本文提出的案例进行分析。光伏发电系统的实际输出功率随光照强度的变化而变化，白天光照强度强，输出功率较大，夜晚无光照，输出功率几乎为零。因此，除设备故障因素以外，发电装置输出功率受气象影响，随日照、天气、季节、温度等因素而变化，输出功率波动频繁，相应的对输电线路的电压也造成一定的影响。最严重的情况即为当输出功率最大时因机组故障等原因突然切机对系统接入点电压造成的影响。当光伏电站的并网电压为110kV及其以下时，光伏电站并网点的正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%。同时还应满足有关规定的要求，即35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%。对于平衡的三相负荷，在已知三相负荷的有功功率和无功功率的变化量△Pi和△Qi时，电压波动d的计算如式(2)所示。

其中，RL为电网阻抗的电阻分量，XL为电网阻抗的电抗分量，UN为系统额定电压。光伏逆变器是光伏发电系统中的重要组成部分，逆变器的性质决定了光伏发电系统输出电能的质量。此外，由光照强度的变化（如自然光照强度变化、浮云的阴影效应、物体的阴影效应等）引起光伏电站输出功率的波动间歇变化以及光照不对称都会引起谐波的产生。为了使谐波总量控制在限值范围内，当光伏发电系统接入电力系统时，需加装电能质量监测装置，如不满足要求，应采取相应的措施，如加装滤波装置等，从而避免对公用电网的电能质量造成污染。

4结论

综上所述，本文讨论了光伏并网发电原理及特点，从理论层面分析了光伏并网对继电保护的影响及光伏并网对电能质量的影响。并且随着我国光伏产业速度的加快，研究并网光伏发电对电网继电保护的影响也变得越来越重要，目前，大电网与光伏发电系统相结合的利用形式已吸引世界许多能源、电力专家的关注，这种多样化的发电形式不仅能提高电力系统供电可靠性和灵活性，还能节省投资、降低能耗，是未来电力工业发展的必然趋势。

参考文献

[1]分布式电源对配电网保护的影响及保护配置分析[J].祁欢欢,荆平,戴朝波,赵波.智能电网.2015(01).

[2]我国分布式光伏发电的困境分析与发展对策研究[J].丁芸,林韵.资源与产业.2015(03).

作者简介

张天翼（1984.07-），女，江苏镇江人，荷兰代尔伏特理工大学电气工程专业硕士，工程师，单位：国电科学技术研究院，研究方向:电测、继电保护。