用户侧光伏发电并网的继电保护分析.docx

第 30 卷 第 1 期2014 年 1 月bulletin of science and technologyvol.30 no.1jan. 2014用户侧光伏发电并网的继电保护分析叶荣波，周昶，施涛，朱凌志（中国电力科学研究院，南京 210003）摘要：对用户侧光伏发电并网对配电网继电保护的影响进行了分析，在经济技术和保护的选择性等 方面提出了自己的看法。用 digsilent powerfactory 软件对实际工程案例进行仿真计算、分析、提出继 电保护配置方案并以及保护整定原则，为以后的光伏发电并网工程提供一定的工程借鉴。 关键词：用户侧；光伏发电；并网；配电网；继电保护中图分类号：tp277文献标识码：a文章编号：1001-7119（2014）01-0158-04analysis of relay protection of photovoltaic generation connecting to user-side gridye rongbo, zhou chang, shi tao, zhu lingzhi（china electric power research institute, nanjing 210003, china）abstract：the paper by analyzing the influence of photovoltaic generation connecting to user-side grid on relay protection of distribution network, propose ideas in aspects of technological economics and selectivity. by simulating and analyzing actual project case on digsilent powerfactory simulation platform, propose the solution of relay protection and principle of protection coordination which provide a reference of photovoltaic generation integration project in the future.keywords：user-side ; photovoltaic generation; grid-connecting; distribution network; relay protection近年来，清洁能源的开发与利用已经成为许 多国家的重点发展战略1。光伏发电作为一种利 用光伏效应将太阳能直接转化为电能的可再生、 无污染发电方式，在全球范围内得到了迅猛的发 展。特别是并网型光伏发电系统，由于省 去了储 能环节-蓄电池，从而降低了电站的成本和维护 量，据统计，全球并网型光伏发电占光伏发电市 场份额的 80%以上，成为光伏发电的主导市场2。在我国，至 2008 年以来，并网光伏发电发展 迅速，大量兆瓦级光伏电站投入并网运行，光伏 发电并网技术成为研究的热点。在光伏发电并 网技术众多待研究的问题中，光伏发电并网对配电网继电保护的影响成了制约光伏系统接入配 电网的一个关键因素。在实际的光伏并网工程 中，特别是目前大量的金太阳工程采用用户侧并 网，其继电保护如何配置亟待研究解决。本文针对用户侧并网的光伏发电系统，对其 并网后对配电网的影响进行分析，并结合实际工 程案例提出某用户侧并网光伏发电系统继电保 护配置方案。1 用户侧并网光伏发电系统的特点光伏发电系统在计费点(计费电表)用户侧并收稿日期：2012-11-20 基金项目：国家电网科技项目“高密度、多接入点建筑光伏系统并网与配电网协调关键技术”，项目编号：ny71-11-021。作者简介：叶荣波（1981-），男，硕士，工程师，从事智能配电网、分布式发电、微电网技术研究工作。第 1 期叶荣波等.用户侧光伏发电并网的继电保护分析 159入电网,称作“用户侧”并网3。用户侧并网光伏电 站采用就地、分布式接入的原则。对于小型光伏 电站，当单点接入容量小于 200 kw 时一般就地 接入 400 v 配电网，由于接入容量小，接入电压等 级低，对配电网影响很小，一般不单独考虑继电 保护问题。对于大、中型光伏电站，单点接入容 量往往超过 1 mw，一般通过变压器升压到 10 kv 或 35 kv 就地接入配电网，由于接入容量大，接入 电压等级高，对配电网的影响往往比较大，本文 着重讨论此种情况下的继电保护问题。典型的 用户侧并网光伏发电系统如图 1 所示，虚框中为 接入的光伏发电系统。该系统具有如下特点：图 1 光伏电源接入用户侧配电网一次系统图fig.1 primary system diagram of photovoltaic system connecting to user-side grid（1）光伏电站的光伏电池往往分散在厂房、大型办公楼宇各个屋顶上，一般采用多接入点并网方式，为就近的用电设备供电4。（2）并网点往往靠近配电网负荷末端，负载 功率变化大。对于大、中型光伏电站，其光伏渗 透率往往较高（超过 20%）。（3）一般情况下，在光伏电源接入之前，配电 网已经建成多年，配套的继电保护定值已经整定 好且投入运行。光伏电源所处的配电网继电保 护比较薄弱，主要体现在：保护简单、类型单一； 馈线级数多，时限配合复杂，保护速动性、选择性差5。2 光伏发电系统用户侧并网对配电 网继电保护的影响光伏电源在用户侧接入配电网后，使配电网 由单电源系统变为多电源系统。与传统的同步 发电机、异步发电机不同，光伏电源属于逆变型 电源，其控制方式一般为恒定功率输出方式。因 此，当光伏并网逆变器交流侧短路时，其故障电 流一般不会超过额定电流的 1.5 倍，其提供短路电流的能有限。 光伏电源本身也有自己的继电保护需求，目前大、中型光伏并网逆变器自身配置有过/欠压保 护、过/欠频保护、过电流保护、防孤岛效应保护 等。光伏电源接入配电网以后，这些保护应与配 电网原有的保护相配合，构成一个完整的光伏发 电并网继电保护体系。以上的分析可以看出光伏电源有着自身的 特点，其接入配电网以后对继电保护的影响有别 于传统的多电源系统。我们仍以图一所示的系 统为例：（1）并网点母线 d、f 电压为 10 kv，光伏电源 接入以后，若馈线 4 发生短路故障，系统电源和光伏电源同时向馈线 4 短路点提供短路电流，流过馈线 4 的短路电流将比光伏电源接入前要大。但 是，由于光伏电源提供的短路电流最大一般不超过 1.5 倍的额定电流，因此光伏电源的助增效果不明显。对于馈线 4 的过流保护，在光伏电源接 入前后其电流整定值可以不用变动或者仅仅是微调；在时限配合上，要求馈线 4 的过流 i 段保护 动作快于逆变器的过流保护。同理，馈线 4 发生 短路故障时，光伏电源提供的短路电流将流过开 关 1、2、3、4、5，其大小不足以为这些开关对应的 过流保护提供足够的灵敏度，因此可以不用考虑 上述过流保护的方向性问题。（2）常规的多电源联络线，一般要求装设纵 联保护，线路发生故障时线路两端断路器同时跳 闸以隔离故障；对于用户侧并网的光伏电站，其 接入区域的配电网大多采用电缆线路，馈线一般 不装设重合闸，如图 1 所示系统，联络线 cd 段、 de 段靠近光伏电源侧为弱馈端。可以考虑联络 线两种不同的保护配置方案：第一种，线路 cd 段安装纵联保护，当线路 cd 段发生区内短路故障，纵联保护首先动作，跳 开开关 5 和开关 4，故障切除，光伏并网系统处于 孤岛运行状态，随后光伏并网逆变器防孤岛效应 保护动作，逆变器停机，光伏电源退出运行。第二种，线路 cd 段仅在系统电源侧（开关 5 处）装设过流保护，当线路 cd 段发生区内短路故 障，开关 5 处的过流保护首先动作跳开开关 5，此 时光伏电源继续向故障点提供故障电流且光伏 并网系统处于孤岛运行状态，随后不论是光伏并 网逆变器的过电流保护动作还是防孤岛效应保160科技通报第 30 卷护动作，都将使逆变器停机光伏电源退出运行。 一般情况下，逆变器过流保护动作时间小于 0.1s，防孤岛效应保护动作时间小于 2 s。线路 de 段的情况与 cd 段类似。从上面的 分析可以看出，对于光伏发电并网系统，由于不允许孤岛运行，配电网内部任意一点故障导致系 统电源切除，光伏电源都必须退出运行，因此我 们可以降低光伏电源侧保护的选择性来减少二 次系统继电保护设备的成本。对于并网联络线， 用常规的过流保护替代纵联保护，并不会降低原 配电网供电的可靠性，而带来的经济效益显而易 见。当然，当并网联络线过短且级数较多，各级 线路过流保护定值难于整定配合时，应优先考虑 纵联保护。（3）对于配电网系统侧进线是架空线或架 空、电缆混合线路要考虑重合闸的问题6。如图 1 所示，线路 ab 为配电网 35 kv 进线，在光伏电源 接入之前开关 9 带自动重合闸，重合闸设为不检运行，开关 8 作为进线开关可不设保护。当光伏 电源接入后，若线路 ab 段发生瞬时短路故障，开 关 9 由过流保护断开切断系统电源，此时，由于光 伏电源的短路容量很小，一般不足以支撑短路点 的弧光电流使瞬时故障发展为永久性故障，熄弧 后，重合闸动作，配电网恢复系统供电；若线路 ab 段发生永久性短路故障，开关 9 重合失败系统 电源断开，光伏电源持续向故障点提供短路电 流，由于故障点到光伏电源的阻抗较大，光伏电 源提供的短路电流往往不会超过逆变器自身的 额定电流，此时光伏电站处于孤岛运行状态，防 孤岛效应保护将动作使光伏电站停运。上述分析可以看出，对于光伏电源接入前后 的配电网进线保护，保护类型、定值可以不用改 动。为了提高系统的稳定性，可将进线重合闸的 重合方式由不检改为检同期，防止采用快速重合 闸时造成非同期合闸（重合闸动作于光伏电源防 孤岛效应保护之前）产生很大的冲击电流7。3实际工程算例分析本算例以某用户侧光伏发电并网工程为例， 对光伏电源接入后的继电保护问题进行了分析。 该工程中，光伏电源经由两个并网点接入用户配 电网，并经用户变电站与系统相连。用户变电站安装 2 台主变压器（型号：sfz10-12500/35），两台主变并列运行。每台光伏逆变器额定功率 500 kva，分为两组（其中 pv1 装机容量 3 mwp，pv2 装机容量 3.5 mwp）,经变压器升压到 10 kv 通过 电缆线路（型号：yjlv22-10-（3240）接入用户 变 2 回 10 kv 出线的第二级 10 kv 母线上。用户 内部负荷 load1 有功 6430 kw，无功 2486 kvar；内 部负荷 load2 有功 6535 kw，无功 2504.kvar。原有继电保护配置包括：系统变 35 kv 出线 配置三段过电流保护以及重合闸，用户变主变配置差动保护、复压闭锁过流保护，用户变 10 kv 出 线配置两段过电流保护，用户变 10 kv 侧配置小 电流接地选线装置。光伏电源接入系统一次系统图如图 2 所示：图 2 某光伏并网工程一次系统图fig.2 primary system diagram of a pv engineering利用仿真软件 digsilent powerfactory 进行 仿真计算，仿真模型如图 3 所示：图 3 某光伏并网工程 digsilent 仿真模型fig.3 simulation model of a pv engineering in digs第 1 期叶荣波等.用户侧光伏发电并网的继电保护分析 161系 统 参 数 ：sb=100 mva，最 大 运 行 方 式 下 xs= 0.135，最小运行方式下 xs=0.2，铝导线电阻率取31.5(ohm mm2)/km，用 户 主 变 u =8% ，升 压 变 u =保护作为主保护；（4）光伏母线上的 8 条线路为线变串型式，配 置两段过电流保护；kk4.5%，pv 短路电流取额定电流 1.2 倍（实测值）。 光伏并网系统短路电流值见表 1、表 2，所有电流值都为归算到 10kv 侧数值。表 1 最大运行方式下短路电流值 table 1 maximum operation modes scc （5）光伏母线处配置一套小电流接地选线装 置；（6）该工程属中型光伏电站，根据国家电网 公司光伏发电站接入电网技术规定故装设一 套安全自动控制装置。号kv值（i）/ka（ich）/ka效值（ich）/kamva（1）光伏线变串保护，一段过电流定值按躲d110.56.13811.2846.66711.720过变压器低压侧故障最大短路电流整定，时限d210.55.86910.7906.37511.2070s；二段过电流定值按躲过变压器最大负荷电流e110.56.13811.2846.66711.720整定，时限 0.5 s。e210.56.06811.1566.59111.587（2）联络线保护，差动电流定值按躲过最大g0.270.5521.0160.6001.055不平衡电流整定。h10.270.7911.4540.8591.510（3）10 kv 车间 1 出线和车间 2 出线一段过电k0.270.5541.0190.6021.058l10.270.7941.4600.8631.517短路 平均工作 点编 电压（u）/稳态短路 电流有效短路电流 冲击值短路全电 流最大有短路容量（s）/对上述继电保护配置方案，我们采用如下整 定原则：表 2 最小运行方式下短路电流值table 2 minimum operation modes scc流定值按不超过线路末端最小短路电流整定（线 路较短，仅 800 m），时限 0.5 s；二段过电流定值按躲过线路最大负荷电流整定，时限 1 s。此工程已于 2011 年 11 月顺利投运，完成并号kv稳态短路短路平均工作点编电压（u）/电流有效 值（i）/短路电流冲击值（ich）/短路全电流最大有 效（ich）/短路容量（s）/ mva网发电。d110.55.62910.3486.11410.749d210.55.4019.9315.86810.315e110.55.62910.3486.11410.749e210.55.57010.2416.05110.637g0.270.5481.0080.5951.047h10.270.7821.4380.8491.493k0.270.5501.0110.5971.050 ka ka ka l1 0.27 0.785 1.444 0.853 1.500 由表中可以看出，对于 10 kv 侧，短路电流高 达数千安，绝大部分由系统侧电源提供；而光伏 电源短路容量小，提供的短路电流很小，对各负 荷支路原有的过电流保护影响可以忽略不计。 基于以上计算分析，我们对图 2 所示系统提出如 下继电保护配置方案：（1）35 kv 进线系统侧加装线路 pt，重合闸方 式改为检同期；（2）用户变继电保护配置不变，仅 10 kv 车间1、2 出线的过电流定值重新整定；（3）对于两条联络线，由于线路很短（分别为400 m 和 100 m），为便于配合，配置光纤电流差动4结束语用户侧光伏发电并网与其他的光伏并网方 式相比，对配电网继电保护的影响较小，配电网 原有的保护配置改动较小。在保证配电网稳定 性的同时，对于光伏电源接入部分的继电保护， 应从经济性的角度入手简化配置，这对于光伏发 电并网技术的推广应用更具现实意义。光伏电 源自身的保护还有待加强，定值整定应更加灵 活、实用，以便于和配电网原有的保护更好的配 合，尽量减少配电网原有保护的改动，保证系统 稳定性。目前，大量的金太阳示范工程正在建设 中，有的已经投入运行，对于用户侧光伏发电并 网的继电保护分析还需要在工程完工后，在后续 的光伏电站运行中进行跟踪分析、验证和完善。参考文献:1 刘吉臻,构建大电力学科体系服务国家低碳能源发展战 略j, 中国高等教育,2010,2:18-20.（下转第 202 页）202科技通报第 30 卷响。据研究，从珠江入海的粉砂级悬移质约有5323.2104 t10，此外按照迈贝克的概念公式推算（据悬沙 35%计），每年还有 3105104 t 胶体微粒 入海，因此珠江合计约有 8400104 t 以上的细粒 沉积物进入到珠江河口海域，并扩散进而沉积于河口湾及附近海岸和陆架区域，据此数据计算随 悬浮物进入到珠江河口湾及散至研究区以外的 各元素含量见表 3。表 3 研究区金属元素年输入、输出量table 3 content of several metals in and out study area海域作为陆地和海洋的过度区域具有重要的生 态和环境意义。参考文献：1 陈耀泰, 谭惠忠. 珠江口伶仃洋表层沉积的粘土矿物j. 热带地理,1991,11(1):39-452 柯东胜. 广东近海水域重金属含量及其分布规律的研 究j.环境科学学报,1991,11(1):9-163 赵一阳, 鄢明才.中国陆架浅海沉积物地球化学m.北 京：科学出版社，19924 郭炳火, 黄振宗,李培英. 中国近海及邻近海域海洋环境参数cocuni2184420037384257771888205甘居利, 贾小平, 李淳厚等. 南海北部陆架区表层沉积154230382689308454045933物中重金属分布和污染状况j热带海洋学报, 2003, 226（1）: 36-42turekian kk, wedepohl, kh. distribution of the elements in some major units of the earths crustj. geol.soc.amer. bull, 1961, 72输入质量/(t/a) 输出质量/(t/a）pbcrznm.北京：海洋出版社，20043结语1）珠江河口的重金属年均输入、输出以及沉 降 含 量 惊 人 ，其 中 cr 和 zn 富 集 最 大 ，均 超 过 2000 t/a，其次为 cu、ni、pb，均超过 1000t/yr，co 富 集相对较少。2）由于该模型对各因素进行了概化处理，忽 略了沉积速率的不一致性，元素含量的不一致 性，以及生物作用造成的元素亏损或富集等问 题，因此在今后的工作中有待于加强监测，但该 定量计算分析结果对于进行该区域的环境治理 具有一定的