光伏发电系统站内继电保护配置(继电保护)

光伏发电系统站内保护配置问题探讨光伏发电系统站内保护配置问题探讨 摘要摘要 随着环境的日益恶化 全球煤储量的日益减少 全世界都越来越注重环境的保护 因此 新能源产业也越来越受到重视 光伏发电行业未来的发展潜力也是相当大的 国家为保护环境 治 理空气污染 已经制定了一系列的新能源政策 希望清洁能源能更多地替代化石能源 这有利于扩 大国内光伏市场规模 所以 未来新能源尤其是光伏产业的发展会迎来较好的发展环境和机遇 本 文着重介绍了光伏电站站内的保护配置以及一些需要改进的地方 为保证光伏电站的安全运行提出 一些合理的建议 关键词关键词 光伏发电 低电压穿越 静止无功发生器 近年来 随着新能源行业的日渐兴起 光伏发电能源俨然已成为新能源行业的巨头 光伏电站 的安全运行也成为维持电网稳定的一个重要因素 电站的站内保护也经过多年的实践有了一套比较 完善的标准 像是逆变器的防孤岛保护 低电压穿越 以及站内的静止无功发生装置都成为光伏电 站必不可少的配置 光伏发电流程也是比较成熟的 本文主要是依据作者本人在光伏电站从事基建 调试 以及运维的过程中 发现的一些保护配置方面存在的问题做一个简单的分析 希望能有助于 光伏产业的日后发展 1 光伏发电系统站内保护配置 1 1 逆变器的保护 低电压穿越功能是指当电网电压跌落时并网逆变器能够正常并网一段时间 穿越 这个低 电压时间 区域 直到电网恢复正常 孤岛效应保护是指当电网断电时并网逆变器应立即停止并网发 电 保护时间不超过 0 2 秒 可以看出 孤岛效应保护与低电压穿越是相互矛盾的 两种功能不能 同时并存 需要根据电站规模和要求进行选择 一般原则如下 对于小型光伏电站 并网逆变器在电网中所占的容量较小 对电网的影响较小 在电网故障 时不会对电网的稳定性产生实质性的影响 所以应具备快速监测孤岛且立即断开与电网连接的能力 即此时并网逆变器应选择孤岛效应保护功能 对于大中型光伏电站 并网逆变器逆变器在电网中所占的容量较大 对电网的影响较大 在 电网故障时不会对电网的稳定性产生实质性的影响 所以应具备一定的低电压穿越能力 即此时并 网逆变器应选择低电压穿越功能 对于目前大多数光伏并网发电系统来说 逆变器所配置的都是低电压穿越 大型和中型光伏电 站的低电压耐受能力要求 为了实现并网逆变器的低电压穿越功能 并网逆变器需要采用新的软件 控制算法 软件控制算法需实时监测电网 并判断电网是否发生电压跌落 平衡或者不平衡跌落 当 CPU 发现电网发生电压跌落故障时 立即启动低电压穿越功能 控制输出电流以及输出的功率 当电网电压在一定范围以内时 逆变器进入低电压穿越阶段 当电网进入电压恢复阶段 此时并网 逆变器输出无功功率起到迅速支撑起电网电压的功能 如果电网跌落是不平衡跌落 逆变器会以输 出三相平衡电流为目标函数 通过软件控制算法实现在电网电压不平衡阶段 逆变器的电流是平衡 的 当电网恢复正常 逆变器迅速转入正常并网状态 1 2 静止无功发生装置 并网逆变器正常情况下只能向电网输送有功 要是所有光伏电站都只向电网输送有功的话 电 网电压必定会很难调节到一个稳定的值上面 造成电网电压波动大 影响到电网的安全 因此 光 伏电站必须引入静止无功发生装置来产生无功功率从而调节系统电压 静止无功发生装置采用可关断电力电子器件 如 IGBT 组成自换相桥式电路 经过电抗器并 联在电网上 适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位 或者直接控制其交流侧电流 迅 速吸收或者发出所需的无功功率 实现快速动态调节无功的目的 作为有源形补偿装置 不仅可以 跟踪冲击型负载的冲击电流 而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿 电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分 其中逆变桥由可关断的半导体器件 IGBT 组 成 工作中 通过调节逆变桥中 IGBT 器件的开关 可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位 因此 整个装置相当于一个调相电源 通过检测系统中所需的无功 可以快速发出大小相等 相位 相反的无功 实现无功的就地平衡 保持系统实事高高率因数运行 1 3 接地变及消弧线圈 光伏发电系统电压等级往往在 35kv 及以下 所以一般不采用中性点接地的方式 一般都是在 站内配置接地变及消弧线圈 中性点经消弧线圈接地来保障系统的安全 消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后 故障点流过电容电流 消弧线圈提供电感电流 进行补偿 使故障点电流降至 10A 以下 有利于防止弧光过零后重燃 达到灭弧的目的 降低高 幅值过电压出现的几率 防止事故进一步扩大 当消弧线圈正确调谐时 不仅可以有效的减少产生弧光接地过电压的机率 还可以有效的抑制 过电压的辐值 同时也最大限度的减小了故障点热破坏作用及接地网的电压等 所谓正确调谐 即 电感电流接地或等于电容电流 工程工程上用脱谐度 V 来描述调谐程度 V IC IL IC 当 V 0 时 称为全补偿 当 V 0 时为欠补偿 V 0 时为过补偿 从发挥消弧线圈的作用上来看 脱谐度的绝对 值越小越好 最好是处于全补偿状态 即调至谐振点上 但是在电网正常运行时 小脱谐度的消弧 线圈将产生各种谐振过电压 除此之外 电网的各种操作 如大电机的投入 断路器的非同期合闸 等 都可能产生危险的过电压 所以电网正常运行时 或发生单相接地故障以外的其它故障时 小 脱谐度的消弧线圈给电网带来的不是安全因素而是危害 综上所述 当电网未发生单相接地故障时 希望消弧线圈运行在远离谐振点 运行在完全状态下的消弧线圈一般都会投入阻尼电阻来抑制谐振 过电压 实际运行经验表明 有良好的收效 1 4 光纤纵差保护 光纤作为继电保护的通道介质 具有不怕超高压与雷电电磁干扰 对电场绝缘 频带宽和衰 耗低等优点 而电流差动保护原理简单 不受系统振荡 线路串补电容 平行互感 系统非全相运 行 单侧电源运行方式的影响 差动保护本身具有选相能力 保护动作速度快 最适合作为主保护 近年来 光纤技术 DSP 技术 通信技术 继电保护技术的迅速发展为光纤电流差动保护的应用提 供了机遇 光纤电流差动保护是在电流差动保护的基础上演化而来的 基本保护原理也是基于基本电流定 律 它能够理想地使保护实现单元化 原理简单 不受运行方式变化的影响 而且由于两侧的保护 装置没有电联系 提高了运行的可靠性 目前电流差动保护在电力系统的主变压器 线路和母线上 大量使用 其灵敏度高 动作简单可靠快速 能适应电力系统震荡 非全相运行等优点 是其他保 护形式所无法比拟的 光纤电流差动保护在继承了电流差动保护优点的同时 以其可靠稳定的光纤 传输通道 保证了传送电流的幅值和相位正确可靠地传送到对侧 时间同步和误码校验问题 是光 纤电流差动保护面临的主要技术问题 在复用通道的光纤保护上 保护与复用装置时间同步的问题 对于光纤电流差动保护的正确运行起到关键的作用 因此目前光纤差动电流保护都采用主从方式 以保证时钟的同步 由于目前光纤均采用 64Kbit s 数字通道 电流差动保护通道中既要传送电流的 幅值 又要传送时间同步信号 通道资源紧张 要求数据的误码校验位不能过长 这样就影响了误 码校验的精度 目前部分厂家推出的 2Mbit s 数字接口的光纤电流差动保护 能很好地解决误码校 验精度的问题 2 光伏发电系统 保护配置存在的问题 据本人在光伏电站从事运维的角度来看 并网光伏发电系统在逆变器 母线及出线方面的保护 配置都是比较完善的 但有的方面还是具有一些不太合理的地方 具体如下 a 光伏电站发电流程是太阳能板件通过汇流箱 直流配电柜等装置汇集到一起再送至逆变器 逆变器将直流逆变成交流再送至升压变将电压升高再送至电网 其中 在升压变上的保护就有点薄 弱了 一般光伏电站的升压变容量都不会特别大 大概在 1000kVA 左右 所以大都为干式变压器 及小型的油浸式变压器 这种变压器不带有电压互感器及电流互感器 所以在保护配置上也不存在 电量保护 所具有的只是温度保护及三相高压熔断器 这比起电量保护可靠性也大大降低了 以某 光伏电站事故为例 该站由于变压器本身存在问题 三相高压电缆烧毁 B 相接地 B 相的熔断器 烧断 但是变压器的负荷开关却未能及时跳开 导致母线 B 相接地 幸亏运行人员及时发现并断开 进线开关柜 所以未能造成较大事故 这次事故也体现出来了变压器保护对于电站安全运行的重要 性 要是变压器存在电量保护 也就不会出现类似的事故了 同样也可将熔断器的熔断信号接入变 压器的分扎合闸控制回路当中 当熔断器熔断时 变压器能及时跳开负荷开关 减小事故范围 b 光伏电站中开关柜不存在电压保护 电站开关柜保护只配有一 二段过流保护 低周 高 周保护 母线 PT 的二次出现只接有测量和计量两对绕组 而 PT 的保护量直接接入了故障解列装 置 一旦故障解列装置检测到 PT 断线或是低压 不管是哪条进线发生故障 必定是跳出线开关柜 这样就极大的扩大了事故范围 因此给每条进线开关柜引入一个电压量保护还是非常有必要的 c 静止无功发生装置对电网的调节 光伏并网发电系统一般都是由逆变器自主实现自动并网 和自动退网的 当光照达到一定强度 电压 电流值达到逆变器并网的条件时 逆变器便会自行并 网 反之 当电压降低到一定范围时逆变器又会自动退网 这一整个过程都不需要人为控制的 而 当一个电网有很多光伏发电系统接入时 在每天的清晨和半晚所有的光伏电站都在并网和退网的过 程 并且因为光照强度忽强忽弱 所以大多数时候逆变器都不是一次就能并上 因此 在这个时刻 整个电网的电压波动都特别大 电压升高和降低的频率也变的非常快 这个时候对于电站的静止无 功发生置就是一个很大的考验 IGBT 不停的通断通断 容性无功和感性无功交替着改变 所以很 容易造成静止无功发生装置跳闸并且在这段时间内都无法再次投入 此时 电网的无功就需要靠火 电厂或是电网本身的无功调节装置来进行调节 但是 如果一个电网接入的光伏过多 火电厂及电 网不能满