分布式光伏发电的继电保护措施
时间：2022-09-30 16:30:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
秦金宣
太阳能是一种具有可再生、对环境友好、清洁 等特征的新能源，随着科学技术的不断发展，我国在太阳 能开发、利用方面的技术已经相对成熟，同时太阳能的 收集比較容易，应用十分便捷，因此已经在我国多个领域 得到了应用。在国家的大力推广下，目前我国在分布式光 伏发电的研究、实践方面均取得了许多成果，但关于分布 式光伏发电继电保护策略的研究相对较少，有待深入研究 。
（一）概念
分布式光伏发电指的是利用光伏组件进行光伏 发电的一种方法，其通常是以用户侧自发自用、多余电量 上网为主要运行方式。分布式光伏发电可以对当地的太阳 能资源进行充分利用，从而可以降低对煤炭、石油等传 统能源的消耗。分布式光伏发电的适用范围较广，既可以 应用于城市、乡村，也可以建设在山区、牧区。分布式光 伏发电有着良好的发展前景。
（二）组成
分布式光伏发电是一种新兴的能源综合利用的 发电方式。当前新能源的开发与利用已经成为生态经济建 设的主要着力点与促进产业升级转型的重要推动力，在这 样的背景下，分布式光伏发电作为太阳能开发与利用的一 种实践成果，在我国有着良好的发展前景。分布式光伏发 电系统倡导就近发电、就近转换、就近并网以及就近使用 ，可提高同等规模光伏电站的发电量，还解决了电力在长 途运输、升压过程中的损耗问题，是一种高效、节能、 安全的太阳能发电方式。
分布式光伏发电系统主要由蓄电池组、控制器 、直流/交流逆变器、由光伏组件串联或并联组成的光伏 方阵等部分组合而成。光伏组件是分布式光伏发电系统中 的核心，光伏组件是由太阳能电池即光伏电池以并联或 者是串联的形式连接起来并封装组成，其可以直接将太阳 的光能转换成电能，且为直流电，可以直接利用，也可以 使用直流/交流逆变器将直流电转换为交流电。也就是说 ，针对分布式光伏发电系统生产的电能，可即发即用，也能 用储能装置如蓄电池等储存起来，有需要的时候可随时释放 出来。
（三）原理
太阳能是一种应用十分广泛的清洁型、可再生 能源，其本身属于辐射能，无法被直接利用，只能采用能 量转换器件将太阳能转换为电能，才能实现对太阳能的应 用，太阳能电池是主要的能量转换器件，可以起到能量转 换的作用，在太阳能资源的开发与利用过程中发挥着至关 重要的作用。对太阳能电池的作用原理进行分析发现，其 属于半导体器件，以光电转换原理为依托，在经过半导体 物质的时候，太阳的辐射光便会被转换为电能，这一过程 被称作光生伏打效应，所以，太阳能电池也被称作光伏电 池。光伏电池可起到光电转换的作用，可以将太阳辐射能 直接转换为直流电，是分布式光伏发电系统的基本单元。
将磷或硼等元素掺到晶体硅中，组成混合材料，混合材 料的分子电荷中，产生永久的不平衡，形成具有特殊电性 能的半导体材料，由这种半导体材料制成的光伏电池，在 太阳光的照射下，内部会产生自由电荷，同时自由电荷会 在光伏电池内部产生定向移动、积累，在两端闭合的时候 便会产生电能，这便是光生伏打效应。
（四）特点
分布式光伏发电有四项基本特征，第一项特征 是污染较低，有着理想的环保效益，在进行发电的过程中 分布式光伏发电系统不会对水环境、大气环境造成污染， 也不会产生噪声污染、光污染;第二项特征是输出功率较 低，一个独立的分布式光伏发电项目，通常情况下容量 为数千瓦，集中式电站的大小会影响发电效率，而光伏 电站不同，其大小不会给发电效率造成太大的影响，小 型分布式光伏发电项目的投资收益率与大型分布式光伏 发电项目的投资收益率相差不大;第三项特征是可做到发 电用电并存，对实际情况进行调查发现，大型地面电站运 行过程中，发电是升压接入输电网，仅作为发电电站，分 布式光伏发电是接入配电网，同时要求尽量就地消纳;第 四项特征是有利于改善局部地区的用电紧张问题，分布式 光伏发电能量密度较低，分布式光伏发电系统每平方米的 功率约为100W左右，且安装光伏组件需要占用建筑屋顶， 涉及人民群众的切身利益，需做好沟通工作，这就增加 了分布式光伏发电的推广难度，导致其无法从根本上解决 电能短缺的问题。
A地区太阳能资源丰富，常年日照数约为 2398.6h，经实地调研发现该地的光照条件能够满足光伏发电项 目建设的要求，且经可行性分析、经济性分析判定可起到 理想的经济效益。集团公司的光伏发电项目，采用的形式 为光伏并网发电，可分为分布式光伏发电、集中式光伏发 电。首先，分布式并网指的是，将小型光伏发电系统安装 在靠近供电负荷的区域，可直接分配至负载上，借助电网 进行余电调节、电力供应;其次，集中式并网指的是，将 光伏发电站生产的电能直接输送至电网进行统一供电。
（一）分布式光伏发电系统接入后配电网的变化
集团公司已建成的配电网，以单一辐射状供电 结构为主，潮流按照从电源到负荷的方向进行单向流动。
配电网的继电保护为放射状配置方式，可达到逐级配置、上下配合的效果，从而实现停电范围的缩减，一旦发生故 障便可以准确定位故障所在位置。
配电网的结构在分布式光伏发电系统接入后发 生了明显的改变，即转变为多电源供电结构，与此相对应 的，潮流流向也出现了明显的改变，分布式光伏发电的投 入位置、容量不同，配电网的潮流分布点也会发生相应 的变化，从而使得原有继电保护装置受到较大的影响。
配电网中出现故障时，短路电流方向与大小会发生改变， 进而容易使配电网出现孤岛运行的现象，同时还会使继电 保护装置发生误动作，例如重合闸重合失败、距离保护失 灵、保护灵敏度降低都是常见的误动作。随着分布式光 伏发电项目数量的增多、规模的扩大，分布式光伏并网 容量也在不断增加，因此传统配电网继电保护已经无法满 足新要求，必须探索更加科学有效的继电保护措施。
（二）分布式光伏发电系统接入对三段式电流保护的影响
集团公司配电网主要采用三段式电流保护，配 电网结构在分布式光伏发电系统接入之后，其复杂程度明 显提高，这就给三段式电流保护带来了巨大的影响。主 要体现在以下几个方面：第一，保护的灵敏度受到严重影 响。在分布式光伏发电系统接入配电网之前，配电网存在 故障的情况下，短路电流的输送途径只有一个，也就是电 网，这样的情况下，仅需解决系统本身存在的电流，便能 起到保护作用，整个过程比较简单、方便。但在分布式光 伏发电系统接入配电网之后，应具体情况具体分析，如果 出现故障的线路处于光伏并网点的下游，则除了电网之外 ，光伏电源也会输送短路电流，这对于继电保护装置来说 ，其仅能检测到系统中的短路电流，不能检测到光伏电站 提供的短路电流，这就导致继电保护装置的灵敏度被降低 。第二，保护的准确性受到明显影响。电网出现故障的 时候，光伏电源会导致下游保护的短路电流大幅度上涨， 这就会降低线路保护的灵敏度，影响保护的准确性，主要 表现为继电保护装置拒动或误动。
（三）分布式光伏发电系统接入位置对配电网 继电保护的影响
分布式光伏发电系统的接入位置，可以分为三 种情况：第一种是在始端接入，这种情况下，光伏电源 的供电会导致短路点下游保护的故障电流大幅度增加，进 而使继电保护装置误动;第二种是在中段接入，这种情况 下，受到光伏电源的影响，流过继电保护装置的短路电流 减少，容易使其拒动;第三种是在末端接入，这种情况下 不会给故障点上游造成影响，但是光伏电源的接入会使故 障点的下游容易出现孤岛效应。孤岛效应指的是，配电网 中含分布式光伏电源的情况下，在停电检修或者是出现电 网侧故障的时候，分布式光伏电源没有及时断开与电网的 连接，持续朝着周围供电，形成一个自给的供电孤岛。孤 岛效应会给电网造成严重的影响，主要体现在：第一， 孤岛系统的频率、电压稳定性较差，容易导致用户端的设 备发生损坏;第二，会给人身安全造成一定的威胁，电网 停电的情况下，用户和电网维护人员可能不清楚孤岛系统 会继续送电，如果误触，可能引起触电事故;第三，孤岛 系统重新接入电网的时候，可能出现非同步并网的现象， 给设备、电网造成电流冲击。
（四）分布式光伏发电系统容量较大对配电网 继电保护的影响
在国家的大力支持与推动下，现如今我国分布 式光伏发电项目的数量不断增多、规模也在不断扩大，这 就使得光伏并网容量呈现出持续性增加的态势。对经过继 电保护装置的短路电流的实际情况进行调查，由于分流作 用，上游短路电流减小，保护距离会缩短;下游短路电流 加大，这就使得继电保护装置容易發生误动。
（五）分布式光伏发电系统并网对自动重合闸的影响
光伏并网后，由于系统结构发生了变化，因此 也会给自动重合闸带来一定的影响，主要体现在以下几个 方面：第一，非同期重合闸。瞬时性故障发生后，重合闸 前加速保护动作，便可以将故障切除。但是，若是分布式 光伏发电系统没有解列，则系统侧重合的时候，光伏电源 、系统之间会出现一定的相位差，从而产生冲击电流，导 致继电保护误动作。光伏电源、系统甚至会相反，产生非 常大的冲击电流，严重损坏电力系统。第二，重合闸误动 作。配电网采用三段式电流保护的情况下，由于保护无法 判断故障电流方向，因此在相邻线路出现故障的时候，反 向电流过大会导致重合闸误动作，如果出现的故障是永久 性故障，则会造成重合失败，导致正常线路供电中断。
（一）基于方向元件的解决方案
集团公司配电网采用了三段式电流保护，无须 设置方向元件便能实现对线路全长的有效保护，但在分布 式光伏发电系统接入后，系统潮流结构出现了明显的改变 。因此，可以采取设置功率方向元件的方法，对故障方 向进行判别，以解决配电保护不正确动作的问题。但对实 际情况进行调查发现，由于受到逆变器的干扰，光伏电源 侧、电网侧的保护安装点，电流与电压相位差存在着显著 的差异，这样的状况下若是依然使用传统方向元件，便 容易出现误判的问题。面对这样的问题，可对保护方向元 件动作判据进行改进与优化，以预防误判问题的发生，保 障配电保护的有效性。针对选择非低电压穿越控制的光 伏系统，光伏侧保护方向元件的动作判据是：正序电流 与保护安装点电压和的向量夹角（a）为-80°（含-80° ）至105°（含105°），电网侧保护方向元件的动作 判据为：a为-75°（含-75°）至100°（含100°） ;针对选择低电压穿越控制的光伏系统，光伏侧保护方 向元件的动作判据是：a为-10°（含-10°）至105° （含105°）;电网侧保护方向元件的动作判据为：a为 -75°（含-75°）至170°（含170°）。按照整定 原则，方向元件能够对故障方向进行有效识别，从而 可以确保配电保护的正确动作。
（二）基于通信原理的电流保护改进方案
对集团公司配电网实际情况进行分析发现，经 济性较好的一种方法是对配电网保护进行优化改进。基于 通信原理的电流保护改进方案，引入对端互发信号在纵联 保护中的作用，借助电气量的方向性对故障进行合理评估 ，依靠单侧通信设备的传输，实现对故障线路的有效排除 。在实际应用这一方案的时候，需要将通信设备安装在 线路两端，但无需安装互感器。
（三）基于光伏电源的自适应电流保护改进方 案
该方案指的是，借助功率方向元件，初步概括 性地识别故障方向，在此基础上，综合考虑短路电流的负 序、零序分量，判断是哪种类型的故障问题，并以此为根 据，选择整定值，对保护的电流电压与相应整定值等数据 信息进行全面分析，决定是否动作。在基于光伏电源的自 适应电流保护改进方案中，根据光伏电源的位置不同、容 量不同，整定值可实时改变，解决了由于光伏电源接入 配电网而导致的继电保护拒动、误动问题。但是，这一方 案的经济性较低，对配网自动化水平有着较高的要求。
（四）防孤岛措施
科学技术不断进步的背景下，光伏发电技术也 在不断改进、优化，越来越多的分布式光伏发电系统接入 电网，由此带来的孤岛问题也愈发明显。为解决孤岛问题 ，可采取微电网系统，这种电力系统是由保护装置、控制 装置、储能、负荷以及分布式电源组成，其可根据当地负 荷、光伏并网容量确定计划性孤岛区域，如果发生电网停 电的情况，则可按照预定控制策略，有计划地进行孤岛运 行，同时可以采取技术手段，确保微电网系统能够向周围 负荷进行稳定供电，并能确保电能质量。
综上，继电保护问题是分布式光伏发电项目发 展过程中的一个制约因素，应在明确分布式光伏发电系统 接入对配网继电保护影响的前提下，采取科学、有效的解 决对策，以确保继电保护的可靠性。
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