董玉輝

（華電山東新能源有限公司，山東 濟南 250000）

0 前言

隨著社會經濟發(fā)展，發(fā)電給環(huán)境所造成影響變得更加直觀，為實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展目標，政府提出應大力開發(fā)并運用清潔能源，包括光伏發(fā)電、風電在內的很多新技術均因此而得到了大范圍推廣，此舉可在一定程度上緩解能源緊張的局面。為實現(xiàn)控制能耗和節(jié)約資本的目標，相關人員指出應在配電網中接入分布光伏，希望能夠使配網的可靠性、靈活性得到提升。

1 什么是分布光伏發(fā)電

現(xiàn)階段，具有超高壓、遠距離、大電網和大容量特點的集中發(fā)電系統(tǒng)，已在生產和分配電能的過程中得到了推廣?？紤]到大電網發(fā)電往往要消耗大量能源，同時還會造成霧霾、氣候變暖等問題，有關人員指出應對發(fā)電模式進行升級，充分利用光伏、風電等能源，彌補大電網發(fā)電所存在不足，在保證發(fā)電質量及效率的前提下，控制能耗與投資，使電力系統(tǒng)的靈活性、可靠性達到預期。

分布光伏發(fā)電的特點是經由光伏組件將太陽能盡數(shù)轉換成電能，并確保其得到充分利用，要求相關單位在用戶周圍對發(fā)電系統(tǒng)進行建設，由用戶自行發(fā)電并對其加以使用，同時對剩余電量做上網處理。與常規(guī)發(fā)電模式相比，該模式具有布局分散、因地制宜還有高效清潔的優(yōu)點，可利用太陽能替代不具備再生能力的傳統(tǒng)能源，符合當今社會所提倡的節(jié)能減排理念。

2 光伏特點說明

光伏輸出往往具有極強的非線性特點，同時和光照強度密切相關，如果存在部分遮蔽的情況，輸出特點將變得更加復雜。研究表明，在外界溫度維持在35℃、光照強度變化處于100W/m~1000W/m時，光伏輸出所對應功率最大點相同。研究表明，無論處在何種情況下，光伏均有功率最大點存在，但在光照強度相同的前提下功率最大點僅有一個，如果對其進行部分遮蔽處理，則會獲得多個功率最大點。基于功率最大點所衍生出跟蹤策略，可使光伏輸出電能得到顯著提升?，F(xiàn)階段，該策略已得到了十分廣泛的運用。

2.1 建立模型

光伏電路的等效關系式如下。

式中：代表輸出電流；代表輸出電壓；I代表二極管內所流過電流量，單位是A；I代表暗電流，即反向飽和電流，單位是A；I代表光生電流，單位同樣是A；R代表并聯(lián)電阻，單位是Ω；代表串流電阻，單位同樣是Ω；代表電子電荷，取值為1.6×10C。代表玻爾茲曼常數(shù)，其取值為1.38×10J/K；代表光伏溫度的絕對值，取值為+273，其中，為實際溫度。代表品質因子。

由此可得出以下表達式。

式中：代表輸出電流?？紤]到的數(shù)量級通常是mΩ，R數(shù)量級通常是Ω，可將上述表達式簡化為以下公式。

若光伏處于開路狀態(tài)，則的取值為0，此時，便可推測出以下公式。

式中：V代表開路電壓，代表電壓最大值，對應的反向飽和電流取值如下。

如果光伏處于短路狀態(tài)，I往往可以忽略不計，則光伏短路電流與輸出電流值相等，簡單來說，就是I和的值相等。

式中：代表光伏輸出功率。一旦外界光照強度還有環(huán)境溫度發(fā)生變化，光伏所輸出功率就會發(fā)生變化。

2.2 特點說明

光伏輸出往往具有極強的非線性特點，同時和光照強度密切相關，如果存在部分遮蔽的情況，輸出特點將變得更加復雜。研究表明，當外界溫度維持在35℃、光照強度變化處于100W/m2~1000W/m2時，光伏輸出所對應功率最大點相同。如果對其進行部分遮蔽處理，則會獲得多個功率最大點。

3 繼電保護裝置分析

3.1 無時限保護

除特殊情況外，保護裝置只需對負荷電流進行增加，便可起到保護短路電流的作用，此外，該裝置還能夠突破外界因素所帶來制約，在任何時間做出切斷短路電流的動作。由于該裝置滿足無時限保護的要求，同時其動作時間是零，相關人員可酌情對保護范圍加以調整，一般來說，線路末端均不在受保護的范圍內。如果出現(xiàn)短路情況，只需憑借短路最大電路，便可完成整定短路電流的工作，整定公式如下。

式中：代表保護電流。代表可靠系數(shù)，其取值往往在1.2~1.3。代表最大短路電流。

加入的目的，主要是保證保護裝置只需憑借常規(guī)保護動作，便能夠快速且徹底的切除短路故障。對電力系統(tǒng)而言，軟件計算和硬件設備均有極大概率產生誤差，進而出現(xiàn)實際電流較理論短路電流更大的情況，由此可見，對必要裕度進行分析很有必要，引入可靠系數(shù)的重要性有目共睹。

3.2 限時保護

一般來說，無時限保護更適合主保護，而難以做到為線路全長提供保護，只有搭配其他保護方式共同使用，才能使保護效果達到預期。限時保護通?？蔀檎尉€路提供保護，同時保證在無時限保護沒有做出動作時，通過提供后備保護的方式，快速排除線路故障。事實證明，要提升保護效果，關鍵是要將線路末端劃入保護范圍，保證保護裝置在起始點出現(xiàn)故障時能夠及時開啟，隨著延時得到控制，裝置所提出速動要求自然可以得到滿足。對應整定公式如下。

式中：I代表動作電流。仍然是可靠系數(shù)，其取值在1.1~1.2。I代表無時限保護段電流。為確保各段均能夠得到有效保護，相關人員指出限時保護應在無時限保護后開啟，對應表達式如下。

式中：代表限時保護時限。代表無時限保護時限，除特殊情況外，其取值均為0。Δ代表時限所處階段。

3.3 過電流保護

該保護模式強調以線路所提出選擇性要求為依據，確保在故障出現(xiàn)時，保護裝置能夠盡快切除故障線路，以免給配網造成更嚴重的影響。一般來說，該電流均可以被分成以下兩類，一是將動作時間作為定值并提供保護，二是在短路電流、動作時間成反比時，為其提供相應的保護。這里需要注意一點，上述兩類電流所對應動作整定值一致，簡單來說，就是在運輸電流超過額定限值時，通過復位繼電器電流的方式，達到保護的目的。過電流保護的整定公式如下。

式中：I代表返回系數(shù)，其取值為0.85。K代表可靠系數(shù)，在該模式中，其取值在1.1~1.2。K代表自啟動系數(shù)，對應取值范圍是1~3。I代表被保護電流所能承受最大電流。I代表運輸電流。

出于為電流所具有選擇性提供保證的考慮，相關人員決定深入剖析動作時間，指出作為第三階段保護，該保護模式的動作時間往往較上述保護模式更長，這點需要尤為注意。

4 接入分布光伏給配電網造成的影響

現(xiàn)階段，集群并網、DG單獨并網已成為配電網的固有特征，DG并網多被用于中低壓系統(tǒng)，其特點可被概括為損耗少、安裝分散，可為無功補償、電壓跌落處理等工作提供支持，確保集中發(fā)電所存在不足得到有效彌補。配電網內部結構以放射狀結構較為常見，隨著科技的發(fā)展，配網結構也較為往變得更加復雜，原有保護裝置所能發(fā)揮作用變得十分有限，鑒于此，配備保護裝置時，應優(yōu)先選擇三段式保護，該方法既能夠保證保護效果，又可降低保護成本，使線路保護更具有效性和經濟性?？紤]到接入分布式電源將使傳統(tǒng)配電網的繼電保護受到較為明顯的影響，并增加保護裝置拒動、誤動或是重合閘無法成功重合等問題發(fā)生的概率，相關人員應對并網所帶來連鎖反應引起重視。

一旦有故障發(fā)生，接入分布電源的配電網通常會出現(xiàn)為故障點提供故障電流的情況，這也是分布電源給其電流保護所造成的主要影響，這一情況又被稱為PV。在不更改PV接入位置以及容量的情況下，短路電流往往由短路位置所決定，由此可見，若線路發(fā)生短路情況，相關人員先要對PV所提供電流進行分析。

該系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，主要包括以下幾類：1）若線路AB在處發(fā)生短路故障，斷開QF0前，電流將經由分布電源到達，同時QF1僅有短路電流經過且短路電流較更短，將使其保護靈敏度受到影響。另外，即使QF1給出了相應的反饋，受分布電源影響，仍然需要承受大量短路電流，極易導致該位置所存在瞬時故障惡化成永久故障。2）若處發(fā)生短路故障，那么，在斷開QF1前，電流將經由分布電源、電源到達，該點所具有靈敏度將因此而得到一定程度的提升。3）若處發(fā)生短路故障，電流將在分布電源、電源的影響下，快速流向點，QF3所承受短路電流值將有所提升，相應地，其靈敏度也會出現(xiàn)變化。這里要注意一點，一旦短路電流達到限值，QF2將發(fā)生動作，故障范圍也會有所擴大。4）若處發(fā)生短路故障，系統(tǒng)通常會做出與短路故障相同的動作，此時，電流將通過分布電源、電源流入，QF4所表現(xiàn)出靈敏度將有所提升。5）若處發(fā)生短路故障，系統(tǒng)保護動作往往與、相同，電流將經過分布電源、電源到達點，靈敏度隨之提升。如果短路電流超出其所能承受范圍，將使上級線路做出相應的保護動作，故障范圍往往會出現(xiàn)較為明顯的擴大。

圖1 分布電源配網系統(tǒng)

由此可見，接入分布電源將給配電網保護產生直接影響，具體表現(xiàn)在以下幾點：1）使上游線路對故障所具有靈敏度有所降低，同時會增加越級跳閘和保護延遲等情況出現(xiàn)的概率，若未能及時解決該問題，將導致故障范圍有所擴大。2）使下游線路對故障所具有靈敏度大幅提升，但有較大概率使故障點做出越級的動作，導致故障范圍擴大。

5 如何在配電網保護中加入分布光伏

現(xiàn)階段，對光伏并網進行檢測的方法以孤島檢測為主，強調在規(guī)定時間內，分別采集相位、電壓和電流等參數(shù)?？紤]到光伏列陣輸出與逆變器的聯(lián)系十分緊密，除特殊情況外，逆變器、控制器間所存在損耗均可忽略不計，此舉可確保并網、光伏輸出間具有完全相同的功率。相關人員以實踐所積累經驗為基礎，結合光伏接入給配電網帶來的影響，提出了以下接入措施。欠功率的特點是光伏輸出未達到用戶端消耗值，光伏并網要聯(lián)合配電網向用戶端運送其所需電能。一旦線路發(fā)生短路情況，將導致用戶端所輸入電能量快速減少，換言之，僅憑借光伏所輸出電能難以滿足用戶端需求，若不盡快解決該問題，將使電流值、電壓值出現(xiàn)變化。

等功率強調用戶端消耗和光伏輸出相同，此時，光伏并網無須向配電網提供電能。若線路發(fā)生短路故障，相關人員往往只需對線路是否存在孤島進行判斷，便可得出準確結論。

過功率的特點是光伏輸出在用戶端消耗上，需要光伏并網向配電網提供一定電能。若線路發(fā)生短路情況，光伏并網所承載電流量將快速增加，其提升速度和提升量往往取決于線路起始端、故障點間的距離，如果二者相距較遠，電流量將增加緩慢，同時提升量相對較小?？紤]到光伏分布多位于最大功率點附近，一旦有短路情況出現(xiàn)，導致輸出功率難以增加，并網電壓必然會隨著電流的增加而減少。若由光伏列陣所輸出電流及電壓均發(fā)生了明顯變化，極易導致相關人員忽略光伏并網某側的輸出變化。利用孤島檢測法對其進行檢測，有助于相關人員快速判斷光伏并網電流及電壓發(fā)生變化的原因，明確其變化是否與光伏陣列相關，并由此確定保護裝置運行情況。若并網電流及電壓變化速度極快，則表示問題成因與光伏列陣無關，此時，相關人員應逐一計算故障區(qū)間以及故障電流。如果計算結果為I>KI（I代表故障電流；K代表可靠系數(shù)；代表動作額定電流），則表示保護裝置正常運行，若計算結果為I≤KI，則代表配網處于并網的狀態(tài)。

孤島檢測強調從光伏并網電路所安裝變換器處對光伏輸出及其他相關數(shù)據進行采集，從電網、逆變器的并聯(lián)網址處對配電網所提供電能、并網電流還有電壓進行采集。由此可見，除特殊情況外，相關人員均可選擇以孤島檢測為核心，對所掌握相位、電壓以及電流數(shù)據進行分析的方式，明確配電網線路所處運行狀態(tài)。若分析結果表明，配電網線路存在故障，則需要先確定故障所處位置，再通過以下方式加以解決：先對光伏所輸出電壓值還有電流值進行采集，采用并網及最大功率跟蹤等策略，采集并網電壓和電流。隨后，對采集所得數(shù)據進行孤島檢測，如果用戶端負載、光伏輸入一致，通常只需留下重要負載，同時剔除剩余負載。若二者數(shù)值存在明顯差異且用戶負載值較光伏輸入更大，表示電能值處于快速降低的狀態(tài)，此時，應盡快對光伏運行模式進行切換，并剔除重要負載以外的其他負載。如果光伏輸入明顯大于用戶負載值，通常代表并網電流處于急速提升的狀態(tài)，光伏輸出隨之增加，相關人員須盡快確定故障電流所處位置，若光伏輸出已達到或超出額定限制，應立即開啟保護，以免配網受到不必要的影響。

6 結論

在配網中接入分布電源，將使配網由單側電源輻射轉變?yōu)殡娫椿ヂ?lián)，原有繼電保護將難以發(fā)揮出應有作用，一旦出現(xiàn)電壓波動等情況，配網運行所具有穩(wěn)定性和可靠性必然會受到影響。為解決該問題，相關人員選擇以光伏輸出特點為切入點，通過孤島檢測對光伏并網電流還有電壓加以控制，在保證繼電保護效果的基礎上，進行繼電保護。事實證明，該方法在提高電能質量和配網有效性方面具有突出作用，可對其進行推廣。