微電網(wǎng)防孤島保護(hù)與反孤島保護(hù)研究

引言

孤島是指在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)由于故障原因或是停電而出現(xiàn)跳閘斷電的情況。而此時(shí)各個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)并沒(méi)有檢測(cè)出對(duì)應(yīng)的故障問(wèn)題,進(jìn)而沒(méi)有及時(shí)將光伏發(fā)電系統(tǒng)與電力網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi),形成了一個(gè)以分布式發(fā)電系統(tǒng)以及其他負(fù)載組件共同形成的發(fā)電孤島。

孤島效應(yīng)的危害:(1)形成發(fā)電孤島會(huì)給系統(tǒng)內(nèi)的電壓和頻率造成非常直接的影響,甚至?xí)?duì)相應(yīng)的裝置設(shè)備造成損害:(2)當(dāng)故障解除之后,光伏發(fā)電系統(tǒng)在重新接入電力網(wǎng)絡(luò)時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)電壓不同步,繼而出現(xiàn)電流突變的情況,導(dǎo)致電力設(shè)備和其他器件受到損害:(3)斷電之后的孤島效應(yīng)會(huì)造成接地故障無(wú)法徹底清除,給電力系統(tǒng)造成影響:(4)孤島效應(yīng)很容易給工作人員帶來(lái)認(rèn)知偏差,認(rèn)為是電力網(wǎng)絡(luò)斷電,進(jìn)而做出錯(cuò)誤判斷,給工作人員的人身安全帶來(lái)威脅。為了避免孤島效應(yīng)給設(shè)備和工作人員造成危害,就必須要在出現(xiàn)此類(lèi)情況時(shí)具備一定的防御保護(hù)能力,進(jìn)而確保設(shè)備完好、人員安全。

通過(guò)35kV及以上電壓等級(jí)并網(wǎng),以及通過(guò)10kV電壓等級(jí)與公共電網(wǎng)連接的光伏電站,應(yīng)配置獨(dú)立的防孤島保護(hù)裝置,動(dòng)作時(shí)間不應(yīng)大于2s。防孤島保護(hù)還應(yīng)與電網(wǎng)側(cè)線(xiàn)路保護(hù)相配合。

1光伏發(fā)電防孤島裝置的作用及工作原理

光伏發(fā)電防孤島裝置在變電站中的主要作用就是產(chǎn)生故障時(shí)斷開(kāi)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān),避免線(xiàn)路上有人員施工檢修造成不必要的人員傷亡,避免電網(wǎng)故障而引起光伏電站的不正常運(yùn)行,對(duì)電站造成沖擊。

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)必須快速準(zhǔn)確地切除并網(wǎng)開(kāi)關(guān)。變電站中有比較齊全的微機(jī)保護(hù)裝置,當(dāng)故障發(fā)生時(shí),對(duì)應(yīng)的微機(jī)保護(hù)就會(huì)及時(shí)準(zhǔn)確地動(dòng)作。孤島保護(hù)裝置有時(shí)候在電站中作為一個(gè)后備保護(hù)存在。而對(duì)于分布式光伏電站來(lái)講,由于安裝容量比較小,而且低壓并網(wǎng),因此一般沒(méi)有建變電所。正是由于這個(gè)原因,為了保證電網(wǎng)的安全,根據(jù)當(dāng)?shù)匾?一般會(huì)有防孤島保護(hù)裝置、同期裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置等。

光伏發(fā)電防孤島裝置的保護(hù)配置功能如下:(1)低頻保護(hù):頻率在35~65Hz之間,且在低頻值以上時(shí),低頻保護(hù)才能啟動(dòng),低頻保護(hù)動(dòng)作200ms后立即返回。(2)過(guò)頻保護(hù):當(dāng)頻率高于定值時(shí),保護(hù)啟動(dòng)。(3)低壓保護(hù):當(dāng)電壓低于定值時(shí)動(dòng)作。(4)過(guò)壓保護(hù):當(dāng)電壓高于定值時(shí)動(dòng)作。(5)聯(lián)跳:支持變電站側(cè)聯(lián)跳,即當(dāng)收到變電站側(cè)聯(lián)跳命令時(shí)延時(shí)開(kāi)關(guān)跳閘,切本站的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)。(6)頻率突變:當(dāng)頻率波動(dòng)值超過(guò)所設(shè)定值時(shí),保護(hù)動(dòng)作。

針對(duì)新能源場(chǎng)站送出線(xiàn)路發(fā)生三相短路故障跳閘而出現(xiàn)的孤島,可采用基于功率因數(shù)的孤島檢測(cè)方法。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),送出線(xiàn)路上的功率因數(shù)通常在0.85以上,對(duì)應(yīng)功角小于329:在送出線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí),則場(chǎng)站端的測(cè)量阻抗角為線(xiàn)路阻抗角,通常大于609,對(duì)應(yīng)功率因數(shù)低于0.5:線(xiàn)路跳開(kāi)后,則送出線(xiàn)電流和功率為0。裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)送出線(xiàn)路的功率因數(shù),當(dāng)發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)偏離正常值達(dá)到設(shè)定的門(mén)檻時(shí),之后線(xiàn)路無(wú)電流,則可判定為發(fā)生孤島效應(yīng)。

結(jié)合現(xiàn)有的新能源場(chǎng)站的接線(xiàn)方法,對(duì)其進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,出現(xiàn)35kV母線(xiàn)故障或新能源場(chǎng)站送出線(xiàn)路開(kāi)斷等情況的時(shí)候會(huì)造成小孤島,使得防孤島裝置發(fā)生動(dòng)作。

2反孤島裝置的組成及工作原理

反孤島裝置是指可向分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)主動(dòng)注入電壓或頻率擾動(dòng)信號(hào)的專(zhuān)用安全保障設(shè)備,消除逆變器設(shè)備自身防孤島檢測(cè)失效帶來(lái)的安全隱患。

低壓反孤島裝置是專(zhuān)門(mén)為電力檢修或相關(guān)電力操作人員設(shè)計(jì)的一種用于破壞分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的非計(jì)劃孤島運(yùn)行的設(shè)備,由操作開(kāi)關(guān)、阻性擾動(dòng)負(fù)載及相關(guān)控制保護(hù)單元組成。裝置一次、二次原理如圖1、圖2所示。低壓反孤島裝置主要在220V/380V電網(wǎng)中使用,一般安裝在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)送出線(xiàn)路電網(wǎng)側(cè),如配電變壓器低壓側(cè)母線(xiàn)、低壓環(huán)網(wǎng)柜等處,在電力人員檢修與分布式光伏發(fā)電相關(guān)的線(xiàn)路或設(shè)備時(shí)使用。

擾動(dòng)電阻是電阻的一類(lèi),要根據(jù)光伏的容量來(lái)選擇擾動(dòng)電阻,一般情況下規(guī)格有100kw、200kw、400kw。擾動(dòng)電阻的選擇也要根據(jù)規(guī)范來(lái)選擇,主要選擇參數(shù)是電阻值、額定電流、短時(shí)耐受電流、耐受時(shí)間等。

擾動(dòng)負(fù)載阻值根據(jù)反孤島裝置投入后能夠使分布式光伏發(fā)電孤島運(yùn)行系統(tǒng)的電壓跌落至0.85Un及以下,阻值計(jì)算公式如下:

式中,Rs為擾動(dòng)負(fù)載阻值:Uo為反孤島裝置投入前并網(wǎng)點(diǎn)母線(xiàn)電壓:U為反孤島裝置投入后并網(wǎng)點(diǎn)母線(xiàn)電壓:Pinv為光伏逆變器定額功率:Un為配網(wǎng)母線(xiàn)電壓額定值,本標(biāo)準(zhǔn)適用值為380V。

操作開(kāi)關(guān):延時(shí)保護(hù),低壓反孤島裝置應(yīng)具備延時(shí)保護(hù)功能。當(dāng)?shù)蛪悍垂聧u裝置誤投入時(shí),應(yīng)該立即跳開(kāi)斷路器,而反孤島功能失效時(shí),應(yīng)通過(guò)延時(shí)設(shè)備跳開(kāi)斷路器,保證擾動(dòng)電阻不被損壞。延時(shí)保護(hù)參數(shù)可整定,延時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間設(shè)定值為1s,過(guò)載保護(hù)動(dòng)作時(shí)間設(shè)置值應(yīng)充分考慮擾動(dòng)電阻特性,延時(shí)保護(hù)偏差不超過(guò)100ms。

與上級(jí)低壓斷路器的互鎖功能:低壓反孤島裝置的操作開(kāi)關(guān)應(yīng)與所安裝處的上級(jí)低壓斷路器配合,并設(shè)計(jì)互鎖功能,確保上級(jí)斷路器斷開(kāi)后反孤島裝置方可投入使用,應(yīng)采用機(jī)械或電氣的互鎖方式。

負(fù)載專(zhuān)用控制器:該控制器控制擾動(dòng)電阻的投入,同時(shí)與上級(jí)開(kāi)關(guān)進(jìn)行電氣閉鎖,只有條件滿(mǎn)足時(shí),才能閉合反孤島開(kāi)關(guān),投入擾動(dòng)電阻。當(dāng)條件不滿(mǎn)足時(shí),不能投入,且不能自動(dòng)投入反孤島。因此,為了避免誤投反孤島,禁止手動(dòng)投入。當(dāng)上級(jí)反孤島開(kāi)關(guān)無(wú)任何可以用的閉鎖點(diǎn),此時(shí)確認(rèn)上級(jí)開(kāi)關(guān)在分開(kāi)的狀態(tài)下,才能手動(dòng)閉合反孤島開(kāi)關(guān)。

3結(jié)語(yǔ)

國(guó)家電網(wǎng)需要逐步完善小型發(fā)電規(guī)范,防孤島保護(hù)與反孤島保護(hù)裝置的使用率越來(lái)越高。為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行,它們是必要的保護(hù)裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明,低壓反孤島裝置應(yīng)優(yōu)先選用電阻型擾動(dòng)負(fù)載。同時(shí),由于低壓反孤島裝置具有向下覆蓋特性,能滿(mǎn)足實(shí)際容量小于計(jì)算容量的分布式光伏發(fā)電,可以根據(jù)典型的分布式光伏容量,設(shè)計(jì)系列化的低壓反孤島裝置。