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。而此時各個分布式發(fā)電系統(tǒng)并沒有檢測出對應(yīng)的故障問題,進(jìn)而沒有及時將光伏發(fā)電系統(tǒng)與電力網(wǎng)絡(luò)斷開,形成了一個以分布式發(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)電孤島會給系統(tǒng)內(nèi)的電壓和頻率造成非常直接的影響,甚至?xí)ο鄳?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)時有可能會出現(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)會造成接地故障無法徹底清除,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認(rèn)知偏差,認(rèn)為是電力網(wǎng)絡(luò)斷電,進(jìn)而做出錯誤判斷,給工作人員的人身安全帶來威脅。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)此類情況時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35kV及以上電壓等級并網(wǎng),以及通過10kV電壓等級與公共電網(wǎng)連接的光伏電站,應(yīng)配置獨(dú)立的防孤島保護(hù)裝置,動作時間不應(yīng)大于2s。防孤島保護(hù)還應(yīng)與電網(wǎng)側(cè)線路保護(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)生故障時斷開并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān),避免線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,對電站造成沖擊。

當(dāng)故障發(fā)生時必須快速準(zhǔn)確地切除并網(wǎng)開關(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,對應(yīng)的微機(jī)保護(hù)就會及時準(zhǔn)確地動作。孤島保護(hù)裝置有時候在電站中作為一個后備保護(hù)存在。而對于分布式光伏電站來講,由于安裝容量比較小,而且低壓并網(wǎng),因此一般沒有建變電所。正是由于這個原因,為了保證電網(wǎng)的安全,根據(jù)當(dāng)?shù)匾?一般會有防孤島保護(hù)裝置、同期裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測裝置等。

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,低頻保護(hù)才能啟動,低頻保護(hù)動作200ms后立即返回。(2)過頻保護(hù):當(dāng)頻率高于定值時,保護(hù)啟動。(3)低壓保護(hù):當(dāng)電壓低于定值時動作。(4)過壓保護(hù):當(dāng)電壓高于定值時動作。(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)跳命令時延時開關(guān)跳閘,切本站的并網(wǎng)開關(guān)。(6)頻率突變:當(dāng)頻率波動值超過所設(shè)定值時,保護(hù)動作。

針對新能源場站送出線路發(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)的孤島檢測方法。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時,送出線路上的功率因數(shù)通常在0.85以上,對應(yīng)功角小于329:在送出線路發(fā)生故障時,則場站端的測量阻抗角為線路阻抗角,通常大于609,對應(yīng)功率因數(shù)低于0.5:線路跳開后,則送出線電流和功率為0。裝置實(shí)時監(jiān)測送出線路的功率因數(shù),當(dāng)發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)偏離正常值達(dá)到設(shè)定的門檻時,之后線路無電流,則可判定為發(fā)生孤島效應(yīng)。

結(jié)合現(xiàn)有的新能源場站的接線方法,對其進(jìn)行模擬實(shí)驗,結(jié)果表明,出現(xiàn)35kV母線故障或新能源場站送出線路開斷等情況的時候會造成小孤島,使得防孤島裝置發(fā)生動作。

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)主動注入電壓或頻率擾動信號的專用安全保障設(shè)備,消除逆變器設(shè)備自身防孤島檢測失效帶來的安全隱患。

低壓反孤島裝置是專門為電力檢修或相關(guān)電力操作人員設(shè)計的一種用于破壞分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的非計劃孤島運(yùn)行的設(shè)備,由操作開關(guān)、阻性擾動負(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)送出線路電網(wǎng)側(cè),如配電變壓器低壓側(cè)母線、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)的線路或設(shè)備時使用。

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

擾動負(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,阻值計算公式如下:

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

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

與上級低壓斷路器的互鎖功能:低壓反孤島裝置的操作開關(guān)應(yīng)與所安裝處的上級低壓斷路器配合,并設(shè)計互鎖功能,確保上級斷路器斷開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)載專用控制器:該控制器控制擾動電阻的投入,同時與上級開關(guān)進(jìn)行電氣閉鎖,只有條件滿足時,才能閉合反孤島開關(guān),投入擾動電阻。當(dāng)條件不滿足時,不能投入,且不能自動投入反孤島。因此,為了避免誤投反孤島,禁止手動投入。當(dāng)上級反孤島開關(guān)無任何可以用的閉鎖點(diǎn),此時確認(rèn)上級開關(guān)在分開的狀態(tài)下,才能手動閉合反孤島開關(guān)。

3結(jié)語

國家電網(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。試驗結(jié)果表明,低壓反孤島裝置應(yīng)優(yōu)先選用電阻型擾動負(fù)載。同時,由于低壓反孤島裝置具有向下覆蓋特性,能滿足實(shí)際容量小于計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)計系列化的低壓反孤島裝置。