范士興， 白 貞， 李 艾， 王正龍

(1. 北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045；2. 北京首都國際機場股份有限公司，北京 100621)

0 引言

2017 年，國家能源局發(fā)布了《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，積極推廣與建筑結(jié)合的分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，鼓勵在有條件的城鎮(zhèn)公共設(shè)施、商業(yè)建筑及產(chǎn)業(yè)機場的建筑、機場屋頂?shù)劝惭b并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，推動光伏發(fā)電在經(jīng)濟(jì)性相對較好的領(lǐng)域優(yōu)先得到發(fā)展。 某機場交通中心位于航站樓南側(cè)，頂部為玻璃穹頂，有非常好的采光條件，在頂部設(shè)置發(fā)電系統(tǒng)將會有非常好的發(fā)電效果。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)方案

1.1 光伏組件的選擇

機場交通中心位于飛行航道上，光伏組件的反光會對航空運行帶來危害、影響飛行安全，為此本項目選用反光性能較弱的柔性薄膜組件，以避免光伏組件的反光對航空運行的影響。 薄膜組件相對于其他類型太陽能組件重量更輕、更薄且更加柔軟。 薄膜型組件較輕的重量可以滿足交通中心玻璃穹頂載荷現(xiàn)狀的要求，薄膜組件的柔軟性使得其可直接粘接在原有玻璃采光頂上，施工更簡單，對原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何破壞，保證原主體和玻璃采光頂結(jié)構(gòu)安全。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置方案

根據(jù)電力主管部門及建設(shè)方要求，本工程光伏發(fā)電系統(tǒng)按照“自發(fā)自用”“全部就地消納”“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的形式進(jìn)行建設(shè)，因此光伏系統(tǒng)的發(fā)電容量需要與現(xiàn)狀電力系統(tǒng)的運行容量匹配。 交通中心位于航站樓主進(jìn)場路前段，需考慮整體的美觀性。兼顧考慮上述兩點，僅在交通中心屋頂局部布設(shè)光伏組件。 其發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

本工程共設(shè)置4 組直流逆變器，每組逆變器接入4 組直流光伏組件串，每組光伏組件串由每32 塊光伏組件組成。 每兩組逆變器交流輸出后在就地先做一次匯流，之后兩組交流電源在變電室再做匯流并入變電室低壓側(cè)。 每塊薄膜型光伏組件額定發(fā)電功率210W，直流電壓18.4V，逆變器輸入直流電壓588.8V，輸出交流400V。 總發(fā)電功率210W×32×4×4 ＝107.5kW，現(xiàn)狀光伏發(fā)電系統(tǒng)并入的變電室內(nèi)設(shè)置有兩臺1 600kVA 干式變壓器，現(xiàn)狀運行的平均負(fù)荷率約為20%，最小負(fù)荷率10%，變電室低壓母線側(cè)設(shè)置有無功補償裝置，補償后的功率因數(shù)0.95。 變電室最小負(fù)載功率為1 600×10%×0.95＝152kW，最大發(fā)電功率為107.5kW，因此本工程光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電僅為本工程使用，自發(fā)自用，不涉及余電上網(wǎng)。

2 接入方案

本工程光伏發(fā)電系統(tǒng)采用低壓并網(wǎng)運行方式，如圖2 所示。 光伏組件輸出的直流電源逆變?yōu)榻涣麟娫春蠼?jīng)兩次匯流在變電室設(shè)置并網(wǎng)柜并入低壓配電系統(tǒng)運行。 逆變器出口采用微型斷路器保護(hù)，匯流箱出口及并網(wǎng)柜均采用塑殼斷路器保護(hù)。 并網(wǎng)柜內(nèi)設(shè)置有防電力孤島功能，保證當(dāng)配電系統(tǒng)無電時光伏發(fā)電系統(tǒng)停止發(fā)電以防止電擊事故。 逆變器交流輸出端設(shè)置40kVA 隔離變壓器用于隔離光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流分量。

3 短路運行分析

圖2 光伏發(fā)電低壓接入系統(tǒng)示意圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)在低壓側(cè)并網(wǎng)運行，光伏發(fā)電系統(tǒng)作為第二路電源的引入必然加大現(xiàn)狀配電系統(tǒng)短路容量。 當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生短路時，光伏發(fā)電系統(tǒng)將作為第二路電源同樣會對故障點注入短路電流從而加大了配電系統(tǒng)的短路電流。

3.1 三相短路時運行分析

利用E-TAP 軟件對配電系統(tǒng)進(jìn)行三相短路模擬計算，下文進(jìn)行計算結(jié)果演示。

當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生三相短路時，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過逆變器向配電系統(tǒng)注入短路電流，其注入的短路電流值取決于逆變器的電流允許輸出值。 這是由于當(dāng)逆變器通過的電流超過其允許輸出值時將迅速截斷切除短路電流，而逆變器為可控硅類電子元器件，其切斷短路電流輸出的速度很快且超過了斷路器的動作時間。 據(jù)此原因光伏發(fā)電系統(tǒng)注入配電系統(tǒng)的短路電流值一般按逆變器的允許輸出電流值計算，一般情況下逆變器的短路電流輸出值為其額定電流的1.2～1.5 倍。 目前，逆變器的電流時間曲線與斷路器脫扣器動作的電流時間曲線對比尚無資料。 本工程選用的逆變器短路電流輸出值為其額定電流的1.3 倍，如圖3 所示為75A。 根據(jù)上述計算模型，當(dāng)?shù)蛪鹤兣潆娛夷妇€短路時，光伏系統(tǒng)注入的短路電流為288A(其他各點的短路電流如圖3)，而相對配電系統(tǒng)自身的35.866kA 而言，可以忽略不計。

圖3 三相短路電流分布

根據(jù)上述計算可知配電系統(tǒng)產(chǎn)生短路電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的短路電流值，當(dāng)發(fā)生短路時，由配電系統(tǒng)產(chǎn)生的短路電流使得斷路器分?jǐn)嗵l。 但注意此斷路器位于光伏發(fā)電系統(tǒng)前端，因此系統(tǒng)的短路故障并未消除，光伏發(fā)電系統(tǒng)會通過逆變器繼續(xù)向短路點注入短路電流。 當(dāng)短路點發(fā)生在短路電流達(dá)到逆變器允許輸出值前，此電流無法被逆變器切除，因此電流的持續(xù)時間與人工運維故障切除時間相關(guān)，也就是可能存在很長的時間，所以此處的導(dǎo)體選擇時應(yīng)按照逆變器的輸出電流時間曲線進(jìn)行選擇。 當(dāng)遠(yuǎn)離逆變器時短路電流隨著系統(tǒng)阻抗會衰減，因此其他各處導(dǎo)體選擇時應(yīng)該將額定電流與光伏系統(tǒng)引起的短路電流對比，按較大者選擇導(dǎo)體截面，而不能簡單按照逆變器的輸出電流時間曲線選擇。 隔離變壓器的選擇同樣需按照逆變器允許輸出的短路電流作為其允許的長時間運行電流選擇。

由于配電系統(tǒng)引入的短路電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光伏系統(tǒng)帶來的短路電流值，可以很好地保證并聯(lián)的兩路光伏系統(tǒng)在故障時僅切除故障回路，從而保證無故障的回路可正常發(fā)電運行，下文進(jìn)行舉例計算。

如圖4 所示，短路點選擇在隔離變壓器上口，當(dāng)三相短路發(fā)生時，由于其他光伏支路也提供短路電流，使得流過上級斷路器(MCCB) 的短路電流(862A)會小于流過本級斷路器(MCB)的短路電流為(909A)，而上級斷路器整定值又大于本級斷路器的整定值，因此正常情況下，可保證本級斷路器先分?jǐn)?，從而保證良好的保護(hù)選擇性。 在本工程中，MCCB 選擇長延時整定值125A，瞬動1 000A。 MCB選擇為63A 微型斷路器，顯然微斷先分?jǐn)唷?/p>

圖4 末端短路電流分布

3.2 單相接地短路時運行分析

利用E-TAP 軟件對配電系統(tǒng)進(jìn)行單相接地短路模擬計算，計算模型(圖5)中:由于光伏逆變器大多無PE 線，單相接地時其不輸出短路電流，僅為正常運行電流。 發(fā)生單相接地故障時，短路電流均為配電系統(tǒng)提供，斷路器分?jǐn)嗪蠊夥到y(tǒng)無法正常輸出，但斷路器下口有正常電壓。

4 潮流分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)的引入配電系統(tǒng)電流和功率分布、電壓降落都產(chǎn)生變化，需要潮流分析確定光伏系統(tǒng)對配電系統(tǒng)正常運行電壓及電流的影響。 同樣利用E-TAP 軟件對潮流進(jìn)行計算，如圖6 所示。

圖5 單相接地短路電流分布

由于本工程設(shè)計的光伏系統(tǒng)容量非常小，電流及功率分布如圖6 所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)的引入減少了自電網(wǎng)輸入的電能，所有電功率分別從電網(wǎng)及光伏系統(tǒng)流向低壓側(cè)用電設(shè)備。 根據(jù)上述計算分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)抬高了整個配電系統(tǒng)的電壓，尤其是靠近光伏發(fā)電側(cè)的電壓達(dá)到了421V，高電壓帶來的風(fēng)險不言而喻，因此本工程將隔離變壓器的輸出分接頭調(diào)整為－5%，滿足系統(tǒng)電壓需求。 引起高電壓的原因有以下兩點，一是本項目全部采用電纜供電且由光伏設(shè)置的位置距低壓變配電室較遠(yuǎn)導(dǎo)致電纜線路很長，而電纜為容性，由此系統(tǒng)引入了一個大的容性負(fù)荷；二是本身變電室設(shè)置有電容補償且補償功率因數(shù)達(dá)到0.95。 在白天發(fā)電量高峰階段，負(fù)載較小且所需無功由現(xiàn)在的補償電容提供，從而導(dǎo)致光伏系統(tǒng)呈現(xiàn)容性的過補償狀態(tài)，從而導(dǎo)致光伏系統(tǒng)側(cè)電壓升高。

圖6 光伏發(fā)電系統(tǒng)潮流分析

5 結(jié)束語

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)容量越來越大，光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電系統(tǒng)的影響也越來越大。 光伏逆變器的時間電流曲線需要更好的和配電斷路器進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)置，才能保證配電系統(tǒng)可靠運行。