秦金宣

太陽能是一種具有可再生、對環(huán)境友好、清潔 等特征的新能源，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國在太陽 能開發(fā)、利用方面的技術(shù)已經(jīng)相對成熟，同時太陽能的 收集比較容易，應(yīng)用十分便捷，因此已經(jīng)在我國多個領(lǐng)域 得到了應(yīng)用。在國家的大力推廣下，目前我國在分布式光 伏發(fā)電的研究、實踐方面均取得了許多成果，但關(guān)于分布 式光伏發(fā)電繼電保護策略的研究相對較少，有待深入研究 。

（一）概念

分布式光伏發(fā)電指的是利用光伏組件進行光伏 發(fā)電的一種方法，其通常是以用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量 上網(wǎng)為主要運行方式。分布式光伏發(fā)電可以對當(dāng)?shù)氐奶?能資源進行充分利用，從而可以降低對煤炭、石油等傳 統(tǒng)能源的消耗。分布式光伏發(fā)電的適用范圍較廣，既可以 應(yīng)用于城市、鄉(xiāng)村，也可以建設(shè)在山區(qū)、牧區(qū)。分布式光 伏發(fā)電有著良好的發(fā)展前景。

（二）組成

分布式光伏發(fā)電是一種新興的能源綜合利用的 發(fā)電方式。當(dāng)前新能源的開發(fā)與利用已經(jīng)成為生態(tài)經(jīng)濟建 設(shè)的主要著力點與促進產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型的重要推動力，在這 樣的背景下，分布式光伏發(fā)電作為太陽能開發(fā)與利用的一 種實踐成果，在我國有著良好的發(fā)展前景。分布式光伏發(fā) 電系統(tǒng)倡導(dǎo)就近發(fā)電、就近轉(zhuǎn)換、就近并網(wǎng)以及就近使用 ，可提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，還解決了電力在長 途運輸、升壓過程中的損耗問題，是一種高效、節(jié)能、 安全的太陽能發(fā)電方式。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由蓄電池組、控制器 、直流/交流逆變器、由光伏組件串聯(lián)或并聯(lián)組成的光伏 方陣等部分組合而成。光伏組件是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中 的核心，光伏組件是由太陽能電池即光伏電池以并聯(lián)或 者是串聯(lián)的形式連接起來并封裝組成，其可以直接將太陽 的光能轉(zhuǎn)換成電能，且為直流電，可以直接利用，也可以 使用直流/交流逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。也就是說 ，針對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)的電能，可即發(fā)即用，也能 用儲能裝置如蓄電池等儲存起來，有需要的時候可隨時釋放 出來。

（三）原理

太陽能是一種應(yīng)用十分廣泛的清潔型、可再生 能源，其本身屬于輻射能，無法被直接利用，只能采用能 量轉(zhuǎn)換器件將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，才能實現(xiàn)對太陽能的應(yīng) 用，太陽能電池是主要的能量轉(zhuǎn)換器件，可以起到能量轉(zhuǎn) 換的作用，在太陽能資源的開發(fā)與利用過程中發(fā)揮著至關(guān) 重要的作用。對太陽能電池的作用原理進行分析發(fā)現(xiàn)，其 屬于半導(dǎo)體器件，以光電轉(zhuǎn)換原理為依托，在經(jīng)過半導(dǎo)體 物質(zhì)的時候，太陽的輻射光便會被轉(zhuǎn)換為電能，這一過程 被稱作光生伏打效應(yīng)，所以，太陽能電池也被稱作光伏電 池。光伏電池可起到光電轉(zhuǎn)換的作用，可以將太陽輻射能 直接轉(zhuǎn)換為直流電，是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本單元。 將磷或硼等元素?fù)降骄w硅中，組成混合材料，混合材 料的分子電荷中，產(chǎn)生永久的不平衡，形成具有特殊電性 能的半導(dǎo)體材料，由這種半導(dǎo)體材料制成的光伏電池，在 太陽光的照射下，內(nèi)部會產(chǎn)生自由電荷，同時自由電荷會 在光伏電池內(nèi)部產(chǎn)生定向移動、積累，在兩端閉合的時候 便會產(chǎn)生電能，這便是光生伏打效應(yīng)。

（四）特點

分布式光伏發(fā)電有四項基本特征，第一項特征 是污染較低，有著理想的環(huán)保效益，在進行發(fā)電的過程中 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)不會對水環(huán)境、大氣環(huán)境造成污染， 也不會產(chǎn)生噪聲污染、光污染;第二項特征是輸出功率較 低，一個獨立的分布式光伏發(fā)電項目，通常情況下容量 為數(shù)千瓦，集中式電站的大小會影響發(fā)電效率，而光伏 電站不同，其大小不會給發(fā)電效率造成太大的影響，小 型分布式光伏發(fā)電項目的投資收益率與大型分布式光伏 發(fā)電項目的投資收益率相差不大;第三項特征是可做到發(fā) 電用電并存，對實際情況進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大型地面電站運 行過程中，發(fā)電是升壓接入輸電網(wǎng)，僅作為發(fā)電電站，分 布式光伏發(fā)電是接入配電網(wǎng)，同時要求盡量就地消納;第 四項特征是有利于改善局部地區(qū)的用電緊張問題，分布式 光伏發(fā)電能量密度較低，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)每平方米的 功率約為100W左右，且安裝光伏組件需要占用建筑屋頂， 涉及人民群眾的切身利益，需做好溝通工作，這就增加 了分布式光伏發(fā)電的推廣難度，導(dǎo)致其無法從根本上解決 電能短缺的問題。

A地區(qū)太陽能資源豐富，常年日照數(shù)約為 2398.6h，經(jīng)實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)該地的光照條件能夠滿足光伏發(fā)電項 目建設(shè)的要求，且經(jīng)可行性分析、經(jīng)濟性分析判定可起到 理想的經(jīng)濟效益。集團公司的光伏發(fā)電項目，采用的形式 為光伏并網(wǎng)發(fā)電，可分為分布式光伏發(fā)電、集中式光伏發(fā) 電。首先，分布式并網(wǎng)指的是，將小型光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝 在靠近供電負(fù)荷的區(qū)域，可直接分配至負(fù)載上，借助電網(wǎng) 進行余電調(diào)節(jié)、電力供應(yīng);其次，集中式并網(wǎng)指的是，將 光伏發(fā)電站生產(chǎn)的電能直接輸送至電網(wǎng)進行統(tǒng)一供電。

（一）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后配電網(wǎng)的變化

集團公司已建成的配電網(wǎng)，以單一輻射狀供電 結(jié)構(gòu)為主，潮流按照從電源到負(fù)荷的方向進行單向流動。 配電網(wǎng)的繼電保護為放射狀配置方式，可達到逐級配置、上下配合的效果，從而實現(xiàn)停電范圍的縮減，一旦發(fā)生故 障便可以準(zhǔn)確定位故障所在位置。

配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后發(fā) 生了明顯的改變，即轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫垂╇娊Y(jié)構(gòu)，與此相對應(yīng) 的，潮流流向也出現(xiàn)了明顯的改變，分布式光伏發(fā)電的投 入位置、容量不同，配電網(wǎng)的潮流分布點也會發(fā)生相應(yīng) 的變化，從而使得原有繼電保護裝置受到較大的影響。 配電網(wǎng)中出現(xiàn)故障時，短路電流方向與大小會發(fā)生改變， 進而容易使配電網(wǎng)出現(xiàn)孤島運行的現(xiàn)象，同時還會使繼電 保護裝置發(fā)生誤動作，例如重合閘重合失敗、距離保護失 靈、保護靈敏度降低都是常見的誤動作。隨著分布式光 伏發(fā)電項目數(shù)量的增多、規(guī)模的擴大，分布式光伏并網(wǎng) 容量也在不斷增加，因此傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護已經(jīng)無法滿 足新要求，必須探索更加科學(xué)有效的繼電保護措施。

（二）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入對三段式電流保護的影響

集團公司配電網(wǎng)主要采用三段式電流保護，配 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入之后，其復(fù)雜程度明 顯提高，這就給三段式電流保護帶來了巨大的影響。主 要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，保護的靈敏度受到嚴(yán)重影 響。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)之前，配電網(wǎng)存在 故障的情況下，短路電流的輸送途徑只有一個，也就是電 網(wǎng)，這樣的情況下，僅需解決系統(tǒng)本身存在的電流，便能 起到保護作用，整個過程比較簡單、方便。但在分布式光 伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)之后，應(yīng)具體情況具體分析，如果 出現(xiàn)故障的線路處于光伏并網(wǎng)點的下游，則除了電網(wǎng)之外 ，光伏電源也會輸送短路電流，這對于繼電保護裝置來說 ，其僅能檢測到系統(tǒng)中的短路電流，不能檢測到光伏電站 提供的短路電流，這就導(dǎo)致繼電保護裝置的靈敏度被降低 。第二，保護的準(zhǔn)確性受到明顯影響。電網(wǎng)出現(xiàn)故障的 時候，光伏電源會導(dǎo)致下游保護的短路電流大幅度上漲， 這就會降低線路保護的靈敏度，影響保護的準(zhǔn)確性，主要 表現(xiàn)為繼電保護裝置拒動或誤動。

（三）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入位置對配電網(wǎng) 繼電保護的影響

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入位置，可以分為三 種情況：第一種是在始端接入，這種情況下，光伏電源 的供電會導(dǎo)致短路點下游保護的故障電流大幅度增加，進 而使繼電保護裝置誤動;第二種是在中段接入，這種情況 下，受到光伏電源的影響，流過繼電保護裝置的短路電流 減少，容易使其拒動;第三種是在末端接入，這種情況下 不會給故障點上游造成影響，但是光伏電源的接入會使故 障點的下游容易出現(xiàn)孤島效應(yīng)。孤島效應(yīng)指的是，配電網(wǎng) 中含分布式光伏電源的情況下，在停電檢修或者是出現(xiàn)電 網(wǎng)側(cè)故障的時候，分布式光伏電源沒有及時斷開與電網(wǎng)的 連接，持續(xù)朝著周圍供電，形成一個自給的供電孤島。孤 島效應(yīng)會給電網(wǎng)造成嚴(yán)重的影響，主要體現(xiàn)在：第一， 孤島系統(tǒng)的頻率、電壓穩(wěn)定性較差，容易導(dǎo)致用戶端的設(shè) 備發(fā)生損壞;第二，會給人身安全造成一定的威脅，電網(wǎng) 停電的情況下，用戶和電網(wǎng)維護人員可能不清楚孤島系統(tǒng) 會繼續(xù)送電，如果誤觸，可能引起觸電事故;第三，孤島 系統(tǒng)重新接入電網(wǎng)的時候，可能出現(xiàn)非同步并網(wǎng)的現(xiàn)象， 給設(shè)備、電網(wǎng)造成電流沖擊。

（四）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)容量較大對配電網(wǎng) 繼電保護的影響

在國家的大力支持與推動下，現(xiàn)如今我國分布 式光伏發(fā)電項目的數(shù)量不斷增多、規(guī)模也在不斷擴大，這 就使得光伏并網(wǎng)容量呈現(xiàn)出持續(xù)性增加的態(tài)勢。對經(jīng)過繼 電保護裝置的短路電流的實際情況進行調(diào)查，由于分流作 用，上游短路電流減小，保護距離會縮短;下游短路電流 加大，這就使得繼電保護裝置容易發(fā)生誤動。

（五）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)對自動重合閘的影響

光伏并網(wǎng)后，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此 也會給自動重合閘帶來一定的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個 方面：第一，非同期重合閘。瞬時性故障發(fā)生后，重合閘 前加速保護動作，便可以將故障切除。但是，若是分布式 光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有解列，則系統(tǒng)側(cè)重合的時候，光伏電源 、系統(tǒng)之間會出現(xiàn)一定的相位差，從而產(chǎn)生沖擊電流，導(dǎo) 致繼電保護誤動作。光伏電源、系統(tǒng)甚至?xí)喾矗a(chǎn)生非 常大的沖擊電流，嚴(yán)重?fù)p壞電力系統(tǒng)。第二，重合閘誤動 作。配電網(wǎng)采用三段式電流保護的情況下，由于保護無法 判斷故障電流方向，因此在相鄰線路出現(xiàn)故障的時候，反 向電流過大會導(dǎo)致重合閘誤動作，如果出現(xiàn)的故障是永久 性故障，則會造成重合失敗，導(dǎo)致正常線路供電中斷。

（一）基于方向元件的解決方案

集團公司配電網(wǎng)采用了三段式電流保護，無須 設(shè)置方向元件便能實現(xiàn)對線路全長的有效保護，但在分布 式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后，系統(tǒng)潮流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的改變 。因此，可以采取設(shè)置功率方向元件的方法，對故障方 向進行判別，以解決配電保護不正確動作的問題。但對實 際情況進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于受到逆變器的干擾，光伏電源 側(cè)、電網(wǎng)側(cè)的保護安裝點，電流與電壓相位差存在著顯著 的差異，這樣的狀況下若是依然使用傳統(tǒng)方向元件，便 容易出現(xiàn)誤判的問題。面對這樣的問題，可對保護方向元 件動作判據(jù)進行改進與優(yōu)化，以預(yù)防誤判問題的發(fā)生，保 障配電保護的有效性。針對選擇非低電壓穿越控制的光 伏系統(tǒng)，光伏側(cè)保護方向元件的動作判據(jù)是：正序電流 與保護安裝點電壓和的向量夾角（a）為-80°（含-80° ）至105°（含105°），電網(wǎng)側(cè)保護方向元件的動作 判據(jù)為：a為-75°（含-75°）至100°（含100°） ;針對選擇低電壓穿越控制的光伏系統(tǒng)，光伏側(cè)保護方 向元件的動作判據(jù)是：a為-10°（含-10°）至105° （含105°）;電網(wǎng)側(cè)保護方向元件的動作判據(jù)為：a為 -75°（含-75°）至170°（含170°）。按照整定 原則，方向元件能夠?qū)收戏较蜻M行有效識別，從而 可以確保配電保護的正確動作。

（二）基于通信原理的電流保護改進方案

對集團公司配電網(wǎng)實際情況進行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng) 濟性較好的一種方法是對配電網(wǎng)保護進行優(yōu)化改進?；?通信原理的電流保護改進方案，引入對端互發(fā)信號在縱聯(lián) 保護中的作用，借助電氣量的方向性對故障進行合理評估 ，依靠單側(cè)通信設(shè)備的傳輸，實現(xiàn)對故障線路的有效排除 。在實際應(yīng)用這一方案的時候，需要將通信設(shè)備安裝在 線路兩端，但無需安裝互感器。

（三）基于光伏電源的自適應(yīng)電流保護改進方 案

該方案指的是，借助功率方向元件，初步概括 性地識別故障方向，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮短路電流的負(fù) 序、零序分量，判斷是哪種類型的故障問題，并以此為根 據(jù)，選擇整定值，對保護的電流電壓與相應(yīng)整定值等數(shù)據(jù) 信息進行全面分析，決定是否動作。在基于光伏電源的自 適應(yīng)電流保護改進方案中，根據(jù)光伏電源的位置不同、容 量不同，整定值可實時改變，解決了由于光伏電源接入 配電網(wǎng)而導(dǎo)致的繼電保護拒動、誤動問題。但是，這一方 案的經(jīng)濟性較低，對配網(wǎng)自動化水平有著較高的要求。

（四）防孤島措施

科學(xué)技術(shù)不斷進步的背景下，光伏發(fā)電技術(shù)也 在不斷改進、優(yōu)化，越來越多的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入 電網(wǎng)，由此帶來的孤島問題也愈發(fā)明顯。為解決孤島問題 ，可采取微電網(wǎng)系統(tǒng)，這種電力系統(tǒng)是由保護裝置、控制 裝置、儲能、負(fù)荷以及分布式電源組成，其可根據(jù)當(dāng)?shù)刎?fù) 荷、光伏并網(wǎng)容量確定計劃性孤島區(qū)域，如果發(fā)生電網(wǎng)停 電的情況，則可按照預(yù)定控制策略，有計劃地進行孤島運 行，同時可以采取技術(shù)手段，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠向周圍 負(fù)荷進行穩(wěn)定供電，并能確保電能質(zhì)量。

綜上，繼電保護問題是分布式光伏發(fā)電項目發(fā) 展過程中的一個制約因素，應(yīng)在明確分布式光伏發(fā)電系統(tǒng) 接入對配網(wǎng)繼電保護影響的前提下，采取科學(xué)、有效的解 決對策，以確保繼電保護的可靠性。