微电网防孤岛保护与反孤岛保护研究

引言

孤岛是指在光伏发电系统中,整个电力网络由于故障原因或是停电而出现跳闸断电的情况。而此时各个分布式发电系统并没有检测出对应的故障问题,进而没有及时将光伏发电系统与电力网络断开,形成了一个以分布式发电系统以及其他负载组件共同形成的发电孤岛。

孤岛效应的危害:(1)形成发电孤岛会给系统内的电压和频率造成非常直接的影响,甚至会对相应的装置设备造成损害:(2)当故障解除之后,光伏发电系统在重新接入电力网络时有可能会出现电压不同步,继而出现电流突变的情况,导致电力设备和其他器件受到损害:(3)断电之后的孤岛效应会造成接地故障无法彻底清除,给电力系统造成影响:(4)孤岛效应很容易给工作人员带来认知偏差,认为是电力网络断电,进而做出错误判断,给工作人员的人身安全带来威胁。为了避免孤岛效应给设备和工作人员造成危害,就必须要在出现此类情况时具备一定的防御保护能力,进而确保设备完好、人员安全。

通过35kV及以上电压等级并网,以及通过10kV电压等级与公共电网连接的光伏电站,应配置独立的防孤岛保护装置,动作时间不应大于2s。防孤岛保护还应与电网侧线路保护相配合。

1光伏发电防孤岛装置的作用及工作原理

光伏发电防孤岛装置在变电站中的主要作用就是产生故障时断开并网点开关,避免线路上有人员施工检修造成不必要的人员伤亡,避免电网故障而引起光伏电站的不正常运行,对电站造成冲击。

当故障发生时必须快速准确地切除并网开关。变电站中有比较齐全的微机保护装置,当故障发生时,对应的微机保护就会及时准确地动作。孤岛保护装置有时候在电站中作为一个后备保护存在。而对于分布式光伏电站来讲,由于安装容量比较小,而且低压并网,因此一般没有建变电所。正是由于这个原因,为了保证电网的安全,根据当地要求,一般会有防孤岛保护装置、同期装置、电能质量监测装置等。

光伏发电防孤岛装置的保护配置功能如下:(1)低频保护:频率在35~65Hz之间,且在低频值以上时,低频保护才能启动,低频保护动作200ms后立即返回。(2)过频保护:当频率高于定值时,保护启动。(3)低压保护:当电压低于定值时动作。(4)过压保护:当电压高于定值时动作。(5)联跳:支持变电站侧联跳,即当收到变电站侧联跳命令时延时开关跳闸,切本站的并网开关。(6)频率突变:当频率波动值超过所设定值时,保护动作。

针对新能源场站送出线路发生三相短路故障跳闸而出现的孤岛,可采用基于功率因数的孤岛检测方法。当系统正常运行时,送出线路上的功率因数通常在0.85以上,对应功角小于329:在送出线路发生故障时,则场站端的测量阻抗角为线路阻抗角,通常大于609,对应功率因数低于0.5:线路跳开后,则送出线电流和功率为0。装置实时监测送出线路的功率因数,当发现功率因数偏离正常值达到设定的门槛时,之后线路无电流,则可判定为发生孤岛效应。

结合现有的新能源场站的接线方法,对其进行模拟实验,结果表明,出现35kV母线故障或新能源场站送出线路开断等情况的时候会造成小孤岛,使得防孤岛装置发生动作。

2反孤岛装置的组成及工作原理

反孤岛装置是指可向分布式电源并网点主动注入电压或频率扰动信号的专用安全保障设备,消除逆变器设备自身防孤岛检测失效带来的安全隐患。

低压反孤岛装置是专门为电力检修或相关电力操作人员设计的一种用于破坏分布式光伏发电系统的非计划孤岛运行的设备,由操作开关、阻性扰动负载及相关控制保护单元组成。装置一次、二次原理如图1、图2所示。低压反孤岛装置主要在220V/380V电网中使用,一般安装在分布式光伏发电系统送出线路电网侧,如配电变压器低压侧母线、低压环网柜等处,在电力人员检修与分布式光伏发电相关的线路或设备时使用。

扰动电阻是电阻的一类,要根据光伏的容量来选择扰动电阻,一般情况下规格有100kw、200kw、400kw。扰动电阻的选择也要根据规范来选择,主要选择参数是电阻值、额定电流、短时耐受电流、耐受时间等。

扰动负载阻值根据反孤岛装置投入后能够使分布式光伏发电孤岛运行系统的电压跌落至0.85Un及以下,阻值计算公式如下:

式中,Rs为扰动负载阻值:Uo为反孤岛装置投入前并网点母线电压:U为反孤岛装置投入后并网点母线电压:Pinv为光伏逆变器定额功率:Un为配网母线电压额定值,本标准适用值为380V。

操作开关:延时保护,低压反孤岛装置应具备延时保护功能。当低压反孤岛装置误投入时,应该立即跳开断路器,而反孤岛功能失效时,应通过延时设备跳开断路器,保证扰动电阻不被损坏。延时保护参数可整定,延时保护动作时间设定值为1s,过载保护动作时间设置值应充分考虑扰动电阻特性,延时保护偏差不超过100ms。

与上级低压断路器的互锁功能:低压反孤岛装置的操作开关应与所安装处的上级低压断路器配合,并设计互锁功能,确保上级断路器断开后反孤岛装置方可投入使用,应采用机械或电气的互锁方式。

负载专用控制器:该控制器控制扰动电阻的投入,同时与上级开关进行电气闭锁,只有条件满足时,才能闭合反孤岛开关,投入扰动电阻。当条件不满足时,不能投入,且不能自动投入反孤岛。因此,为了避免误投反孤岛,禁止手动投入。当上级反孤岛开关无任何可以用的闭锁点,此时确认上级开关在分开的状态下,才能手动闭合反孤岛开关。

3结语

国家电网需要逐步完善小型发电规范,防孤岛保护与反孤岛保护装置的使用率越来越高。为了保证电网的稳定安全运行,它们是必要的保护装置。试验结果表明,低压反孤岛装置应优先选用电阻型扰动负载。同时,由于低压反孤岛装置具有向下覆盖特性,能满足实际容量小于计算容量的分布式光伏发电,可以根据典型的分布式光伏容量,设计系列化的低压反孤岛装置。