引言

孤島是指在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,整個電力網(wǎng)絡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)并沒有檢測出對應的故障問題,進而沒有及時將光伏發(fā)電系統(tǒng)與電力網(wǎng)絡斷開,形成了一個以分布式發(fā)電系統(tǒng)以及其他負載組件共同形成的發(fā)電孤島。

孤島效應的危害:(1)形成發(fā)電孤島會給系統(tǒng)內的電壓和頻率造成非常直接的影響,甚至會對相應的裝置設備造成損害:(2)當故障解除之后,光伏發(fā)電系統(tǒng)在重新接入電力網(wǎng)絡時有可能會出現(xiàn)電壓不同步,繼而出現(xiàn)電流突變的情況,導致電力設備和其他器件受到損害:(3)斷電之后的孤島效應會造成接地故障無法徹底清除,給電力系統(tǒng)造成影響:(4)孤島效應很容易給工作人員帶來認知偏差,認為是電力網(wǎng)絡斷電,進而做出錯誤判斷,給工作人員的人身安全帶來威脅。為了避免孤島效應給設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能力,進而確保設備完好、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,應配置獨立的防孤島保護裝置,動作時間不應大于2s。防孤島保護還應與電網(wǎng)側線路保護相配合。

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)點開關,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行,對電站造成沖擊。

當故障發(fā)生時必須快速準確地切除并網(wǎng)開關。變電站中有比較齊全的微機保護裝置,當故障發(fā)生時,對應的微機保護就會及時準確地動作。孤島保護裝置有時候在電站中作為一個后備保護存在。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?shù)匾?一般會有防孤島保護裝置、同期裝置、電能質量監(jiān)測裝置等。

光伏發(fā)電防孤島裝置的保護配置功能如下:(1)低頻保護:頻率在35~65Hz之間,且在低頻值以上時,低頻保護才能啟動,低頻保護動作200ms后立即返回。(2)過頻保護:當頻率高于定值時,保護啟動。(3)低壓保護:當電壓低于定值時動作。(4)過壓保護:當電壓高于定值時動作。(5)聯(lián)跳:支持變電站側聯(lián)跳,即當收到變電站側聯(lián)跳命令時延時開關跳閘,切本站的并網(wǎng)開關。(6)頻率突變:當頻率波動值超過所設定值時,保護動作。

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。當系統(tǒng)正常運行時,送出線路上的功率因數(shù)通常在0.85以上,對應功角小于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。裝置實時監(jiān)測送出線路的功率因數(shù),當發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)偏離正常值達到設定的門檻時,之后線路無電流,則可判定為發(fā)生孤島效應。

結合現(xiàn)有的新能源場站的接線方法,對其進行模擬實驗,結果表明,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)點主動注入電壓或頻率擾動信號的專用安全保障設備,消除逆變器設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電力操作人員設計的一種用于破壞分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的非計劃孤島運行的設備,由操作開關、阻性擾動負載及相關控制保護單元組成。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,如配電變壓器低壓側母線、低壓環(huán)網(wǎng)柜等處,在電力人員檢修與分布式光伏發(fā)電相關的線路或設備時使用。

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

操作開關:延時保護,低壓反孤島裝置應具備延時保護功能。當?shù)蛪悍垂聧u裝置誤投入時,應該立即跳開斷路器,而反孤島功能失效時,應通過延時設備跳開斷路器,保證擾動電阻不被損壞。延時保護參數(shù)可整定,延時保護動作時間設定值為1s,過載保護動作時間設置值應充分考慮擾動電阻特性,延時保護偏差不超過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應與所安裝處的上級低壓斷路器配合,并設計互鎖功能,確保上級斷路器斷開后反孤島裝置方可投入使用,應采用機械或電氣的互鎖方式。

負載專用控制器:該控制器控制擾動電阻的投入,同時與上級開關進行電氣閉鎖,只有條件滿足時,才能閉合反孤島開關,投入擾動電阻。當條件不滿足時,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。當上級反孤島開關無任何可以用的閉鎖點,此時確認上級開關在分開的狀態(tài)下,才能手動閉合反孤島開關。

3結語

國家電網(wǎng)需要逐步完善小型發(fā)電規(guī)范,防孤島保護與反孤島保護裝置的使用率越來越高。為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運行,它們是必要的保護裝置。試驗結果表明,低壓反孤島裝置應優(yōu)先選用電阻型擾動負載。同時,由于低壓反孤島裝置具有向下覆蓋特性,能滿足實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,設計系列化的低壓反孤島裝置。