光伏并网系统逆功率保护探讨分析

陈净

摘要：随着光伏并网系统的日益增多，电网中的孤岛效应随时都可能发生，本文通过负荷和潮流分析，探讨了逆功率保护在光伏并网系统的作用。

关键词：光伏并网系统潮流分析逆功率保护

中图分类号：[C94]文献标识码：A 文章编号：

前言

太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的广泛关注，特别是传统能源日益减少，能源价格持续上涨的情况下，利用太阳能发电已成为世界各国的共识，我国地大物博，太阳能资源丰富，近年来，我国太阳能光伏产业发展十分迅速，光伏电池年产量已位居世界第一，且年增长率达到100%～300%。2008年以前,国内光伏发电主要用于离网项目，市场规模很小。2009年，我国启动“光电建筑”、“金太阳示范工程”和敦煌大型荒漠光伏电站招标等多个项目，市场得到飞速发展。截止到2011年底，全国光伏累计装机容量为3.6GW。

目前国际上并网发电占到总光伏市场的90%，而在并网光伏市场中，与建筑结合的用户侧并网发电系统占90%以上，德国在输电侧大型并网发电仅占10%，美国仅占6%。德国和日本的“10万屋顶计划”及美国的“百万屋顶计划”主要都是在低压用户侧并网的分布式光伏发电系统。我国已建成的大型光伏并网发电系统，采用发电侧并网方式，光伏系统与电网能相互交换电量。而小型的光伏系统则采用低压用户侧并网方式，即并网而不上网，光伏发电和电网供电同时使用。为了防止光伏电力通过电力变压器向高压电网（10kV）反送电和孤岛效应的发生，一种比较可靠的方式安装防逆流装置，依靠逆功率保护实现不上网。

并网太阳能发电系统由光伏组件（方阵）、光伏并网逆变器、监控系统、防逆流装置等组成。光伏组件（方阵）将太阳能转化为直流电能，通过并网逆变器将直流电能转化为与电网同频同相的交流电能馈入电网。光伏并网按并网点一般分为用户侧并网和发电侧并网，用户侧并网是指光伏发电与大电网在用户处（此用户也就是光伏发电业主）合并或者补偿，光伏发的电只供给自己使用，而不向电网输送。发电侧并网和传统的火力和水力并网发电一样，是指光伏发的电全部输送到大电网，供电网调配输送给用户，而此时的光伏发电业主还是一样要从大电网获得电力。低压用户侧并网方式适合小型光伏发电系统，在光伏发的电力仅供并网用户消纳，即使有多余的电力也供给电网。

目前国内很多城市商业大厦、写字楼安装了小型的光伏发电系统，为了节省成本以及考虑到光伏电力能完全被用户消纳，多数光伏发电业主选择使用低压用户侧并网，但是根据现有的国家标准GB/T 19939-2005《光伏系统并网技术要求》，当光伏系统并入的电网失压时，必须在规定的时限内将该光伏系统与电网断开，防止出现孤岛效应。因此该标准中还要求：当光伏电站设计为不可逆并网方式时，应配置逆向功率保护设备。当检测到逆向电流超过额定输出的5%时，光伏电站应在0.5～2秒内停止向电网线路送电。国内大多数小型光伏并网系统并未设置逆向功率保护，对电网和人身具有一定的安全隐患，以下是对广州市某大厦光伏并网系统进行负荷测试和潮流分析，以及采用逆向功率保护的分析。

广州某大厦屋面太阳能光伏并网系统安装功率为60.75kWp，年均发电量约为4.23万度。在白天用电高峰期，大厦一部分用电是太阳能电站发出的电，另一部分使用的是电网里的市电；到了晚上用电低谷期，太阳能电站自动停止发电，大厦用电全部依靠外部市电电网。

1系统简介

系统采用810块WS11007/75W铜铟硒薄膜光伏电池组件，单块电池板峰值功率为75Wp。810块光伏组件分为五个区域，每个区域由三个光伏子方阵组成。每个子方阵共54块电池板采用9串6并阵列组合，通过一台直流防雷汇线箱接入一台单相并网逆变器中。每5台单相并网逆变器并联构成一相交流电，整个系统810块电池组件通过15台直流汇线箱接入15台单相并网逆变器转换成交流电，并经交流并网配电柜构成三相交流电然后并入3相4线电网。

大厦光伏发电系统采用用户端低压侧并网不上网方式运行，选用15台SB3800型单相并网逆变器。SB3800型并网逆变器输出电压为交流220V，每5台SB3800交流输出并联构成一相交流电，15台SB3800型并网逆变器交流输出经交流并网配电柜可构成380V三相交流电。根据大厦光伏系统的容量、位置和大厦配网情况，确定其接入系统方案如下：

以0.4kV电压等级出线1回，接入大厦#7配变的0.4kV备用馈线（7P7号配电柜的E31备用回路）上，电缆长度约100m。

2 配电系统现状及负荷情况

2.1大厦配电系统现状

目前，大厦主要由110kV金贸变电站（3×63MVA）的10kV馈线F14、220kV潭村变电站（3×180MVA）的10kV馈线F22供电，另由110kV花穗变电站（2×63MVA）的10kV馈线F25 备供。大厦现有10个专变房，共10台配电变压器，其中#1、#3、#5、#7、#9配变由金贸馈线F14供电，#2、#4、#6、#8、#10配变由潭村馈线F22供电。

2.2#7配变负荷情况

大厦#7配变主要为地下室、会展区、车库、活动区和泳池的通风系统、照明系统、消防系统及电梯供电。现对#7配变0.4kV馈线白天、夜晚的最大负荷和最小负荷进行电力平衡，结果见表1。

表1#7配变0.4kV馈线电力平衡结果表 单位：kW

由电力平衡结果可知，工作日和非工作日白天负荷都远大于光伏发电系统能发出的电力，因此光伏发电系统发出的电力能够完全被#7配电0.4kV母线所带负荷消纳，没有剩余电力流向上一级电网（#7配变10kV母线）。

3大厦光伏发电系统运行情况及潮流分析

3.1 运行情况

大厦光伏发电系统经过6个月并网运行以来，光伏发电系统各项数据符合设计预期。根据对光伏系统接入的#7变压器负载情况分析，全天，7#变压器最低负载大约为70kW。图1、图2是#7变压器一年中某天的实际负荷分布情况，其中图2是光伏发电系统接入后实测的负荷分布。从图中，可以得出：

⑴晚上10点钟到第二天早上6点钟，是#7变压器负荷最低的时间段，此时，光伏发电系统不工作，不会发生逆流现象；

⑵光伏发电系统发电时间段为6:00～18:00，光伏系统设计功率60.75kWp，发电功率略低于60.75kW，而一年中7#变压器在6:00～18:00时间段中最低负载约为93kW（见图1），仍远大于光伏发电系统的发电功率，不会出现向变压器逆向送功率的情况。

图12011-01-097#变压器负荷分布

图22011-08-077#变压器负荷分布

3.2 潮流分析

与光伏发电系统公共接入点相连的#7配变容量为1600kVA，由实际运行负荷分布资料可知，光伏发电系统发电情况下，7#配变0.4kV母线最小用电负荷为93kW，远大于该光伏发电系统容量60.75kW，光伏发电系统发出电力完全可由#7配变0.4kV母线所带负荷消纳，无剩余电力流向10kV公共电网，不会发生逆流。到了夜晚用电低谷期，光伏发电系统自动停止发电，不产生电力。

但考虑到特殊情况下（如通风系统、照明系统、空调系统等检修、更新换代、异常断开等），#7配变所带负荷骤降至60.75kW以下时，光伏发电系统所发出的电能经负荷消纳后的部分会逆流至#7配电高压侧母线上，但这部分电能仍然可以由此段母线上其余四台配变（#1、#3、#5、#9配变）所带负荷消纳掉，不会发生逆流至上一级10kV馈线（110kV金贸变电站的10kV馈线F14）的情况。

而且，在大厦光伏项目中，光伏并网系统通过防逆流箱并网，进一步增加了向电网倒送电的逆向功率保护功能。

4 防逆流保护装置

防逆流箱内部由高精度电压、电流检测以及输出继电器等组成，通过配合外置电流互感器以及内置的电压、电流检测回路分别取样测量#7配变低压侧母线电流和电压，并将实时取样的电压、电流量送到单片机中进行计算和比较，判断系统是否进入逆功率逆流状态。

当系统产生逆功率反方向电流时，防逆流箱内部保护面板上的红色逆功率逆流指示灯点亮，提示用户发电系统此时已经进入逆流状态，并同时经过继电器内部一个可调的输出定时回路延时，当延时到达预先设定值时，保护面板黄色输出指示灯点亮，并通过继电器控制交流接触器断开，使得光伏发电系统与市电断开连接。当光伏逆变器内部防孤岛效应保护装置检测到光伏系统与市电连接断开后，也会随即动作，停止逆变器运行，光伏发电系统进入不发电状态。

在逆向电流停止后，防逆流箱将通过延时继电器延时一段时间后自动控制交流接触器合闸，使得光伏发电系统与市电重新连接。当光伏逆变器内部防孤岛效应保护装置检测到光伏系统与市电重新连接后，也会随即动作，启动逆变器运行，光伏发电系统进入发电状态。

5结束语：

随着光伏发电的越来越普及，更多的小型光伏发电用户选择低压用户侧并网光伏系统，在确保光伏电力能完全被用户消纳时进一步采用逆向功率保护功能进一步保证光伏电力不向电网输送，防止了孤岛效应的出现。对电网、人身安全起到了更好的保护作用。

作者简介：主要从事电力系统调试、节能技术开发和新能源的利用研究工作

参考资料：

［1］GB/T 19939-2005《光伏系统并网技术要求》；

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［4］崔容强等.并网型太阳能光伏发电系统[M].化学工业出版.2007:31-40；

［5］余涛.光伏并网发电的研究进展 [J].上海电力学院报.2010(02)39-55；

［6］曹仁聚.《光伏发电系统低压侧并网技术及方案》

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。