光伏电站接入配电网典型设计研究

白 熊，王骏海，高振宇，周昱甬

（1.华北电力大学，北京 102206；2.杭州市电力局，杭州 310009）

近年来，浙江省政府出台了加快光伏电源等可再生能源推广应用的若干意见，规划浙江省未来三年要实现六个一百和一个示范工程，大批以光伏电源为主的可再生能源项目申请已获批准。以积极的姿态应对大量可再生能源接入系统，并充分考虑由此带来的影响已成为电力公司所面临的重要课题。

1 典型设计的目的和意义

目前，光伏发电及并网还缺乏相应的管理规定，技术标准不完善，国家政策和激励措施也未考虑对电网企业综合经济效益的补偿，因此对光伏发电产业和电网企业的健康有序发展产生了一定的不利影响。同时，光伏电源出力的间歇性、周期性和随机性，加上逆变器并网、孤岛效应等因素，也会影响电网电能质量、电量计量计费、供电可靠性。随着大容量并网光伏电站和分布式光伏建筑一体化电源的大规模接入电网，给电网的规划、运行控制和管理带来了一系列挑战。

为应对大规模光伏电源接入给电力系统带来的冲击，保障光伏电源接入后的电网能安全稳定运行并可靠地向电力用户提供优质电力，浙江省电力公司承担了国家电网公司关于分布式光伏电源接入配电网的规划设计和运行控制技术研究课题，浙江省电力试验研究院和杭州市电力局分别承担了其中的规划设计和运行控制研究工作。杭州市电力局就配电网网架模型的建立、光伏电源并网后负荷预测与电力电量平衡方法、分布式光伏电源并网对配电网可靠性的影响、光伏电站与调度系统、配电网自动化系统的信息交互技术、光伏发电电能计量计费技术等进行了深入研究。

目前该研究项目已取得阶段性成果，编制了《光伏电站接入系统典型设计方案》，并于2009年12月22日通过由国家电网公司专家和高校教授组成的评审组的审核。

2 典型设计研究的主要内容

并网光伏系统多以分布式电源形式接入配电网。研究光伏电源并网对配电网的影响主要从以下两方面考虑：一方面，光伏电源属于间歇式电源，具有显著的不连续性和受天气影响的群发性；另一方面，由于分布式光伏电源的接入，配电网由传统的单端辐射型网络发展成为复杂的多端系统。因此，通过对光伏电源准入容量和接入位置、光伏电源配电系统可靠性评估、光伏电源引起的备用需求等重点课题的研究，形成通用、全面、典型接入系统设计方案，以指导今后光伏电源的接入系统设计。

2.1 光伏电源准入原则和并网电压等级

目前的配电网接线模式主要有电缆网络的双电源双Π接线、双电源单Π接线及架空线路多分段多联络网。综合考虑光伏电源并网后的区域配电网可靠性、电压质量、电压稳定以及谐波注入量等方面的要求，通过合理控制接入电源的电压等级和安装容量，有效降低光伏电源对区域配电网的冲击。经多次仿真计算，初步确定光伏电站接入公用电网的总安装容量应控制在上级变电站最小单台变压器额定容量的15%以内；光伏电站T接入10 kV公用线路，其总安装容量应控制在该线路最大输送容量的15%以内。

2.2 并网点与公共连接点的技术要求

依据电力部门调度管理、保护整定、计量等需求，光伏电源的并网点应设置易于操作、可闭锁且具有明显断开点的并网总断路器，以确保电力设施检修维护人员的人身安全。光伏电站与电网之间的连接点即并网点，也称为公共连接点，只能有唯一一个，作为解并列点。原则上公共连接点就是电能质量考核点。

当光伏电站采用400 V并网且只有单台逆变器时，逆变器出口处作为并网点，并装设并网断路器；当光伏电站采用400 V并网且有多台逆变器时，逆变器通过400 V交流母线汇接，汇接点作为并网点，然后在并网点装设并网断路器。光伏电站采用高压并网时，光伏电站升压变高压侧作为并网点，如果有多台升压变压器，变压器高压侧可并列运行，高压母线作为并网点设置并网断路器。

2.3 保护及安全自动装置

目前，国内投产的光伏电源数量较少，相关运行经验还不成熟。特别是光伏电源受光照、温度等天气、气候因素的影响较大，对其性能变化情况不够了解。传统辐射状配电网的潮流是从电源到用户单向流动的，且配电网大多数故障具有瞬时性，所以传统配电网的保护设计通常是在变电站安装反向过流继电器，主馈线装设自动重合闸装置，支路装设熔断器。接入分布式电源后，必须在系统侧和光伏电站侧配置一定的保护装置，使配电网能保持保护装置原有的协调性，避免原有保护设备误动。

2.3.1 系统侧保护

公用电网接入光伏电站后，电网保护应保持可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。光伏电站接入公用电网的供电线路（专线），电网侧应配置一套线路保护。35 kV并网线路一般配置距离保护，系统有稳定要求或短线路整定配合困难时，应装设光纤电流差动保护。10 kV并网线路一般配置方向过流保护（方向元件可投退），如有电网稳定要求，需配置全线速动保护。

光伏电站采用T接方式接入公用电网10 kV或35 kV纯架空线路或电缆、架空混合线路时，电网侧线路保护应具备重合闸功能，重合闸应具备检测线路无压功能。

2.3.2 并网断路器保护

一般情况下，并网总断路器配置速断、过流保护，如距离及过流保护、带方向的过流保护以及光纤差动保护。同时，光伏电站必须具备快速监测孤岛且立即断开与电网连接的能力。对于非计划孤岛，应能保证从孤岛发生到并网断路器跳开（光伏电站与电网断开）的时间不大于2 s。并网断路器一般应具有低周、低压及高周、高压解列功能。

由于光伏电站的接入，系统变电站主变应设置间隙零序电流保护和零序电压保护。当并网光伏电站接入企业（用户）内部电网，且设计为不可逆并网方式时，应配置逆功率保护。

2.4 通信与监测

并网光伏电站应安装能够自动采集、记录、远程传输光伏电站各类电气参数和气象环境参数的采集装置。光伏电站向电网提供的监测信息至少应包括以下内容：

（1）光伏电站并网状态信息、太阳板倾斜面辐照度。

（2）光伏电站并网点有功功率、无功功率；有功电量、无功电量；功率因数。

（3）并网点的电压、电流。

（4）变压器分接头档位、断路器和隔离闸刀位置信息等。

采用10 kV或35 kV线路并网的光伏电站能接受的电网远方调度控制指令应包括：有功功率、有功功率最大变化率、电压无功调节方式、参考电压、光伏电站停机指令等。

数据通信系统应能满足继电保护、安全自动装置、调度自动化及电能信息和有关状态信息的传输要求。

光伏电站可考虑接入电力系统SCADA系统或负控终端。采用10 kV或35 kV线路并网的光伏电站，其通信通道应采用光缆通信方式接入电力调度通信网，并具有双光缆路由，光缆线路结合并网线路建设；采用400 V线路并网的光伏电站，其通信通道可选用专用通道、以太网络以及GPRS等。

2.5 电能计量

计量关口设置原则为资产分界点。关口表应采用双向计量装置，具体设置在双方协议中进一步明确。光伏电站采用专线接入公用电网时，计量点设在产权分界点；光伏电站采用T接方式接入公用线路时，计量点设在光伏电站进线侧；光伏电站接入企业（用户）内部电网的，计量点设在并网点。

计量装置至少应具备双向有功和四象限无功计量功能、事件记录功能，配有标准通信接口，具备本地通信和通过电能信息采集终端远程通信的功能。电能计量装置的配置和技术要求应符合DL/T 448《电能计量装置技术管理规程》和DL/T 5202《电能量计量系统设计技术规程》，以及相关标准、规程要求。

3 光伏电源接入系统典型设计方案及应用

对典型设计方案的研究，是以配电网网架结构和历史数据为基础，围绕光伏电源的出力特性进行深入分析，并对光伏电源在不同电压等级、不同接线方式下，就光伏电源的接入位置、设备选型、保护自动化配置方案、通信及计量计费方式进行研究，形成光伏电源通过35 kV专线、10 kV专线、10 kV T接线及400 V线路并网等8种接入电网典型设计方案。研究成果为大量光伏发电接入系统做好理论和实践准备。接入方案详见表1。

通过编制《分布式光伏电源接入系统典型设计》，使接入系统典型化、规范化，为光伏电源有序、可控接入提供指导意见。

参照典型设计，目前已完成多个光伏电站接入系统设计，其中杭州能源与环境产业园6 000 kWp光伏发电站并网项目已于2009年10月并网投运。该项目根据典型设计的技术标准和管理要求，通过收集光伏电站的安装容量、逆变器参数和配电升压站的设备参数，详细论证了接入系统方案、保护配置方案和监控监测方案，最终确定通过1回10 kV专线接入110 kV渔桥变，在系统和光伏电源侧配置带方向的过流等相关保护，在并网断路器侧配置解列装置，确定了通过2回光缆线路接入余杭SDH环网的通信方案。

该工程成功并网运行后，年平均发电量达200万kWh，与相同发电量的火电厂相比，每年可节约用煤700 t，减少排放二氧化碳1 000 t、二氧化硫近 10 t、氮氧化合物 6.2 t、烟尘2.9 t，此外还可节约大量的水资源。

在接入系统的设计过程中，严格遵循了典型设计方案，确保了杭州第一个用户光伏示范项目安全可靠并网，为光伏电源的有序、可控接入积累了真实可信的实践经验。

4 结语

随着接入电网的光伏电源规模的日益扩大，光伏电源将在未来电力系统中发挥重要作用，同时也会给电力系统规划、运行、管理带来许多挑战。光伏并网发电只有在满足一定的技术约束条件下，对接入系统容量和位置进行合理规划和设计，才能在发挥光伏发电优势的同时，保障电力系统的安全可靠运行。通过对光伏系统分类和并网电压等级、准入功率及并网点与公共连接点的要求、配电设备选择的要求、保护及安全自动装置、通信与监测以及电能计量等方面的研究，旨在探索光伏发电接入配电网的规划设计技术导则，形成光伏发电接入电网典型设计方案，为大量光伏发电的接入做好理论和实践准备。

表1 光伏系统分类及对应的典型设计方案

[1]桑妲.小型光伏发电系统并网对电网的影响[J].上海电力，2008（2）∶132-134.

[2]国家电网公司业扩供电方案编制导则（试行），国家电网营销（2007）655 号文件.

[3]国家电网公司光伏电站接入电网技术规定，国家电网发展（2009）747 号文件.