光伏小电源并网孤岛效应对电网的影响

光伏小电源并网孤岛效应对电网的影响

何鑫龄,胡仁祥,朱荣伍 史瑞静 李长军 秦锋蕴

国网新疆电力有限公司吐鲁番供电公司 新疆 吐鲁番 838000

摘 要：在简述了光伏并网系统中孤岛效应的定义与危害及其发生机理条件的基础上，本文介绍针对光伏并网造成系统防孤岛保护装置误检测进而导致保护拒动问题，以吐鲁番电网光伏小电源接入单侧电源的110 kV终端变电站—伊兰布拉克变电站为例，通过分析防孤岛保护与自动保护装置动作配合逻辑，在现有系统基础上对保护动作配合进行优化等解决方案，确保变电站安全自动装置可靠动作，防止孤岛运行现象发生，提升系统供电可靠性。

关键词： 孤岛效应；危害；防孤岛保护；安全自动装置

前言

在追求低碳社会的今天，太阳能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。近年来，由于国家对分布式清洁能源的大力支持，大量分布式小电源（特别是风力发电厂和光伏电厂）并入电网。分布式新能源电厂具有出力小、谐波大等特点，大部分分布式小电源点并入就近变电站向系统输送电能量，形成含分布式新能源在内的以火力、水力发电为主的多种能源发电的多侧电源点供电模式，如果光伏发电系统非计划性与电网系统断开，逆变器仍通过逆变向所带负载进行电能传输，就会形成独立于大电网的小规模孤岛电网现象。在孤岛运行情况下，光伏系统无法维持稳定电压、频率，当系统负荷改变时，电网系统电压随负荷情况波动，重合闸产生巨大冲击电流，给电网、设备及人身安全带来威胁，在光伏并网过程中，孤岛效应问题已成为影响电能质量、稳定、安全的关键。

1. 并网光伏发电系统的孤岛效应

1.1孤岛效应

当电网正常工作时，电网与光伏发电系统一同给变电站供电，但是当电网线路因检修或者故障而停电时，系统处于光伏发电系统单独给变电站供电的情况，此时系统失去了电网的控制，处于失控状态，这种光伏发电系统单独给变电站供电的情况叫做孤岛效应。

图1

在光伏并网发电系统中，光伏发电系统可等效为电流源，电网可以等效为电压源，电网正常工作时，系统受到电网的钳制作用，光伏发电系统总与电网保持一致。一旦发生孤岛效应，系统不再受电网的控制，处于失控状态的光伏发电系统将会带来很多危害。孤岛是光伏并网发电系统中不可避免的现象，它的危害很大，严重时还可能会危及人身安全，所以我们必须重视孤岛效应带来的危害，并采取相应的防孤岛措施。

1.2孤岛效应的危害

反孤岛功能是光伏发电系统必须具备的重要功能之一，孤岛效应的发生带来很多危害，使得孤岛效应不得不引起人们的重视，在光伏发电系统的运行过程中，一旦发生孤岛，可能导致的危害有:

(1)孤岛发生后，电网停止工作，系统不再受电网控制，系统的参数会随着逆变器与负载的功率匹配程度不同而产生不同程度的波动，波动大时很可能损坏电力设备。

(2)电网停电后，电力维修人员进行检修时，很有可能发生触电事故，同样，用户的人身安全也无法保障。

(3)孤岛后，负载的运行依靠逆变器单独供应，若逆变器的容量小而负载容量大时，逆变器很有可能因过载而烧毁，造成财产损失。

(4)电网恢复供电后，光伏发电系统重新并网，很有可能会发生光伏发电系统与电网相位不同步的现象。

(5)孤岛效应可能导致接地、相间短路等故障不能及时清除，从而导致电网设备的损害， 干扰电网正常供电系统的自动或手动恢复。

(6)当孤岛系统与市电电网恢复正常时，一方面，断路器等装置会因为光伏并网发电系统与电网发生不同步而损坏，另一方面，在并网恢复瞬间，因电压相位不同产生很强的冲击电流，损坏相关设备。

由上可知，当电网电气故障或者供电中断时，孤岛效应将会对整个电力系统中的各级用户和设备造成损害。所以，在光伏并网系统中必须装设具有反孤岛保护功能的装置，目的是实时检测孤岛效应并及时将光伏并网发电系统与电网进行切断。

2.防孤岛保护

防孤岛保护的作用是防止非计划性孤岛现象的发生。为了避免并网系统因外部原因或自然原因造成光伏电源系统孤岛运行，需要在光伏逆变器侧加装检测电压、频率变化并动作于跳闸的保护，该保护即为防孤岛保护。根据GB/T 19939—2005 《光伏系统并网技术要求》规定，分布式新能源光伏电站必须具备快速检测孤岛且能立即切断与电网连接的能力，防孤岛保护应与电网侧线路保护相配合。光伏电站防孤岛保护必须同时具备主动检测与被动检测两种保护方式，应至少各设置一种主动式或被动式的防孤岛保护方式。其中，主动检测方法包括有功或无功功率变化检测法及频率偏移检测法等；被动检测方法包括电压及频率越限检测法和电压谐波检测法等。

3.实例分析

110 kV伊兰布拉克变电站位于吐鲁番市境内，配置1台50 MVA主变接带全站负荷，同时作为光伏变电站与余热电厂并网的接入点。作为终端变电站，伊兰布拉克变电站110 kV红兰线配置光纤差动保护，110 kV红兰线运行，带伊兰布拉克变电站全站负荷，110 kV系统并列运行，110 kV母联在合位，

110 kV无备自投装置。

图2

该运行方式下，当110 kV红兰线发生故障跳闸，同时由于光伏变电站与余热电厂同时从伊兰布拉克变电站并网，两电源点同时从一个变电站与系统相连，当伊兰布拉克变电站进线电源110 kV红兰线故障时，光伏变电站与余热电厂互为电压、频率支撑，电压、频率极有可能未达到发电厂侧防孤岛保护动作越限值，发电厂侧防孤岛保护不启动，造成小电源系统带伊兰布拉克变电站孤岛运行情况的发生。若110 kV红兰线发生永久性故障，线路失压，重合闸若不进行电压检测动作，重合于永久故障点而重合不成功，则将孤岛运行系统重合于故障点，由于孤岛运行的未知性，可能对电力系统以及孤岛设备造成巨大冲击、损害。

综上分析，将防孤岛保护动作时限设为0.2 s以内，可以避开重合闸动作时限，变电站失压后0.2s切除全部并网小电源，防止孤岛现象的发生，保证重合闸可靠动作，降低防孤岛保护误动的可能性。此外，根据Q/GDW 617—2011《光伏电站接入电网技术规定》光伏系统并网时间应在20~300 s，待并网变电站系统电压、频率稳定后，光伏小电源系统恢复并网，继续向电网系统输送电能。

4.结束语

本文以典型光伏并网变电站为例，分析了光伏小电源系统接入并网变电站时，有可能形成孤岛运行对变电站自动重合装置检测无电压系统造成的影响，通过对防孤岛保护以及重合闸装置动作时限进行逻辑分析，在不改变原有装置和回路等情况下，提出解决方案，可以消除因分布式新能源光伏小电源并网带来的不利影响。

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