談智能型低壓光伏發(fā)電并網(wǎng)開(kāi)關(guān)
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摘要：為解決分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的安全運(yùn)行，本研究基于被動(dòng)檢測(cè)方式、旁熱式設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)出一種具備靈活性、兼容性與自適應(yīng)性強(qiáng)的帶孤島保護(hù)的一體化、小體積、大電流的智能型低壓光伏并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，保障電網(wǎng)安全與檢修人員的生命安全，提高光伏發(fā)電效益，增加用戶收入。
關(guān)鍵詞：被動(dòng)檢測(cè)；旁熱式；一體化
引言
隨著分布式光伏發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，接入低壓配電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電出現(xiàn)“小容量、密布點(diǎn)、分散式”的特點(diǎn)，配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)增加了電網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)雜性引起孤島運(yùn)行。傳統(tǒng)的保護(hù)裝置控制回路復(fù)雜，操作繁瑣，易產(chǎn)生誤操作，電網(wǎng)運(yùn)行出現(xiàn)“不可見(jiàn)、不可控”的局面，對(duì)配電網(wǎng)安全運(yùn)行與檢修人員的生命安全產(chǎn)生極大影響。研究一種適用于分布式電源并網(wǎng)的一體化智能型低壓并網(wǎng)開(kāi)關(guān)。
1傳統(tǒng)防孤島保護(hù)特點(diǎn)
變流器型的光伏發(fā)電接入的容量超過(guò)接入臺(tái)區(qū)配變額定容量25%時(shí)，需要在低壓側(cè)加裝防孤島保護(hù)裝置，如配變低壓側(cè)母線、箱變低壓母線、低壓環(huán)網(wǎng)柜、380V配電分支箱等處，一旦防孤島保護(hù)裝置啟用，將使配變臺(tái)區(qū)所屬用戶停電。配變低壓側(cè)接入防孤島裝置見(jiàn)圖1。傳統(tǒng)的低壓防孤島保護(hù)裝置為低壓側(cè)裝設(shè)控制器+斷路器分立元件，實(shí)現(xiàn)低壓光伏發(fā)電的并網(wǎng)控制，操作時(shí)間較長(zhǎng)，操作過(guò)程存在以下缺點(diǎn)：1)人為操作過(guò)程繁瑣，存在誤操作的風(fēng)險(xiǎn)，影響人身安全、電網(wǎng)的安全運(yùn)行與發(fā)電效益。2)分立元件較多，時(shí)間控制級(jí)別較低，系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程無(wú)法滿足控制要求。3)繼電保護(hù)控制回路存在唯一性，設(shè)置困難，調(diào)試復(fù)雜，針對(duì)不同容量的光伏發(fā)電項(xiàng)目，需要多參數(shù)調(diào)節(jié)，難度大。受環(huán)境影響大，存在觸點(diǎn)粘合或污穢附著，發(fā)生誤動(dòng)作或控制回路無(wú)法正常工作現(xiàn)象。4)低壓斷路器擴(kuò)展受限大，僅能滿足單相容量最大12.5kW，三相容量37.4kW的需求，不能滿足低壓大容量光伏電站的接入需求。5)人為操作延長(zhǎng)了電源送出主回路的恢復(fù)時(shí)間，降低了光伏發(fā)電的送出效率，減少了發(fā)電收入。因此，傳統(tǒng)分布式光伏發(fā)電防孤島保護(hù)方式對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行與檢修人員的生命安全帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)，有必要研究一種低壓智能型光伏并網(wǎng)開(kāi)關(guān)。
2帶隔離功能一體化低壓分布式電源并網(wǎng)開(kāi)關(guān)的研發(fā)
2.1研發(fā)思路
為解決光伏發(fā)電項(xiàng)目產(chǎn)生孤島運(yùn)行，從安全與經(jīng)濟(jì)性考慮，提出一種全新的設(shè)計(jì)思路：在光伏發(fā)電側(cè)主回路考慮設(shè)置一臺(tái)低壓并網(wǎng)防孤島保護(hù)裝置，在公網(wǎng)停電，第一時(shí)間切除電源送出主回路，防止孤島效應(yīng)的產(chǎn)生，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉鎖，保護(hù)運(yùn)行檢修人員的生命安全與電網(wǎng)安全。
2.2研發(fā)開(kāi)關(guān)的功能
1)具有隔離和失壓閉鎖合閘功能，可將分布式電源與檢修區(qū)域明顯隔離，并確保檢修區(qū)域不受分布式電源孤島運(yùn)行的影響。2)具有自動(dòng)或手動(dòng)模式。自動(dòng)模式，判斷出現(xiàn)孤島運(yùn)行現(xiàn)象立即分閘，切斷發(fā)電部分與公共電網(wǎng)的連接，并自動(dòng)閉鎖；當(dāng)公共電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，延時(shí)自動(dòng)合閘，重新并網(wǎng)，大大提高了分布式電源的發(fā)電效率。手動(dòng)模式下，出現(xiàn)孤島運(yùn)行現(xiàn)象則立即分閘，切斷發(fā)電部分與公共電網(wǎng)的連接，并自動(dòng)閉鎖，當(dāng)公共電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)無(wú)法自動(dòng)合閘，須經(jīng)人工手動(dòng)合閘。3)具備電網(wǎng)側(cè)失壓自動(dòng)分閘并閉鎖合閘功能，電網(wǎng)檢修時(shí)節(jié)省了操作時(shí)間，杜絕了漏操作的情況，保證了電網(wǎng)檢修人員的生命安全。4)旁熱式方案設(shè)計(jì)提高開(kāi)關(guān)載流量。最大可滿足100A的額定電流要求，驅(qū)動(dòng)模塊合閘通過(guò)電機(jī)加減速齒輪組來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，分閘采用電磁鐵來(lái)快速驅(qū)動(dòng)，具備保護(hù)開(kāi)關(guān)0.2s內(nèi)快速分閘的要求。5)實(shí)現(xiàn)分合指示與開(kāi)關(guān)的觸頭聯(lián)動(dòng)，保證開(kāi)關(guān)分合指示與觸頭動(dòng)作情況一致，確保開(kāi)關(guān)分合閘指示正確。
3一體化并網(wǎng)開(kāi)關(guān)的功能
3.1基本功能
光伏并網(wǎng)開(kāi)關(guān)采用小型并網(wǎng)開(kāi)關(guān)為主體(可單極開(kāi)關(guān)拼裝成多極開(kāi)關(guān))，新增智能驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)一體化、小體積、大電流、可靠分合閘指示、隔離、失壓自動(dòng)分閘并閉鎖合閘、復(fù)電自動(dòng)合閘功能。
3.2技術(shù)原理
低壓分布式電源并網(wǎng)開(kāi)關(guān)具備大電流、快速分閘且閉鎖的能力。提出旁熱式方案，最大可滿足100A的額定電流要求，通過(guò)電機(jī)加減速齒輪組來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)合閘，分閘采用電磁鐵來(lái)快速驅(qū)動(dòng)，滿足保護(hù)開(kāi)關(guān)0.2s內(nèi)快速分閘的要求。并網(wǎng)開(kāi)關(guān)的原理見(jiàn)圖2。
3.3技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)
低壓分布式電源并網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)相比具有以下創(chuàng)新：1)可靠隔離功能。公網(wǎng)電源停電時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)分布式電源并網(wǎng)主回路，此開(kāi)關(guān)分合指示與開(kāi)關(guān)觸頭聯(lián)動(dòng)，與公網(wǎng)電源實(shí)現(xiàn)可靠隔離，具有可靠隔離功能。2)防孤島保護(hù)功能。公網(wǎng)停電時(shí)，具備防孤島保護(hù)功能，斷開(kāi)分布式電源并網(wǎng)主回路，實(shí)現(xiàn)合閘閉鎖，閉鎖后開(kāi)關(guān)不可進(jìn)行人工合閘操作。3)延時(shí)合閘功能。公網(wǎng)恢復(fù)供電后，并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)并延時(shí)自動(dòng)合閘功能。此功能在公網(wǎng)恢復(fù)送電后，保證分布式電源可以及時(shí)恢復(fù)送出，提高用戶分布式電源的發(fā)電效率與發(fā)電收入。4)閉鎖功能。公網(wǎng)電源停電時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)分布式電源并網(wǎng)主回路，此開(kāi)關(guān)與公網(wǎng)電源實(shí)現(xiàn)隔離后具備合閘閉鎖功能，可防止人工合閘后影響電網(wǎng)檢修人員的生命安全。5)拓展大容量。光伏并網(wǎng)開(kāi)關(guān)旁熱式方案設(shè)計(jì)，具備了靈活性與兼容性，自適應(yīng)能力強(qiáng)。工作電壓至400V，額定工作電流提高至100A，開(kāi)關(guān)大容量，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電容量主回路的擴(kuò)展功能，可實(shí)現(xiàn)單相20.9kW，三相36.2kW光伏容量的送出。6)安全功能拓展。本系列并網(wǎng)開(kāi)關(guān)具有過(guò)載、短路保護(hù)，具有自動(dòng)與手動(dòng)操作功能。根據(jù)公共電網(wǎng)端的電壓和頻率的變化，通過(guò)被動(dòng)的檢測(cè)方式判斷是否產(chǎn)生孤島現(xiàn)象，作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中孤島現(xiàn)象的后備保護(hù)，提高檢修人員的生命安全。7)安裝方便。新研發(fā)的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)傳承了傳統(tǒng)低壓開(kāi)關(guān)的尺寸，具備導(dǎo)軌安裝，方便快捷，便于更換的特點(diǎn)。
3.4產(chǎn)品參數(shù)
1)產(chǎn)品外形及尺寸。本次研究的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)與傳統(tǒng)配網(wǎng)斷路器的尺寸規(guī)格、安裝方式一致，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10963.1《電氣附件家用及類似場(chǎng)所用過(guò)電流保護(hù)斷路器第1部分:用于交流的斷路器》，單個(gè)開(kāi)關(guān)為9mm的倍數(shù)。產(chǎn)品外形尺寸見(jiàn)圖3。2)主要技術(shù)參數(shù)。采用模塊化拼裝，2P的驅(qū)動(dòng)模塊寬度僅為18mm，平均機(jī)械壽命大于2萬(wàn)次，4P平均機(jī)械壽命大于1萬(wàn)次。驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)采用電機(jī)加減速齒輪實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)合閘，采用MT4403霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)合閘驅(qū)動(dòng)齒輪的位置；采用快速分閘機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速分閘，且分閘后進(jìn)行合閘閉鎖，從而確保操作人員的安全。并網(wǎng)開(kāi)關(guān)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
4成果應(yīng)用
4.1產(chǎn)品試用
低壓分布式電源并網(wǎng)開(kāi)關(guān)研制后分別在龍巖、福鼎、大田、廈門(帝凱(廈門)新能源設(shè)備有限公司)等多個(gè)地區(qū)開(kāi)展分布式光伏現(xiàn)場(chǎng)中試運(yùn)行。通過(guò)試運(yùn)行，該并網(wǎng)開(kāi)關(guān)運(yùn)行工況良好，運(yùn)行維護(hù)方便，實(shí)現(xiàn)了防孤島、可靠分合閘指示、隔離、失壓自動(dòng)分閘、并閉鎖合閘、復(fù)電自動(dòng)合閘等功能。在公網(wǎng)停電檢修狀態(tài)下，能自動(dòng)分閘并閉鎖合閘，及時(shí)切除分布式電源并網(wǎng)主回路，自動(dòng)斷開(kāi)與公用電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)，防止分布式電源出現(xiàn)孤島運(yùn)行狀況，保護(hù)電網(wǎng)檢修人員的生命安全，保障電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行；在復(fù)電情況下，能自動(dòng)合閘并網(wǎng)，提高了分布式電源的發(fā)電效率。
4.2效益
1)直接經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)低壓分布式光伏申請(qǐng)情況，一體化低壓分布式電源并網(wǎng)開(kāi)關(guān)分三相開(kāi)關(guān)與單相開(kāi)關(guān)，一體化低壓分布式電源并網(wǎng)開(kāi)關(guān)與傳統(tǒng)并網(wǎng)箱(微型斷路器+隔離開(kāi)關(guān)+接觸器)相比：一體化開(kāi)關(guān)具有安裝便捷，占用空間??；傳統(tǒng)并網(wǎng)箱安裝占用空間大，接線復(fù)雜，安裝難度較大，且存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，故障率高；價(jià)格方面，傳統(tǒng)并網(wǎng)箱總體價(jià)格較一體化開(kāi)關(guān)高約1300元，增加分布式光伏發(fā)電成本，全國(guó)光伏發(fā)電用戶增長(zhǎng)率較大，對(duì)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)的需求量大。
作者：呂賢敏 戴新文 梁開(kāi)棟 葉輝 單位：國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司龍巖供電公司