谈智能型低压光伏发电并网开关
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摘要：为解决分布式光伏发电接入电网的安全运行，本研究基于被动检测方式、旁热式设计理念，开发出一种具备灵活性、兼容性与自适应性强的带孤岛保护的一体化、小体积、大电流的智能型低压光伏并网开关，保障电网安全与检修人员的生命安全，提高光伏发电效益，增加用户收入。
关键词：被动检测；旁热式；一体化
引言
随着分布式光伏发电技术的不断进步，接入低压配电网的分布式光伏发电出现“小容量、密布点、分散式”的特点，配电网络重构增加了电网运行的复杂性引起孤岛运行。传统的保护装置控制回路复杂，操作繁琐，易产生误操作，电网运行出现“不可见、不可控”的局面，对配电网安全运行与检修人员的生命安全产生极大影响。研究一种适用于分布式电源并网的一体化智能型低压并网开关。
1传统防孤岛保护特点
变流器型的光伏发电接入的容量超过接入台区配变额定容量25%时，需要在低压侧加装防孤岛保护装置，如配变低压侧母线、箱变低压母线、低压环网柜、380V配电分支箱等处，一旦防孤岛保护装置启用，将使配变台区所属用户停电。配变低压侧接入防孤岛装置见图1。传统的低压防孤岛保护装置为低压侧装设控制器+断路器分立元件，实现低压光伏发电的并网控制，操作时间较长，操作过程存在以下缺点：1)人为操作过程繁琐，存在误操作的风险，影响人身安全、电网的安全运行与发电效益。2)分立元件较多，时间控制级别较低，系统检测过程无法满足控制要求。3)继电保护控制回路存在唯一性，设置困难，调试复杂，针对不同容量的光伏发电项目，需要多参数调节，难度大。受环境影响大，存在触点粘合或污秽附着，发生误动作或控制回路无法正常工作现象。4)低压断路器扩展受限大，仅能满足单相容量最大12.5kW，三相容量37.4kW的需求，不能满足低压大容量光伏电站的接入需求。5)人为操作延长了电源送出主回路的恢复时间，降低了光伏发电的送出效率，减少了发电收入。因此，传统分布式光伏发电防孤岛保护方式对电网安全运行与检修人员的生命安全带来较大的挑战，有必要研究一种低压智能型光伏并网开关。
2带隔离功能一体化低压分布式电源并网开关的研发
2.1研发思路
为解决光伏发电项目产生孤岛运行，从安全与经济性考虑，提出一种全新的设计思路：在光伏发电侧主回路考虑设置一台低压并网防孤岛保护装置，在公网停电，第一时间切除电源送出主回路，防止孤岛效应的产生，同时实现自动闭锁，保护运行检修人员的生命安全与电网安全。
2.2研发开关的功能
1)具有隔离和失压闭锁合闸功能，可将分布式电源与检修区域明显隔离，并确保检修区域不受分布式电源孤岛运行的影响。2)具有自动或手动模式。自动模式，判断出现孤岛运行现象立即分闸，切断发电部分与公共电网的连接，并自动闭锁；当公共电网恢复正常时，延时自动合闸，重新并网，大大提高了分布式电源的发电效率。手动模式下，出现孤岛运行现象则立即分闸，切断发电部分与公共电网的连接，并自动闭锁，当公共电网恢复正常时无法自动合闸，须经人工手动合闸。3)具备电网侧失压自动分闸并闭锁合闸功能，电网检修时节省了操作时间，杜绝了漏操作的情况，保证了电网检修人员的生命安全。4)旁热式方案设计提高开关载流量。最大可满足100A的额定电流要求，驱动模块合闸通过电机加减速齿轮组来实现驱动，分闸采用电磁铁来快速驱动，具备保护开关0.2s内快速分闸的要求。5)实现分合指示与开关的触头联动，保证开关分合指示与触头动作情况一致，确保开关分合闸指示正确。
3一体化并网开关的功能
3.1基本功能
光伏并网开关采用小型并网开关为主体(可单极开关拼装成多极开关)，新增智能驱动模块，实现一体化、小体积、大电流、可靠分合闸指示、隔离、失压自动分闸并闭锁合闸、复电自动合闸功能。
3.2技术原理
低压分布式电源并网开关具备大电流、快速分闸且闭锁的能力。提出旁热式方案，最大可满足100A的额定电流要求，通过电机加减速齿轮组来实现驱动合闸，分闸采用电磁铁来快速驱动，满足保护开关0.2s内快速分闸的要求。并网开关的原理见图2。
3.3技术创新点
低压分布式电源并网开关设计，与传统开关相比具有以下创新：1)可靠隔离功能。公网电源停电时，并网点开关断开分布式电源并网主回路，此开关分合指示与开关触头联动，与公网电源实现可靠隔离，具有可靠隔离功能。2)防孤岛保护功能。公网停电时，具备防孤岛保护功能，断开分布式电源并网主回路，实现合闸闭锁，闭锁后开关不可进行人工合闸操作。3)延时合闸功能。公网恢复供电后，并网点开关实现检测并延时自动合闸功能。此功能在公网恢复送电后，保证分布式电源可以及时恢复送出，提高用户分布式电源的发电效率与发电收入。4)闭锁功能。公网电源停电时，并网点开关断开分布式电源并网主回路，此开关与公网电源实现隔离后具备合闸闭锁功能，可防止人工合闸后影响电网检修人员的生命安全。5)拓展大容量。光伏并网开关旁热式方案设计，具备了灵活性与兼容性，自适应能力强。工作电压至400V，额定工作电流提高至100A，开关大容量，实现了光伏发电容量主回路的扩展功能，可实现单相20.9kW，三相36.2kW光伏容量的送出。6)安全功能拓展。本系列并网开关具有过载、短路保护，具有自动与手动操作功能。根据公共电网端的电压和频率的变化，通过被动的检测方式判断是否产生孤岛现象，作为光伏发电系统中孤岛现象的后备保护，提高检修人员的生命安全。7)安装方便。新研发的并网开关传承了传统低压开关的尺寸，具备导轨安装，方便快捷，便于更换的特点。
3.4产品参数
1)产品外形及尺寸。本次研究的并网开关与传统配网断路器的尺寸规格、安装方式一致，符合国家标准GB10963.1《电气附件家用及类似场所用过电流保护断路器第1部分:用于交流的断路器》，单个开关为9mm的倍数。产品外形尺寸见图3。2)主要技术参数。采用模块化拼装，2P的驱动模块宽度仅为18mm，平均机械寿命大于2万次，4P平均机械寿命大于1万次。驱动模块的设计采用电机加减速齿轮实现驱动合闸，采用MT4403霍尔传感器来检测合闸驱动齿轮的位置；采用快速分闸机构实现快速分闸，且分闸后进行合闸闭锁，从而确保操作人员的安全。并网开关主要技术参数见表1。
4成果应用
4.1产品试用
低压分布式电源并网开关研制后分别在龙岩、福鼎、大田、厦门(帝凯(厦门)新能源设备有限公司)等多个地区开展分布式光伏现场中试运行。通过试运行，该并网开关运行工况良好，运行维护方便，实现了防孤岛、可靠分合闸指示、隔离、失压自动分闸、并闭锁合闸、复电自动合闸等功能。在公网停电检修状态下，能自动分闸并闭锁合闸，及时切除分布式电源并网主回路，自动断开与公用电网的联络，防止分布式电源出现孤岛运行状况，保护电网检修人员的生命安全，保障电网的安全可靠运行；在复电情况下，能自动合闸并网，提高了分布式电源的发电效率。
4.2效益
1)直接经济效益。根据低压分布式光伏申请情况，一体化低压分布式电源并网开关分三相开关与单相开关，一体化低压分布式电源并网开关与传统并网箱(微型断路器+隔离开关+接触器)相比：一体化开关具有安装便捷，占用空间小；传统并网箱安装占用空间大，接线复杂，安装难度较大，且存在多个节点，故障率高；价格方面，传统并网箱总体价格较一体化开关高约1300元，增加分布式光伏发电成本，全国光伏发电用户增长率较大，对并网开关的需求量大。
作者：吕贤敏 戴新文 梁开栋 叶辉 单位：国网福建省电力有限公司龙岩供电公司