光伏故障解列装置的工作原理和定值计算

       光伏故障解列装置也称为光伏并网点保护装置、是光伏电站并网的关键保护设备。它的核心作用是在电网发生故障或异常时，快速、可靠地将光伏电站从电网中断开，防止孤岛运行，并保护光伏设备本身（尤其是逆变器）免受故障电流的损害。

一、 工作原理

      光伏故障解列装置的工作原理可以概括为“实时监测、逻辑判断、快速执行”：

1. 数据采集：

      装置通过电压互感器和电流互感器，实时采集光伏电站并网点（PCC - Point of Common Coupling）的三相电压、三相电流、频率、相位等电气量。

      高精度的采样电路将这些模拟量转换为数字信号。

2. 计算与分析：

      装置内部的微处理器或数字信号处理器对采集到的数据进行高速计算和分析，计算出关键的电气参数：

      电压幅值（各相电压、线电压、正序电压）。

      频率。

      电压/电流相位差（功率因数角）。

      有功功率/无功功率。

      电压/电流的谐波含量（可选，用于更复杂的保护或监测）。

      电压/电流的不对称度（负序、零序分量）。

3. 保护判据判断：

      装置内置多种保护判据（功能），将计算出的实时参数与预先设定的保护定值进行比较。主要的保护判据包括：

      低电压保护： 当检测到并网点电压低于设定的低电压保护定值（如 0.8Un, 0.5Un）时启动。

      过电压保护： 当检测到并网点电压高于设定的过电压保护定值（如 1.2Un, 1.3Un）时启动。

      低频保护： 当检测到系统频率低于设定的低频保护定值（如 49.5Hz, 48.5Hz）时启动。

      过频保护： 当检测到系统频率高于设定的过频保护定值（如 50.5Hz, 51.5Hz）时启动。

      电压突变保护： 检测电压在极短时间内（如几个周波）发生的大幅度跌落或升高。

      频率变化率保护： 检测频率在单位时间内的变化量（df/dt），反映系统功率缺额或过剩的严重程度。

      方向过流保护/方向功率保护： 用于判断故障方向，防止非故障情况下误动（尤其在多电源复杂网络或有分布式电源接入时）。

      逆功率保护： 防止光伏电站向电网吸收有功功率（在特定运行方式下可能需要）。

      零序电压/电流保护： 检测接地故障。

      有压/无压判据： 作为其他保护启动或闭锁的条件。

4. 逻辑判断与延时：

      当某个或多个判据满足动作条件时，装置会启动相应的延时计时器。

      延时是为了：

      躲过瞬时扰动： 电网中可能存在短暂的电压波动或频率波动（如大电机启动、雷击），短暂的延时可以避免装置在这些扰动下误动作。

      配合上级保护： 给电网侧的保护装置（如变电站出线保护）优先动作切除故障的机会。如果电网保护能在规定时间内切除故障，光伏电站的低电压穿越能力应能支撑住，装置就不应动作。

      延时时间通常很短，从几十毫秒到几秒不等，具体取决于保护功能和定值设置。

5. 执行跳闸：

      如果在设定的延时时间内，故障或异常状态持续存在（即判据持续满足），装置会发出跳闸命令。

      跳闸命令通过装置的继电器输出触点发送给光伏电站的并网开关（通常是断路器或负荷开关）。

      并网开关接收到跳闸命令后立即分闸，将光伏电站与电网物理断开。

6. 信号与记录：

      装置在动作（跳闸）或检测到异常（告警）时，会通过通信接口（RS485, Ethernet, IEC 61850等）向电站监控系统或调度系统发送事件报告和故障录波数据。

      装置本身也会存储事件记录、故障录波数据（记录故障前后的电压电流波形）和操作记录，便于事后故障分析。

7. 核心目标： 在电网故障导致电压/频率异常时，若电网保护未能快速切除故障或光伏电站无法满足低电压穿越要求，该装置必须可靠动作，将光伏电站解列，避免孤岛运行带来的安全隐患和设备损坏风险。

二、 定值计算

      定值计算是确保装置正确、可靠动作的关键环节。定值设置不当可能导致拒动（该跳不跳，危险！）或误动（不该跳乱跳，损失发电量！）。定值计算需要遵循电网公司的并网技术规范/导则（如中国的GB/T 19964, NB/T 32015，美国的IEEE 1547，德国的VDE-AR-N 4105/4110等）和具体电网调度部门的要求。

定值计算的主要步骤和考虑因素：

1.依据标准与要求：

      首要依据： 获取并严格遵守项目所在地电网公司发布的最新版《光伏电站接入电网技术规定》或类似文件。这些文件规定了保护配置的最低要求、动作定值范围、动作时间要求等。

      调度要求： 与当地电网调度部门充分沟通，明确其对定值的具体要求（有时比通用标准更严格或具体）。

      设备能力： 考虑光伏逆变器自身的低电压穿越能力和耐受能力。解列保护定值不应比逆变器自身保护更灵敏，否则会先于逆变器动作。

2.系统参数收集：

      电网参数： 并网点电压等级（Un）、系统标称频率（fn）、系统最小/最大短路容量（影响电压跌落深度）、上级保护（变电站出线保护）的定值和动作时间。

      光伏电站参数： 总装机容量、逆变器型号及技术参数（特别是低电压穿越曲线、耐受时间）、升压变参数（如有）、并网开关类型及分闸时间。

3.主要保护定值计算原则：

      低电压保护：

      定值： 通常设置多段。

      段1： 对应深度跌落（如0.2Un - 0.5Un），延时很短（如0.15s - 0.3s）。用于应对严重故障，需要快速切除。

      段2： 对应中度跌落（如0.5Un - 0.8Un），延时稍长（如0.5s - 2.0s）。用于应对相对较轻的故障或配合低电压穿越要求。

      计算要点：

      定值需低于逆变器低电压穿越要求的最低电压门槛值。例如，标准要求逆变器在0.2Un下支撑0.15s，那么解列装置的低电压段1定值应≤0.2Un，延时≤0.15s（通常更短，如0.1s）。

      需躲过电网正常波动范围。

      需与上级保护动作时间配合。解列装置应在上级保护动作失败或延时过长时动作。

      考虑三相电压不对称情况，通常采用正序电压作为判据更可靠。

      过电压保护：

      定值： 通常设置1段或2段（如1.15Un, 1.3Un）。

      延时： 相对较长（如几秒），主要应对甩负荷等引起的过电压。

      计算要点： 需高于电网正常运行的最高允许电压，躲过操作过电压等暂态过程。

      低频保护：

      定值： 通常设置多段（如49.5Hz, 49.0Hz, 48.0Hz）。

      延时： 随频率降低而缩短（反时限特性或阶梯时限）。例如：49.5Hz延时10s，49.0Hz延时0.5s。

      计算要点：

      严格遵循并网标准规定的频率-时间动作曲线。

      与电网低频减载装置配合，光伏解列通常是最后一道防线。

      考虑系统正常频率波动范围（如±0.2Hz）。

      过频保护：

      定值： 通常设置多段（如50.5Hz, 51.0Hz, 51.5Hz）。

      延时： 随频率升高而缩短（反时限特性或阶梯时限）。例如：50.5Hz延时10s，51.5Hz延时0.2s。

      计算要点：

      严格遵循并网标准规定的频率-时间动作曲线。

      考虑系统正常频率波动范围。

      电压/频率变化率：

      定值： 设定电压变化率（dV/dt）或频率变化率（df/dt）的阈值（如1 Un/s, 1 Hz/s）。

      延时： 通常很短（几十到几百毫秒）。

      计算要点： 用于检测电网崩溃等极端情况下的快速变化，作为主保护的补充。定值需躲过正常负荷波动引起的慢速变化。

      方向保护/功率保护：

      定值计算更复杂，需要结合电网结构、故障方向判断逻辑（如90°接线、功率方向）进行整定，通常用于防止非故障情况下的误动。

4.时间配合：

      这是定值计算中最关键也最复杂的部分之一。必须确保：

      解列装置的动作时间（检测时间+延时+开关分闸时间）大于电网侧最近一级保护的动作时间（保护动作时间+开关分闸时间）。这样电网保护优先动作切除故障，光伏电站执行低电压穿越。

      解列装置的动作时间小于逆变器在故障电压下的最大耐受时间。这样在电网保护失效时，解列装置能在逆变器损坏前将其切除。

      不同段保护之间的时间要协调。

5.灵敏度与可靠性校验：

      灵敏度： 计算在最不利运行方式下（如最小发电功率），保护能否可靠动作。

      可靠性： 校验在最大运行方式或正常波动下，保护是否会误动。必要时进行仿真计算。

6.形成定值清单：

      将所有计算确定的保护功能、定值（电压、频率、时间等）、控制字（功能投退）整理成清晰的定值清单（整定单）。

      重要提示：

      无统一标准值： 定值没有放之四海而皆准的数值，必须根据具体项目、具体电网要求和具体设备参数进行计算和设定。

      专业性强： 定值计算通常由具备资质的电力设计院或专业保护整定计算人员完成。

      审批流程： 定值单需要提交电网调度部门审核批准后方可执行。

      现场校验： 装置投运前和定期检修时，必须使用继电保护测试仪对装置进行保护定值校验和传动试验，确保其动作行为符合整定要求。

三、总结

      光伏故障解列装置是光伏电站并网安全的重要保障。其工作原理基于对并网点电气量的实时监测和逻辑判断，在电网故障或异常时快速执行解列操作。定值计算是确保该装置正确动作的核心，必须严格遵循电网规范、调度要求，并结合电网参数、电站设备和保护配合进行精确计算和校验，最终形成经审批的定值单指导现场设置。这是一个专业性极强且要求严谨的过程。