電能質量在線監測裝置和防孤島保護裝置 在特斯拉工廠分布式光伏項目的應用

安科瑞 鮑靜君 劉邁

　　摘要：

　　隨著全球對可再生能源的關注度不斷提高，分布式光伏發電系統在近年來得到了廣泛應用。分布式光伏發電系統具有環保、靈活等優勢，能夠有效地緩解能源短缺和環境污染問題。同時，電能質量在線監測裝置和防孤島保護裝置在分布式光伏項目中也扮演著至關重要的角色。電能質量在線監測裝置可以實時監測電網中的電壓、電流等參數，確保光伏發電系統產生的電能質量穩定。而防孤島保護裝置可以在電站發生故障時斷開并網點開關，避免對人員和設備造成傷害，確保光伏發電系統的安全運行。預防電力系統故障、提高電力系統的穩定性、優化能源利用以及提供數據支持等。本文將介紹電能質量在線監測裝置及防孤島保護裝置在分布式光伏發電系統中的應用。

　　關鍵詞：分布式光伏；電能質量；電壓偏差；電壓波動；諧波；防孤島保護

　　1 項目概況

　　上海特斯拉工廠是一個位于上海市浦東新區的超級工廠，占地面積約為86萬平方米。上海特斯拉工廠主要以生產Model 3和Model Y為主，同時也包括動力電池和電機組裝車間以及一個研發中心。工廠采用了智能化的生產線和新的制造技術，是一個集智能化、自動化于一體的現代化工廠，為特斯拉在全球的發展提供了重要的支持。

　　本項目在原有的10/0.4kV系統上新增分布式光伏并網。配電系統原有高壓柜4臺、變壓器4臺、低壓柜31臺。本項目采用0.4kV并網，設計1#并網電和2#并網點，光伏并網接入位于原有低壓配電柜出線開關，供電系統圖及并網柜位置如圖1所示。

圖1 配電系統一次系統圖

　　2 項目需求

　　光伏發電屬于清潔能源，但其電能質量并不穩定，由于光伏發電的不確定性可能會導致輸出功率的隨機波動，進而導致電網頻率偏差、電壓暫升暫降、電壓短時中斷、電壓波動與閃變等電能質量問題。同時光伏發電使用交直流逆變器，在此環節會產生諧波問題，還伴隨直流分量流入供電系統。

　　這些電能質量問題可能會對工廠造成以下影響：

　　電壓波動和閃變：可能會導致電機設備運行不穩定，影響生產線的正常運行。

　　諧波污染：可能會干擾電子元件的正常工作，導致設備故障或損壞。

　　電壓暫降和短時中斷：導致設備停機或損壞，影響生產線的正常運行。

　　頻率偏差：可能會影響電機設備的正常運行，導致生產線的停滯或損壞。

　　通過在線電能質量監測裝置可以監測、分析、評估監測點的電能質量，包括電能質量實時監測、電能質量事件告警、錄波、數據統計、評估分析等功能,及時發現并解決電能質量問題，提高光伏發電的效率和穩定性，同時保障電力系統的安全與穩定運行。

　　在光伏項目中，孤島效應是一個常見問題。當電網側停電時，光伏側仍然處于正常發電狀態，并向電網側送電，形成了孤島效應。這給電網側的檢修人員帶來了很大的安全威脅。防孤島保護裝置可以及時切斷光伏系統與電網的連接，避免孤島效應的產生，從而保護檢修人員的安全。此外，防孤島保護裝置還可以在電網出現故障時，迅速切斷光伏系統與電網的連接，避免設備受到損壞，并在故障解除后自動恢復并網，確保了光伏項目的穩定運行。

　　本項目要求并網點具有低壓低于50%Un時0.1s閉鎖發電、檢有壓85%Un自動并網功能，同時實時監測并網點電壓諧波、直流分量、電壓偏差等電能質量。需要將1#并網點、2#并網點的電壓、電流、有功功率、無功功率以及防孤島保護相關數據和電能質量數據上傳至特斯拉220kV變電站，再通過站內原有調度數據網上傳至調度中心。

　　同時光伏發電站項目還應滿足以下相關規定。

　　l 根據《光伏發電站接入電力系統的技術規定》GB/T 19964-2012的相關要求，光伏電站并網點需要裝設滿足《電能質量檢測設備通用要求》GB/T 19862-2005標準要求的A類電能質量在線監測裝置，并且監測點需要放置在并網點。該裝置需要對光伏電站可能引起的諧波、電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和閃變、三相不平衡度、注入電網直流分量進行在線監測，并且需要具備通訊接口，能夠遠傳電能質量數據。這些數據需要通過綜合業務數據網上傳至電能質量檢測主站。

　　l 根據《電能質量評估技術導則 三相電壓不平衡》DL_T 1375-2014的規定，接入公共連接點的每個用戶引該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。

　　l 根據《電能質量 供電電壓偏差》GBT12325-2008的規定，220 V單相供電電壓偏差為標稱電壓的+7%，-10%。

　　l 根據《光伏發電站接入電力系統的技術規定》GB/T 19964-2012的相關要求，光伏發電站應配置獨立的防孤島保護裝置，動作時間應不大于2s。防孤島保護還應與電網側線路保護相配合。

　　綜合本次項目要求及相關規定，本次分布式光伏并網項目在原有供電系統上進行改造，新增2個并網柜，需要在每個柜子中安裝一臺A類電能質量在線監測裝置APView500PV對并網點電能質量進行實時監測，同時還需要安裝一臺防孤島保護裝置AM5SE-IS，當發生孤島效應時可以及時切斷并網柜斷路器，避免事故的發生。具體配置方案如圖2及圖3所示。

圖2  1#并網柜配置方案

圖3  2#并網柜配置方案

　　各類設備主要實現的功能如下：

　　3 現場安裝圖片

　　本項目各類設備均就地安裝于開關柜中，現場安裝圖片如下，目前裝置在現場運行正常。

圖4 裝置現場安裝圖片

　　4 結語

　　電能質量監測裝置通過實時監測光伏發電系統的電能質量，確保了電能質量的穩定性和可靠性。它能夠及時發現并解決潛在問題，如電壓波動、閃變、諧波污染等，確保光伏發電系統的正常運行。同時，電能質量監測裝置還可以為分布式光伏項目的優化提供重要依據，幫助我們更加深入地了解光伏系統的性能表現，進而采取相應的措施對系統進行改進和優化。

　　防孤島保護裝置在分布式光伏項目中同樣重要。當電網側停電時，光伏側仍然處于正常發電狀態，并向電網側送電，形成了孤島效應。這給電網側的檢修人員帶來了很大的安全威脅。防孤島保護裝置可以及時切斷光伏系統與電網的連接，避免孤島效應的產生，從而保護檢修人員的安全。此外，防孤島保護裝置還可以在電網出現故障時迅速切斷光伏系統與電網的連接，避免設備受到損壞，并在故障解除后自動恢復并網，確保了光伏項目的穩定運行。

　　未來隨著可再生能源的快速發展和電網技術的不斷進步，我們有望實現更加可靠的光伏發電系統，為推動綠色能源的發展和實現可持續能源供應做出更大的貢獻。在這一過程中，電能質量在線監測裝置和防孤島保護裝置的應用至關重要。它們確保了光伏發電系統的穩定運行和電能質量的提高，為分布式光伏項目的優化提供了重要依據。因此，電能質量在線監測裝置和防孤島保護裝置在分布式光伏項目中的應用具有廣泛的前景和深遠的影響。

　　參考文獻

　　[1] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.6月版

　　[2] 安科瑞35kV以及下變電所智能配電系統設計與產品二次原理圖集.2020.10月版

　　[3] 安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案.2021.3月版