俞晓峰：分布式电源中的设备应用研究
演讲人系常熟开关制造有限公司总经理助理、副总工程师
（本文根据“2015第四届分布式发电与微电网技术大会”演讲PPT编辑而成）
1、分布式系统的概念及特点
分布式能源（DG，DistributedGeneration）指存在于公共电网外的任何发电系统，建于用户当地或附近，并优先满足当地用户需求，可独立于公共电网直接为少量用户提供电能，也可接入配电网络与公共电网协同运行。
分布式能源对配电网的潮流、短路电流产生了实质性的影响，使得传统配电网的规划设计、保护控制、运行管理方法不再有效。
太阳能光伏发电系统、风力发电系统等可再生能源形式的接入，对系统的保护控制、运行管理提出了新挑战，它包括电压控制、继电保护、短路电流限制、故障定位与隔离、电源的调度管理等方面的问题。
分布式能源系统中的三类主要电器如下。
发电组件：例如光伏电池组串，风力发电机等，其作用是将非电形式的能量转变为电能。
电力电子变流设备：包括逆变器、AC－AC变换器等，其作用是将发电组件所获得的电能，转变为可并网或可直接使用的标准参数。
开关类电器：例如断路器、熔断器、接触器等，其作用是实现对系统的保护和控制，既可在发生故障时切断故障回路，又根据指令断开或接通电路，实现对系统的控制和调度等。
本报告主要对后两类电器的应用研究进行探讨
2、光伏发电系统中的逆变器
我公司自2007年成立“清华—常开电力电子应用技术研究所”以来，便大力开展面向光伏新能源产品的自主研发。目前已经形成了覆盖3kW到630kW的多个系列的光伏逆变器产品，以下是一些简单介绍。
1）组串型逆变器
CS1G-3SL、CS1G-4SL、CS1G-5SL为单相型组串逆变器，户外型设计，适用于并入230V单相电网的小型分布式发电系统的设计。
CS1G-10L、CS1G-12L、CS1G-15L、 CS1G-17L、CS1G-20L、CS1G-25L为三相型组串逆变器，户外型设计，适用于并入400V三相公用电网的分布式发电系统的设计。
CS1G-30L为三相型组串逆变器，电网电压为480V，可适用于光伏电站设计。尤其适用于山地、丘陵、戈壁等地形有起伏的电站应用。
2）集中式逆变器
CS1G-50、CS1G-100为含隔离变压器方案，设计为户内型，适用于电压为400V三相公用电网，适合分布式电站的设计。
CS1G-630、CS1G-500 、CS1G-100/L为电站型产品方案,适用于通过外置的变压器连接到相应电压等级的电网。
3）CS1G-25L/30L组串逆变器特色
优秀的MPPT跟踪性能：全独立两路MPPT设计，全MPPT电压范围内（280～800V）均能实现两路完全独立精准跟踪；高精度MPPT跟踪性能。静态MPPT精度评测达99.8%，动态MPPT精度评测大于99%。
分布式应用也支持有功功率连续可调，无功功率超前滞后可调。方便系统设计。可根据本地负载的功率因数，提供一定的无功补偿功能；可根据本地负载的功率平衡要求，动态调节逆变器的出力。
4）CS1G-500/630集中逆变器特色：高可靠性设计
采用西门康的智能功率模块作为核心器件，提升逆变的可靠性。
采用薄膜电容直流滤波方案。提升耐纹波电流能力、减小母线尖峰，提升使用寿命。
采用“长寿命断路器直接并网+优化软件算法”的并网方案，减少开关元件的数量同时减少操作频率，提升可靠性。
便于维护的结构设计。隔离板分割处理，对于接线控制区域采取简易拆卸及把手设计；抽出式断路器设计；模块化的功率组件设计，可整体拆卸功率模块或单独更换风扇。
内置了基于能量平衡的传感器故障自诊断算法，使得在传感器及其连接线发生故障时，能够在不超出功率器件安全区的情况下可靠保护。
3、分布式电源对断路器性能与功能的特殊要求
断路器在配电网络发生故障时动作，切断故障点与电源之间的联系，起到保护设备、线路和人身安全的作用。分布式系统的特殊性，对断路器提出了相应的要求。
分布式系统中包含多样化的分布式能源：断路器的开断性能和保护功能，应适应各种能源形式的特点。
分布式系统具有较复杂的拓扑结构：断路器之间的配合，应确保在故障动作时，尽可能减小停电区域，即实现选择性保护。
1）光伏系统保护用直流断路器
光伏电池组将光能转化为直流电能，再经逆变器变换为交流。从电池组串到逆变器直流侧，均需要直流断路器实现保护。
（1）光伏系统直流断路器的特殊要求：开断能力极性无关
光伏系统中使用的直流断路器，除了需要具备正方向电流的分断能力，还需要具备故障情况下的逆向电流分断能力，这就是开断能力极性无关的要求。例如：并联运行的光伏电池组串，如果其中一串发生了短路，则其他并联组串将向该故障组串放电，形成逆向电流。
（2）无极性开断的技术关键：对小电流开断电弧伏安特性的控制
根据直流开断原理，要实现无极性开断，其关键在于有效提高对开断电弧的控制效率，特别是小电流条件下的伏安特性，使其不具备稳定燃弧条件。
（3）一种由MCCB发展而成的直流断路器：CM3DC系列
通过提高传统交流MCCB对开断电弧的控制效率，使其具备无极性的直流分断能力，开发了CM3DC直流断路器。根据不同的系统电压，采用多级串联的方式使用，可用于光伏系统汇流箱及逆变器直流侧保护；额定电压为四级串联可达1000V；壳架电流为100A、250A、400A、630A；额定电流为10A~630A；分断能力为Ics=Icu=20kA。
（4）一种由ACB发展而成的直流断路器：CW3DC系列
通过提高传统交流ACB对开断电弧的控制效率，使其具备无极性的直流分断能力，开发了CW3DC直流断路器。可选配智能控制器，获得丰富保护功能和通信能力。配有电磁式超越脱扣器，确保安全；额定电压为四级串联可达1000V；额定电流可达2500A；短路性能为Icu=Ics=Icw=40kA。
2）风力发电系统保护用断路器
风力发电系统对断路器的特殊要求如下。
风力发电机组通常使用690~1140V电压：断路器应具备690V~1140V开断能力。
直驱型发电机的输出频率可能在较大范围内波动：断路器在较大频率范围（10~200Hz）应有可靠的开断能力和保护特性。
风机可能在离网和并网状态之间频繁切换：断路器应具备良好操作性能和操作寿命。
（1）一种将真空灭弧技术与ACB技术结合的新型断路器：CW3V
通过对真空灭弧室的结构优化，获得了满意的载流能力和分断能力；通过对操作机构的优化，获得了与真空灭弧室匹配的操作特性。集成智能控制器，保护功能丰富；额定电压可达1140V（IT）；壳架电流2000A、3200A；额定电流可达3200A；开断能力为Icu=Ics=50kA。
（2）一种可适用于10~200Hz频率范围的框架断路器：CW3F
通过提高对开断电弧的有效控制，获得在工作频率范围内的开断能力；通过对载流回路发热的优化设计和校核，获得符合要求的温升特性。适用频率为10~200Hz；额定电压可达690V（IT）；额定电流可达2500A；开断能力为Icu=Ics=85kA/50Hz、Icu=Ics=10kA/10Hz。
（3）长寿命高性能的框架断路器：CW3R
通过提高对开断电弧的有效控制，获得良好的电气寿命和开断能力；通过对操作机构的优化设计，大幅度提高了机械操作寿命。机械寿命30000次；电气寿命10000次；额定电压可达690V；额定电流可达1600A；开断能力为Icu=50kA。
3）分布式电源中小型发电机组的逆功率保护
在传统供电模式下，柴油发电机通常用作备用电源，作为单一电源使用，不存在逆向功率问题。但是在多电源系统中，如果发电机驱动不足，则可能使发电机变为电动机状态运行，这对发电机组将造成严重损坏。
CW3系列断路器具备这一功能，通过断路器对电流电压的同时监测，当功率的流向和设定功率方向相反，且大于动作阈值整定值，并超过动作延时（定时限动作），断路器跳闸或发出报警信号。如此后电路中的功率小于返回阈值整定值，并超过返回延时（定时限动作），断路器解除报警信号。
该产品由于同时对电流电压进行检测，因此能够派生出丰富的电力参数检测功能，例如谐波监测、电能管理等，具有较高的智能化水平。
4、分布式系统中的选择性保护策略
1）传统配电网中选择性保护策略简单回顾
所谓选择性保护，是指在供电线路发生故障时，仅将故障支路从电网中切除并隔离，而不影响其他回路的正常供电。
传统配电网通常是以单一电源为中心的辐射状结构，通过各级断路器之间的保护特性合理设定，依靠电流选择性和时间选择性即可实现选择性保护。
2）方向性区域连锁在多电源系统中的应用
有源网络中，由于存在多电源，拓扑结构和潮流方向都较传统配网复杂，因此传统的保护方式难以实现选择性。
要在多电源系统中实现选择性保护，不仅需要断路器自身具备潮流方向的检测功能，还需要通过断路器之间的实时通信才能实现选择性保护。也就是需要将下述两种技术相结合，形成方向性的区域选择性联锁技术：区域选择性联锁ZSI；方向性的选择性。
（1）区域选择性联锁（ZSI）
（2）方向性的选择性保护
（3）分布式系统中的选择性保护：方向性区域选择性连锁
当短路发生时，每一台短路电流通过的断路器都对潮流方向进行判断，并向与短路潮流方向相反的相邻断路器发出锁闭信号；在约定时间内没有收到锁闭信号的断路器动作切断短路电流；收到锁闭信号的断路器延时等待，若故障被成功切除则不再动作。
（4）方向性ZSI保护在多电源系统中的应用总结
继承了方向性保护的优点；通过对短路潮流方向的判断，自然地形成越靠近短路点的断路器越优先动作的结果，最大限度减小了停电范围；继承ZSI保护的优点；延时时间不随断路器级联数增加，有效解决因阶梯延时的弊端——近电源端故障不能被快速切除，造成故障持续时间增长。
（5）分布式网络保护的系统性问题
5、总结
1）分布式电源系统的保护需求促进了断路器技术的发展
有源网络因接入新能源的需要，促进了断路器性能的提高，并促进断路器的功能更加丰富；有源配网复杂的拓扑结构和双向潮流的特点，促使断路器利用通信功能实现协调配合。
2）分布式电源的保护是系统性问题
断路器本身只能通过分合闸操作改变网络的拓扑结构，并不能完全解决有源配电网的所有保护问题。有源网络的安全可靠运行，需要在设计阶段就从系统的角度进行优化。
★★★广而告之★★★
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