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摘要：介绍了光伏高压节能控制柜的提出背景、实现思路，对两种解决方法进行了阐述和对比，给出了软启动方式节能柜的实现方法。
关键词：光伏、节能、控制柜、励磁涌流、过电压
一、项目提出背景：
光伏发电系统的特点：太阳能光伏发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声、无污染；太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭,是可再生能源。但也存在缺点:太阳能的利用实际上是低密度能量的收集、利用；由于能量密度小，系统效率低等因素，造成电站实际占地面积大，电站建设度电成本高。受气候环境因素影响很大，间歇性工作，光伏发电系统只能在白天发电，晚上不能发电。
二、光伏发电系统运行目前存在的问题：
1、夜间变压器的空载损耗：此时电网相当于变压器的电源，变压器吸收电网功率，造成能源耗费。以一个35kV 1MW光伏发电子系统为例，配置1台容量为1000kVA的35kV变压器，其空载损耗约为1.44kW，（按每天发电11.5h，有12.5h空载运行）每年空载耗电量约为6570度。
2、系统过电压对设备绝缘的影响，突出表现在以下几个方面：避雷器炸裂；电缆头炸裂；电压互感器烧毁。
三、光伏发电系统维护目前存在的问题：
整个光伏发电站投运后，在集电线路故障排除后恢复送电过程中，在变压器空载接通电源瞬间，由于变压器铁芯存在剩磁以及电网合闸相位角的问题，变压器可能出现磁饱和现象，出现很大的冲击电流。变压器励磁涌流会对差动保护产生影响,造成保护装置误动作，可能使断路器跳闸，以致变压器不能顺利接入电网。变压器因合闸冲击电流产生可观的电磁力，使闭合绕组变形，错位或绝缘破坏，进而影响电力系统稳定运行。
光伏箱式变压器在夜间可以脱离主电网来节省空载损耗和避免电缆爆头等问题。但如果频繁切合空载变压器，会引起操作过电压和励磁涌流，对断路器和变压器绝缘造成损伤，降低设备的使用寿命，甚至会因为频繁动作引起断口拉弧从而烧毁设备，导致系统故障。据了解某西部电站曾经用操作真空断路器接通和断开来实现变压器节能，结果一次合闸造成多台箱变烧坏，其主要原因是变压器合闸涌流没有进行有效控制。由于这一问题没能很好解决，目前光伏发电系统的箱式变压器夜间一直处于空载运行状态，造成不必要的损耗。
四、解决问题的方法：
1、问题的关键在于解决变压器的切合过程中操作过电压和抑制励磁涌流问题。
操作过电压：由于变压器是感性负载，操作过电压与电流关系密切，但是光伏高压电缆采用固体电缆，一回集电线路总体长度一般在几百米以上，故电缆相间分布电容容量较大，在开关截断感性电流瞬间，由于电感上的磁场能可以转移为电容上的电场能，操作过电压不明显。为了防止极端情况产生过电压，通过金属氧化锌避雷器就可以限制到允许的数值。
励磁涌流：如不加以控制，变压器合闸过程磁场建立的暂态冲击振荡比较明显，进而合闸励磁涌流就难以避免。有两种办法解决：A、采用软启动，合闸瞬间在变压器回路串入三只一定阻值、功率的高压电阻，由于该电阻的接入，电路过渡过程明显缩短。电阻对电流的限制作用明显（把电流基本限制在稳定的空载电流同一数量级），磁场建立稳定后再把电阻短接，就不会产生励磁涌流。B、利用变压器剩磁极性和电网合闸相位角的关系，可以推知下次的合闸角如和上次分闸角一致或接近（如小于30度）则变压器不会出现励磁涌流。
上述两种办法的比较：
（1）、采用方法A：
光伏专用智能节电柜位于箱变输出端与电网之间，控制装置检测系统电压、电流及接触器状态信号。启动光伏并网发电时，装置先检测主接触器，确保主接触器为分闸状态，闭合辅接触器 ，此时由于串接在辅接触器上的大功率电阻R的作用，抑制投入空载升压变压器时的操作过电压和励磁涌流，然后安全闭合接触器，再分断辅接触器，完成系统的软启动。
（2）、采用方B法：
涌流抑制器接入被控电路的电流及电压信号，获取三相电源电压的分闸角和合闸角。断路器的分、合闸命令经由涌流抑制器发送给断路器的分、合闸控制回路。
为了准确控制剩磁和偏磁的大小，其基本的前提是能否精确控制断路器的分合闸时机、而且断路器的分合闸时间的分散性、主触头和辅助触头的延时带来的影响都要充分考虑。如果合闸时间设置的偏差超过5ms(即四分之一周波)，涌流抑制效果基本上就没有了。这种方法对静态调试要求较高，静态调试包括：模拟量采样精度、开关量输入输出量检查、分合闸角度测量及断路器参数的实测和设置。断路器分合闸时间要求现场测量数据，投运后参数设置应在静态调试的基础上的进一步微调。
从抑制励磁涌流效果看：方法A比较容易实现，对现场的调试要求也低，控制算法相对简单，二次控制可以嵌套在高压柜内的综保装置来实现，即使有调整工作量也可控。方法B理论上可行，也有面世产品。但对装置要求较高，装置的控制算法复杂，成本较高；装置对现场的调试要求也高。二次控制不易于集成在目前的综合保护装置。
2、从元器件上来说真空断路器能开断短路电流，由于机械、电气寿命等因素，不宜用于频繁动作的场所。真空接触器不能开断短路电流，但能频繁切合负荷。结合真空断路器和接触器两者特点，可以采用上述方法A实现对线路以及变压器短路保护和负荷投切，实现对变压器进行的有效的合闸、分闸控制。
五、软启动节电柜的具体实现：
1、采用方法A来实现控制，节电柜一次原理图如下：
2、节电柜安装在高压集电线路出线柜后端，控制装置检测系统电压、电流及接触器状态信号。通过接入真空接触器和大功率电阻实现软切、软合功能，而不是通过投切开关柜内断路器和箱变内负荷开关的方式，从而抑制励磁涌流和操作过电压。采用永磁式真空接触器，分、合闸状态均通过永磁铁来保持,大大减小了操作真空接触器所需要的功耗，这样节电柜自身功耗基本可以忽略。
3、基本工作原理描述：
（1）、启动过程：
节电柜启动光伏并网发电时，控制装置先检测主接触器Jz1的状态,确保主接触器Jz1处于分闸状态,闭合辅接触器Jz2,此时由于串接在辅接触器Jz2上的大功率电阻R的作用,抑制投入空载升压变压器时的操作过电压和励磁涌流,然后安全闭合接触器Jz1,再分断辅接触器Jz2,完成系统的软启动操作。
（2）、断开过程：
夜间光伏发电系统停止发电，升压变压器需要脱离主电网，此时先闭合辅接触器Jz2,使串联的大功率高压电阻接入后，再安全分开接触器Jz1,然后分辅接触器Jz2,由于电阻的作用,抑制了励磁涌流和操作过电压,完成系统的软分断操作。
4、智能控制器具有的功能：
（1）、设定时间完成自动启动与停止,并记录系统分/合闸状态累计时长，同时具有GPS校时功能。
（2）、装置具有就地应急操作功能。
（3）、由于分/合闸电阻及防雷器的作用，可有效抑制了励磁涌流和操作过电压，保证系统可安全进行频繁的分/合闸操作。
（4）、装置具有先进的微处理器核心，抗干扰能力强，实现光伏系统的软启动控制功能。并自带标准的RS485和以太网接口，可实现各种状态的远程监控。
六、参数计算：
变压器参数：Sn=1000KVA，系统电压UN =35kV，空载损耗P0=1.44kW，负载损耗PK =12.15kW，短路阻抗UKX(%)=6.5%，空载电流I0(%)=1%,。励磁最大涌流按6倍额定电流计算。
高压侧转化为等值Y接法:
短路电阻RK=PK*UN2* 103/S N2=14.88Ω; 空载时ZL相当于∞;
短路电抗XK=UKX(%)*UN2*10/SN=79.625Ω; 折合电感量 LK=XK/ω=79.625/314=0.254H; LK/2=0.254/2=0.127H;
激磁电阻Rm=UN2*/ P0*10-3=851KΩ;
激磁电抗Xm=UN2* 105/ I0(%)*SN=122.5KΩ;折合电感量 Lm=Xm/ω=390H;
考虑励磁涌流,则饱和激磁电抗值Xmbh=Xm/(6*100/ I0(%))=122500/600=204Ω; 折合电感量Lmbh=Xmbh/ω=204/314=0.65H;
未串电阻合闸,如考虑涌流,时间常数τ1:
Lequ1=( LK/2+Lmbh)=(0.245/2+0.65)=0.77H;
Requ1= RK/2=7.44;
τ1=Lequ/Requ=( LK/2+Lmbh) =0.77/7.44=0.104S=104mS;
集电线每相串接电阻1000Ω,10台箱变并联,相当于每台箱变每相串接入10000Ω;忽略线路电阻Rs、电感Ls，变压器短路电阻RK,考虑涌流为10%的额定电流,时间常数τ2:
Requ2= RK/2 +10000≈10000;
Lmxz=Xmxz/ω=122500/10/314=39H;
τ2= (0.245/2+39)/10000=0.0039S=4mS;
参考文献：
[1] 弋东方.电力工程电气设计手册[M].北京：中国电力出版社，1989.
[2] 陈延镖.钢铁企业电力设计手册[M].冶金工业出版社，1996.
[4] 孙美君等. 工业与民用配电设计手册[M] 中国电力出版社，2006.
作者简介：
何朝阳（1974.9-），男，浙江诸暨人，河海大学电气专业毕业；高级工程师、国家注册发输电、供配电工程师，现从事电力工程设计工作。
论文作者:何朝阳,苌欢,戴轩
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/17
标签：接触器论文; 过电压论文; 变压器论文; 电阻论文; 光伏论文; 电流论文; 操作论文; 《电力设备》2016年第22期论文;