分布式储能系统用断路器改进与应用

曹元威，郭寅远*，陈 卓，贺 春，王 龙

（1.许昌开普检测研究院股份有限公司，河南 许昌 461000；2.郑州航空工业管理学院，郑州 450000）

随着新能源电力的推进，大量的风电、光伏等分布式电源接入配电网，由于地理、天气、季节等因素影响，新能源发电的不确定性、随机性给电网带来了新的问题和挑战。分布式储能系统作为新型电力系统重要组成部分，具有功率吞吐快、控制精度高、安装灵活等特点，更易实现分布式能源的就地快速消纳[1-2]。此外，分布式储能相较于集中式储能系统，减小了电能的线路损耗和投资压力，可实现调频调峰、延缓电网改造和提高电网运行稳定性等功能。

为充分挖掘分布式储能系统对配电网的价值，提高电网运行的经济型和可靠性，有必要通过深入了解分析分布式储能的并网特性和并网注意事项，对分布式储能系统实施主动管理和控制，使其安全稳定运行。为此，相关标准对分布式电源接入配电网的接入系统设计、运行、维护、测试及调度等提出了原则性技术要求，从而最大限度发挥分布式电源并网的积极效益[3]。

本文从分布式储能系统离网运行时可能存在的并网开关柜断路器因失压不能合闸问题，分析断路器失压的动作特性和检测机理，提出了改进方案，在工程应用中具有较高的推广应用价值。

1 分布式电源接入的一般技术原则

国家电网企业标准Q/GDW 10370—2016《配电网技术导则》第11 章分布式电源接入导则，针对分布式电源接入容量、并网电压、接入系统方案、并网接口和装置功能要求等方面做了规定。

针对并网接口和装置功能要求方面，技术导则明确指出，接入分布式电源的380（220）V 用户进线计量装置后开关及10（35）kV 用户公共连接点处分界开关，应具备电网侧失压延时跳闸、用户单侧及两侧有压闭锁合闸、电网侧有压延时自动合闸等功能，确保电网设备、检修（抢修）作业人员及同网其他客户的设备、人身安全。其中，380（220）V 用户进线计量装置后开关失压跳闸定值宜整定为20%UN、10 s，检有压定值宜整定为大于85%UN[4-5]。

逆变器类型的分布式电源接入220/380 V 配电网技术要求中也明确规定，并网点应安装易操作，具有明显开断指示、具备开断故障电流能力的低压并网专用开关，具备失压跳闸及检有压合闸功能[6-7]。

因此，分布式电源接入公共连接点处所用断路器必须具备失压跳闸功能。对于失压跳闸功能的实现，最常用实现方式是配置失压脱扣器，对于采用塑壳断路器和框架式断路器的并网保护电路，可采用失压脱扣器来达到此功能。

2 分布式储能离网控制问题隐患

储能系统典型运行状态有2 种，储能系统并网运行时，储能系统与微电网相连，运行在PQ 模式；离网运行时，储能系统提供支撑微网运行的电压和频率，运行在VF 模式[8-10]。储能系统典型运行拓扑图如图1 所示，当离网运行时，网测断路器Q1断开，储能系统并网柜断路器Q2闭合，给负载提供电能支撑。

图1 储能系统典型运行拓扑图

为规范分布式储能系统接入系统设计，保障储能系统和配电网的安全稳定运行，中国电力企业联合会T/CEC 0231—2017《分布式储能系统接入配电网设计规范》第6 章二次系统设计中明确：分布式储能系统应具备频率和电压异常时的紧急离网功能，该功能由专用安装自动装置实现，也可以有具备该功能的并网点快速开关实现[11]。

目前，在分布式光伏系统配置储能系统所用并网开关柜的断路器等开关，具有失压跳闸功能，最常用的失压跳闸功能是采用失压脱扣器来实现。失压跳闸功能检测断路器上端口（电网侧）电压，当电网失压断电，断路器跳闸。当储能系统离网运行时，由于电网失电，并网开关柜断路器上端口（电网侧）没有电压，只有断路器下端口（储能变流器及电池端）有电压，会导致离网时并网开关柜的断路器失电跳闸，不能进行离网操作。

因此，分布式光伏配置储能系统考虑到储能离网控制的特殊需求，可能会遇到公共连接点断路器等开关在离网时不能有效合闸的问题，因此，有必要对断路器的失压脱扣器动作特性和检测机理进行分析。

3 失压脱扣器动作特性及检测机理

3.1 失压脱扣器动作特性

对于通过失压脱扣器实现失压跳闸的断路器，其常规失压脱扣器动作特性。

1）当外施电压突降至额定工作电压的35%～10%范围内，失压脱扣器释放使断路器断开。

2）当外施电压低于失压脱扣器的额定工作电压的35%时，失压脱扣器使断路器不能闭合。

3）当外施电压为失压脱扣器的额定工作电压的85%～110%时，失压脱扣器能保证断路器可靠闭合。

4）当外施电压下降，在不低于额定工作电压的35%时，失压脱扣器吸合保证断路器可靠闭合。

根据断路器的动作特性并结合Q/GDW 10370—2016《配电网技术导则》相关规定，失压跳闸检测确保系统发生额定工作电压突降至20%故障时，分布式电源断路器断开与电网系统连接，转入故障或离网运行状态。

3.2 失压脱扣器检测机理

欠压脱扣器主要包括电磁系统和控制电路2 部分[12]，其中，电磁系统主要由铁心、弹簧、吸合线圈等组成，检测电路主要用于检测断路器上端口（电网电压端）相电压幅值大小。当发生电压突降至动作电压时，欠压脱扣器控制电路快速检测到电压跌落，并给出脱扣指令，电磁执行机构线圈失电，推杆在弹簧作用下冲击脱扣板使其动作，从而断路器脱扣，从而起到保护作用。

4 储能系统用断路器改进方案

针对储能系统在离网条件下并网开关柜断路器因失压脱扣器失压跳闸，断路器不能合闸问题，本文增加并网开关柜失压跳闸检测点，在原有并网模式断路器上端口（电网测）检测点检测失压的同时，采用转换开关的方式设置离网模式，当储能系统工作在离网状态下，断路器失压脱扣器检测断路器下端口电压。此时，处于离网状态下的储能系统并网开关柜断路器下端口带电，断路器的失压跳闸检测点将不再报失压跳闸故障，断路器具备了并网和离网2 种模式正常运行的功能。

并离网条件下断路器失压脱扣器检测示意图如图2 所示。

图2 并离网条件下断路器失压脱扣器检测原理图

由图2 可知，当储能系统工作在并网模式时，将并离网模式转换开关转换至并网模式，此时，并网开关柜断路器按照常规的检测手段，检测上端口（电网测）电压，断路器可有效执行带电合闸和失电跳闸功能。当储能系统工作在离网模式时，将并离网模式转换开关转换至离网模式，此时，采用检测并网柜断路器下端口（PCS 和电池侧）电压，储能系统离网运行，储能电池和储能变流器工作，并网点开关柜断路器下端口带电，可有效闭合断路器，储能系统可稳定在孤岛离网工况下带载运行。

需要强调的是，光伏系统所用并电柜断路器应具备失压跳闸和检有压合闸功能，储能系统也应具备失压跳闸功能，但是对于储能系统出于安全考虑不能具备检有压合闸功能，防止因储能离网运行等操作导致的人身及设备的损害。同时，基于光储等混合微电网连接至公共连接点的配电柜断路器，也不应具备检有压合闸功能。

5 应用

某园区微电网系统如图3 所示，包含2 个子系统，1#子系统为712 kWp 光伏发电系统，2#子系统为由285 kWp 光伏、250 kW/600 kWh 储能、1 台5 kW 风机及2 台160 kW 直流充电桩组成的智能微电网。其中，储能系统并网柜断路器为Q1，风光储充微电网并网柜断路器为Q2。

图3 微电网系统拓扑

当电网失电，微电网储能系统运行在离网状态，由于储能系统用断路器Q1的失压跳闸脱扣器检测的是断路器上端电压，上端因大电网失电致使断路器失压报故无法合闸，因此，采用上述断路器改进方案，在原有断路器上端口检测失压的同时，采用转换开关的方式设置离网模式，在储能系统离网控制时，断路器失压脱扣器检测断路器下端口电压。此时，储能电池作为能量源，储能变流器工作在离网稳稳压模式，断路器Q1下端口带电，断路器可有效合闸，微电网系统可离网运行。

微电网公共连接点并网柜的断路器Q2采用相同的改进方案增加离网转换开关和增加断路器下端口失压跳闸点检测，确保整个微网系统的在大电网失电的情况下能够可靠离网运行。

改进及应用效果如图4 和5 所示。

图4 储能系统并网柜断路器Q1 改进图

图5 微电网系统并网柜断路器Q2 改进图

6 结论

本文从分布式储能系统离网运行时可能存在的并网开关柜断路器因失压不能合闸问题，分析分布式电源接入的一般技术原则，详述储能系统离网运行时开关柜断路器失压脱扣器的动作特性及检测机理，给出了采用增加并离网转换开关和失压脱扣器检测点的方案，在保证储能系统并网柜断路器离网时并网柜断路器能够可靠运行。

并网柜断路器离网合闸问题，在某园区风光储充微电网离网控制项目中出现，通过上述方法和改进措施，项目在离网工况下可靠闭合并得到有效实现，从工程实践上验证了此方法的可行性，具有较好的推广价值。