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根据《2015中国光伏产业发展报告》，到2015年底，全世界总装机量达到230 GW，新增装机达50 GW，相比2014年新增装机16.3%。光伏市场的中心也正从欧洲发达国家向中国、美国和日本等新兴市场转移[1]。
近年来国家电网和南方电网都在大力开展低碳、环保、绿色变电站的试点与建设，如国家电网推行的环境友好型、资源节约型(两型一化)变电站、南方电网大力开展的3C绿色电网。随着光伏发电应用研究的不断深入，发电成本不断下降，为变电站利用新能源提供了必要的条件。根据统计到2015年广东省已投运有500 kV变电站53座，如果大量的500 kV变电站利用可再生能源光伏，采用接入站用电系统的方案后，有必要对原站用电系统的保护适应性进行研究。
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500 kV变电站站用电接线形式如图1所示，2个工作电源# 1、# 2站用变分别接两台主变35 kV母线，热备用电源# 0站用变接10 kV站外电源。这种站用电接线方式在正常情况下可靠性很高，但随着电网规模越来越大，为了限制系统的短路电流，系统运行方式往往采用分区供电，每个分区以500 kV变电站为枢纽，带部分220 kV变电站负荷，而10 kV站外电源就近取自这些220 kV变电站。当500 kV变电站受到极端天气比如大风，整个500 kV失压后，500 kV变电站所带220 kV变电站站也失去电源，存在站外10 kV电源也同时失去的可能。
Figure 1. Station power of 500 kV substation
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参考某500 kV变电站，利用主控楼屋顶、巡检楼屋顶、中央配电室屋顶总面积约600 m2，可布置光伏太阳能发电板面积估计500 m2。可以安装光伏板实用面积、年发电量、发电装机容量的计算公式为：
式中：P为光伏发电系统装机的峰值功率；K为光伏板安装平面布局经验系数，一般可以取0.7值；S为光伏安装场地面积；Ps为单位面积光伏(单晶硅或多晶硅)发电装机容量经验值，一般取0.15 kW/m2[2]。计算得500 kV变电站峰值装机功率为Ph约52.5 kW，在后续计算中选取50 kW来计算。
主控楼屋顶和巡检楼屋顶布置了变电站主要光伏电源，而且主控室内有两段380 V母线供电系统，每段母线的负荷约100 kW，该负荷远远大于光伏的发电功率。因此接入主控制室的380 V母线，如图2所示，不但可以将光伏电能就近送入负荷中心，而且可以减少从中央配电室流到主控室的潮流，减少电能损耗，减少工程造价。
Figure 2. PV generation connected to 500 kV substation
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光伏发电系统最基础的能量转换单元是光伏电池，当前不同型号光伏电池可用不同电路模型来进行仿真。如单晶硅光伏电池，如图3、图4所示，可以采用二极管等效电路模型仿真，它非线性二极管、电流源相并联组成，并串接光伏电池的内阻[3,4]。
Figure 3. Model of PV battery
Figure 4. PV transmission
因为单个光伏模块发电功率很小，工程应用中将很多光伏模块进行串或并联后组成光伏阵列，以提高光伏的输出功率和电压。因为一般串并联的光伏模块均采用相同品牌及型号，因此我们认为所有的光伏模块的参数是一样的，做仿真模型时忽略连接电阻，得到如图5所示的光伏阵列等效电路，图中，NP、NS分别为并联、串联的光伏模块数。光伏阵列的伏安关系满足式(1)[5]。
Figure 5. Equivalent circuit of PV array
((1)) 可以根据式(1)，利用matlab可建立光伏阵列仿真模型，此模型可模拟仿真计算在各种光照强度、温度下光伏阵列的伏安特性曲线及输出P-V特性曲线。太阳能电池组件输出功率呈现负的温度特性，即当温度升高时，虽然太阳能电池的工作电流有所增加，但工作电压却下降的更多，因此总的输出功率是下降的，所以应尽量使太阳能电池工作在较低的温度下。
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参考某500 kV变电站站用电接线，简化站用电接线，如图6所示，站用电实际设备参数如下：
Figure 6. Simple structure of station power
35 kV站用变型号为：SCZ11-800/34.5(
35 kV站用变保护采用南瑞继保的PCS-9621N型保护，35 kV侧保护CT为400/1 A，380 V侧零序CT为500/1。
中央配电室(站用变低压侧出线)380 V进线开关型号MVS16N版本6.0 V。
中央配电室至主控制室380 V出线、主控室380 V进线开关型号MVS06N版本6.0 V。
中央配电室380 V母线I、II段负荷各为200 kW，主控制室380 V母线I、II段负荷各为100 kW，中央配电室到主控制室电缆长度200 m，截面(3×150＋70) m2。
根据《中国南方电网地区电网继电保护整定原则》计算站用电系统的定值如下：
1)35 kV侧电流I段保护：躲站用变低压侧故障整定IzI＝0.288 kA，变低侧电流26.6 kA，时间定值取0 s切站用变两侧。
2)35 kV侧电流II段：躲站用变额定电流IzII＝17.15 A，CT变比为400/1，II段定值最小值为0.05，因此实际整定IzII＝20 A，换算到变低380 V侧电流1.85 kA，时间定值取0.6 s，保护出口动作切两侧。
3)380 V侧零序电流保护：可按躲不平衡电流整定I0＝375 A，时间定值可参考取2 s，保护出口动作切变压器两侧。
根据设备厂家提供的MVSN厂家资料型号及相关参数380 V进线开关定值表如表1所示。主控室380 V进线开关定值表如表2所示。
定值名称 定值 动作值/kA 动作时间/s 长延时电流Ir 0.6 0.96 2.50(1.44 kA) 长延时跳闸延时tr 0.5 0.96 0.70(5.76 kA) 短延时脱扣Isd 6.0 5.76 0.35(9.60 kA) 短延时跳闸延时tsd 0.4(开) 5.76 0.35(9.60 kA) 瞬时脱扣Ii 10.0 16.00 0.05 接地故障脱扣Ig A — — 接地故障跳闸延时tg 0.4(开) — — Table 1.
Relay protection setting of central power room circuit breaker 定值名称 定值 动作值/kA 动作时间/s 长延时电流Ir 0.4 0.252 2.50(0.378 kA) 长延时跳闸延时tr 0.5 0.252 0.70(1.512 kA) 短延时脱扣Isd 6.0 1.512 0.35(2.52 kA) 短延时跳闸延时tsd 0.4(开) 1.512 0.35(2.52 kA) 瞬时脱扣Ii 4.0 2.520 0.05 接地故障脱扣Ig A — — 接地故障跳闸延时tg 0.4(开) — — Table 2.
Relay protection setting of control ronom circuit breaker
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据图6所示站用电系统的简化接线在Matlab中建立仿真故障模型，如图7所示。利用该模型对光伏接入站用电后站用电系统进行故障仿真，可较真实模仿真光伏接入后对变电站站用电保护的影响。
Figure 7. Matlab simulation model
站用变低压侧三相短路故障，得到仿真计算结果如图8、图9所示波形。虽然光伏电源在主控制室380 V母线接入，但对于站用变低压侧故障时电流影响比较小，站用变低压侧故障时电流约19 kA，380 V进线开关(型号MVS16N)的瞬时脱扣定值16 kA在0.05 s动作，站用变保护II段定值1.85 kA在0.6 s动作，因此原有的保护定值保护能够正确动作。
Figure 8. Short-circuit current of substation transformer 380 V bus after PV access
Figure 9. Feedback current of 380 V bus after PV access
光伏对站用变低压侧故障点的反馈电流大约为180 A，该电流反向流过主控制室380 V进线开关(型号MVS06N)，流经380 V电缆至故障点。该进线开关的长延时保护设置按252 A动作电流设置，因此无法切除故障。可采取由站用变保护发联跳信号至光伏监控装置切除光伏电源。
400 V电缆末端接地三相短路故障，得到仿真计算结果如图10、图11所示波形。虽然光伏电源在主控制室380 V母线接入，但对于400 V电缆末端接地短路故障时，站用变保护测得故障电流影响比较小，站用变保护测得故障电流约2.6 kA，中央配电室的380 V出线开关(型号MVS06N)的瞬时脱扣定值2.52 kA在0.05 s动作，站用变保护II段定值1.85 kA在0.6 s动作，因此原有的保护定值保护能够正确动作。
Figure 10. Short-circuit current of substation transformer 380 V bus after PV access
Figure 11. Feedback current of 380 V bus after PV access
光伏对故障点反馈电流大约为212 A，该电流反向流过主控制室380 V进线开关(型号MVS06N)，流经400 V电缆至故障点。该进线开关(型号MVS06N)的长延时保护设置按252 A动作电流设置，因此无法切除故障。可采取由站用变保护发联跳信号至光伏监控装置切除光伏电源。
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本文主要介绍了500 kV变电站站用电光伏接入后，原站用电系统适应性以及控制研究。主要得出的结论有如下：(1)50 kW光伏的接入，对站用电原来保护系统无影响；(2)站用电系统的站用变低压侧发生故障时，原有站用电保护能够正确动作，不需要增加额外的保护；(3)需对原站用电保护跳闸进行改进，原站用电保护装置、备自投装置动作时，增加联切切光伏电源的回路。
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