光伏電源對IEEE 34節(jié)點測試饋線過電流保護(hù)的影響

張澤云，黃家棟，段曉波

（1.華北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.河北省電力研究院，河北 石家莊 050021）

配電網(wǎng)接入多個光伏電源以后，短路電流將會增大，這可能導(dǎo)致電流保護(hù)之間的配合存在問題，使某些保護(hù)出現(xiàn)拒動或誤動，而且過大的短路電流還會影響熔斷器和重合器的正常工作。另外，未接入光伏電源之前的配電網(wǎng)一般是輻射狀的網(wǎng)絡(luò)，其保護(hù)不具有方向性，而接入光伏發(fā)電系統(tǒng)以后，整個配電網(wǎng)變成雙電源或多電源系統(tǒng)，系統(tǒng)潮流的流向具有不確定性[1-3]。本文目的是驗證當(dāng)光伏電源接入配電網(wǎng)后，電網(wǎng)發(fā)生故障時，對重合器和熔斷器的協(xié)調(diào)性影響。

1 IEEE 34節(jié)點測試饋線保護(hù)配置

用于研究的配電網(wǎng)模型是IEEE 34節(jié)點測試饋線，如圖1所示。它有多個單相支線和三相支線、2個電壓調(diào)節(jié)器、2個電容器組（分別在節(jié)點32和34）、1個4.16 kV的低電壓支線（節(jié)點23和24所在的支線），電路的其余部分電壓等級是24.9 kV。連接到節(jié)點1的變電站變壓器（圖1中沒有顯示），其變比為69 kV/24.9 kV，額定容量是2 500 kV·A。饋線總負(fù)載大約是2 060 kV·A，功率因數(shù)為0.86[4-5]。

為了研究光伏電源對配電網(wǎng)過電流保護(hù)設(shè)備的影響，在IEEE 34節(jié)點測試饋線上加入12個熔斷器和1個重合器，圖2顯示的是含重合器和熔斷器的IEEE 34節(jié)點測試饋線示意圖。節(jié)點1處安裝重合器，重合器整定為一快兩慢，快速分閘的時間值乘以1.2的K修正因子[6]。每個支線由始端熔斷器來保護(hù)，但支線6除外，該支線上有變壓器，其變比為24.9 kV/4.16 kV,額定容量是500 kV·A，變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)都裝有熔斷器。電容器組的保護(hù)也由熔斷器來完成。

圖1 IEEE 34節(jié)點測試饋線示意圖

圖2 具有過電流保護(hù)設(shè)備的IEEE 34節(jié)點測試饋線

表1所示為PSCAD仿真的和IEEE 34節(jié)點基準(zhǔn)情況下每個節(jié)點處的故障電流相關(guān)誤差數(shù)據(jù)，對于電路中的三相節(jié)點，仿真4種故障情況：三相接地、單相接地、兩相接地和經(jīng)阻抗接地的單相接地。對于單相節(jié)點，仿真2種故障情況：單相接地和接地電阻為15贅的單相接地。從表1中可以看出，仿真的最大誤差和平均誤差均是合理的。

表1 和IEEE基準(zhǔn)情況對比的故障電流誤差

2 光伏電源模型

光伏電源系統(tǒng)一般由光伏陣列、控制器、逆變器和蓄電池組組成，逆變器是其控制核心。光伏電源對電網(wǎng)故障的響應(yīng)主要取決于逆變器的控制方式，一般逆變器的控制方式有2種：電壓型和電流型。電壓控制策略進(jìn)入故障穩(wěn)態(tài)較快，但沖擊電流較大，而電流控制策略沖擊電流較小，進(jìn)入故障穩(wěn)態(tài)較慢。2種控制方式都可以通過對逆變器的快速調(diào)整，大約2周波后輸出的有功和無功功率都將達(dá)到故障后的穩(wěn)態(tài)并與故障前相同[7]，故可以在計算短路電流時，假定光伏電源在故障后輸出功率不變，故障引起光伏電源接入點電壓下降后，其供出的電流將與電壓成反比，可用一個受控電流源來代替光伏電源接入IEEE 34節(jié)點系統(tǒng)。

實際中要求光伏電源具有穿透一定故障的能力，而不是立即和電網(wǎng)斷開，以防止發(fā)電量損失甚至產(chǎn)生更壞的影響。本文采用光伏電源通過變壓器連到電網(wǎng)上。考慮到并網(wǎng)變壓器的聯(lián)接形式會對保護(hù)產(chǎn)生影響，接地和不接地連接的變壓器都存在優(yōu)缺點，正如文獻(xiàn)[8]所描述的，高壓側(cè)不接地的并網(wǎng)變壓器接入電網(wǎng)，使得單相接地故障的檢測復(fù)雜化，但是普通的d/Y0聯(lián)接方式可以提供接地故障電流，同樣也會對電網(wǎng)保護(hù)產(chǎn)生影響。綜合考慮這2方面，光伏電源并網(wǎng)變壓器聯(lián)接方式采用d/d，其容量和光伏電源容量相等。

在PSCAD中搭建光伏電源的等效模型，三相交流受控電流源，其所輸出的電流幅值和相位均可控制，幅值根據(jù)恒功率模型來確定，在受控電流源和并網(wǎng)變壓器的低壓側(cè)之間設(shè)置一個實時電壓測量器，可以測得受控電流源的端電壓Upv，再用一個除法器將光伏電源的容量除以端電壓Upv，就可以得到光伏電源所輸出的電流值。光伏電源接入位置可假定在變電站近端或遠(yuǎn)端，電壓調(diào)節(jié)器近端和主饋線的支線上，詳盡的被測試的連接點是節(jié)點2、28、34、8、19、29和24。每個光伏電源的初始容量是饋線總負(fù)載容量的20%，即為400 kW，增加光伏電源的容量直到對電網(wǎng)過電流保護(hù)設(shè)備的協(xié)調(diào)性產(chǎn)生影響。

3 仿真結(jié)果

每個保護(hù)設(shè)備設(shè)置2種故障，一種是在設(shè)備下游的近端，另一種是在保護(hù)下游盡可能遠(yuǎn)的地方，這2種故障位置用于區(qū)分某種故障條件下流過保護(hù)的短路電流，故障點離保護(hù)越近，流過保護(hù)的電流越大。對于三相支線，無接地阻抗的三相接地故障作為最大故障，接地阻抗為15贅的A相接地故障作為最小故障；對于單相支線，僅發(fā)生單相接地故障，無接地阻抗的單相接地故障作為最大故障，接地阻抗為15贅的單相接地故障作為最小故障。

理論上來說，光伏電源的接入會導(dǎo)致故障電流增加，但這并不意味著流過每個支線上的故障電流都增加。例如，在節(jié)點34處的三相故障，當(dāng)20%饋線總負(fù)載容量的光伏電源接入節(jié)點24時，流過支線8上的所有分支故障電流都會增加，然而，連接節(jié)點15-16的支線，當(dāng)無光伏電源接入時，其故障電流為209.97 A，當(dāng)接入光伏電源后，故障電流為207.83 A。表2所示的是在節(jié)點24處接入光伏電源，某些節(jié)點處的三相接地故障的最大故障電流變化，可以看出當(dāng)故障發(fā)生在光伏電源并網(wǎng)點時，增加的故障電流最多。

表2 節(jié)點24處接入光伏電源的三相故障電流

重合器和熔斷器的動作特性曲線具有反時限特性，流過它們的故障電流越大，它們的動作時間就越短。這樣接入光伏電源后，故障電流和配合時間都可能改變。對先前假定的幾種故障情況進(jìn)行比較，來檢查光伏電源接入情況下保護(hù)之間的協(xié)調(diào)性，除了電容器組的熔斷器和熔斷器F6外（熔斷器F6設(shè)計成在重合器跳閘之前熔斷），比較重合器的快速跳閘時間和熔斷器的最小熔斷時間，檢驗重合器是否先動作。發(fā)生瞬時故障時，動作順序是正確的。對于永久性故障，需比較熔斷器的最大熔斷時間和重合器的慢速跳閘時間，假設(shè)熔斷器在重合器閉鎖合閘之前熔斷，研究只得到了一些初步的結(jié)果。表3所示是節(jié)點34處發(fā)生接地阻抗15贅的單相接地故障時，在某些節(jié)點接入光伏電源，重合器-熔斷器F8的協(xié)調(diào)時間的變化。由于接入光伏電源，重合器和熔斷器的動作時間間隔下降了，但節(jié)點34情況例外，因為光伏電源接入節(jié)點34時和熔斷器F8在相同支線上，不過熔斷器F8和重合器對于所有情況仍然保持協(xié)調(diào)。

表3 節(jié)點34處單相故障時重合器-熔斷器F8協(xié)調(diào)時間

一般除了光伏電源所在支線的熔斷器保護(hù)和電容器組的熔斷器協(xié)調(diào)時間間隔增加外，其他熔斷器的協(xié)調(diào)時間間隔減小。一個主要的不利影響是在節(jié)點24處接入光伏電源，會使任何保護(hù)設(shè)備在支線6有最小故障時不動作。

光伏電源也可能產(chǎn)生關(guān)于保護(hù)協(xié)調(diào)性的2個主要問題。如果光伏電源在某個保護(hù)設(shè)備的下游，且故障發(fā)生在光伏電源的下游，光伏電源可以提供足夠的故障電流，使其上游的保護(hù)設(shè)備檢測不到故障。例如，80%饋線總負(fù)載容量的光伏電源接入節(jié)點8時，節(jié)點28處的最小故障不會使重合器分閘。對于20%饋線總負(fù)載容量的光伏電源情況，可以觀察到僅支線6上的保護(hù)設(shè)備不動作。在節(jié)點24處接入的光伏電源使最小故障情況下的任何保護(hù)設(shè)備不動作，還使節(jié)點24處三相接地故障時重合器不分閘。

如果光伏電源連接到保護(hù)設(shè)備的下游，故障發(fā)生在保護(hù)的上游時，光伏電源向保護(hù)設(shè)備提供反向故障電流，反向的故障電流可能使熔斷器熔絲熔斷，擴(kuò)大停電范圍。在PSCAD搭建的仿真電路中，若光伏電源放置在三相支線上時，會出現(xiàn)這種情況。在支線8（節(jié)點34處）光伏電源大約40%的滲透水平下，節(jié)點25處故障時，熔斷器F8會在重合器的慢速跳閘之前開始熔化。同樣20%的光伏電源連接到節(jié)點24，在節(jié)點20處發(fā)生故障時，熔斷器F5也會在重合器的慢速跳閘之前開始熔化。解決這種問題的可行方法是在熔斷器處增加具有方向性的設(shè)備。一個更不利的失調(diào)情況是在節(jié)點28處接入48%的光伏電源，當(dāng)節(jié)點34處發(fā)生三相接地故障時，熔斷器F8會在重合器快速分閘之前開始熔化。對于這種情況，需要求光伏在熔斷器熔斷之前，從電網(wǎng)斷開（注：這里的百分?jǐn)?shù)是指光伏電源容量與饋線總負(fù)載容量的比值）。

4 結(jié)語

在PSCAD中建立IEEE 34節(jié)點測試饋線模型，在選擇的節(jié)點處接入光伏電源改變了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，光伏電源注入的短路電流使原網(wǎng)絡(luò)的短路數(shù)據(jù)改變，短路電流的幅值變化取決于光伏電源的容量和位置。在某些接入位置或滲透水平下，光伏電源會影響保護(hù)設(shè)備的協(xié)調(diào)性。此外，接入一定的光伏電源導(dǎo)致熔斷器流過反向電流，可能使一些保護(hù)誤跳閘，并且一些光伏電源也可能導(dǎo)致某些保護(hù)不動作。因此，在節(jié)點24處接入光伏電源所遇到的問題并不是完全不能預(yù)料到的。盡管在本次研究中遇到的問題是相對局限的，或者僅在有大光伏電源滲透水平下才出現(xiàn)，一些協(xié)調(diào)問題和結(jié)果仍需要被進(jìn)一步研究和驗證。

[1]張超,計建仁,夏翔,等.分布式發(fā)電對配電網(wǎng)饋線保護(hù)的影響[J].繼電器，2006，34（13）:9-12.

[2]高研,畢銳,楊為,等.分布式發(fā)電對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（4）:20-23.

[3]周衛(wèi),張堯,夏成軍,等.分布式發(fā)電對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38（3）:1-5.

[4]KERSTING W H.Radial Distribution Test Feeders[C]//Proc IEEE Power Engineering Society Winter Meeting,Columbus，USA，2001，2：908-912.

[5]KERSTING W H.Radial distribution test feeders[J].Power Systems，IEEE Transactions on,IEEE Power& Energy Society，1991,6（3）:975-985.

[6]WAYNE M Z.Electrical Distribution System Protection[M].3 rd ed.[S.l.]:Cooper Power Systems,2005.

[7]BARAN M E，MARKABY-EI.Fault Analysis on Distribution Feeders With Distributed Generators[J].Power Systems，IEEE Transactions on，2005，20（40）:1757-1764.

[8]曹景亮.分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響研究[M].武漢:華中科技大學(xué),2008.