并網(wǎng)光伏電站對配電網(wǎng)保護(hù)影響的研究

張愛蘭

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072）

1 引言

光伏電源的接入對配電網(wǎng)的故障電流以及故障切除時間產(chǎn)生影響，其主要與光伏電源的容量和接入地點(diǎn)有關(guān)［1］。與同步發(fā)電機(jī)的故障電流不同，光伏電源提供故障電流取決于光伏逆變器的最大電流和持續(xù)時間限制，其大小一般為1.2到1.5倍的逆變器額定負(fù)載電流。光伏電壓故障電流持續(xù)時間與逆變器的換流方式相關(guān)，采用自換流的光伏逆變器其故障電流持續(xù)時間長于電網(wǎng)換流光伏逆變器。而且光伏電源的接入地點(diǎn)不同，對保護(hù)裝置的影響也不同，下面針對單個光伏電源接入配電線路不同位置時，對配電網(wǎng)保護(hù)動作的影響進(jìn)行分析。

由于分布式電源接入點(diǎn)不同，對各處保護(hù)的影響將不同，分布式電源接入點(diǎn)的情況可以分為饋線始端母線上、饋電線路中間母線上和饋電線路末端母線，光伏電源對配電網(wǎng)保護(hù)的影響可歸納為以下幾點(diǎn)［2］：

（1）相鄰饋線故障時，反向故障電流可能導(dǎo)致本饋線保護(hù)誤動。

（2）光伏電源下游故障時，流過光伏電源下游保護(hù)的故障電流增加，有利于保護(hù)的動作，但可能使下游保護(hù)的電流速斷保護(hù)范圍延伸下一條線路，使電流速斷保護(hù)失去選擇性。

（3）光伏電源上游故障時，流過光伏電源上游保護(hù)的故障電流只由系統(tǒng)提供，此時光伏電源的接入不對上游保護(hù)構(gòu)成影響。

受光照強(qiáng)度和溫度的影響，光伏電源的輸出功率并不是始終恒定的，而是隨時變化的［3］。光伏逆變器在白天直流母線滿足并網(wǎng)要求時，輸出功率按最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）輸出，其在夜間一般處于停運(yùn)狀態(tài)。光伏電站的輸出功率隨機(jī)變化，外部故障時其提供的故障電流，故障電流大小都被限制在2倍的額定電流以內(nèi)，因此當(dāng)配電網(wǎng)中有多個光伏電站或者其他分布式電源接入時，可以考慮采用距離保護(hù)或是基于通信的縱差保護(hù)等其他保護(hù)原理，從而有效地判別電網(wǎng)故障。

2 配電網(wǎng)算例模型

通過查資料可知，光伏電站所在饋線及相鄰饋線發(fā)生故障時，其對各饋線保護(hù)的選擇性、靈敏性、可靠性及自動重合閘裝置的正確動作都有較大的影響［4］，因此本文利用 PSCAD／EMTDC 建立一個10kV配電網(wǎng)算例模型如圖1所示，為研究相鄰饋線發(fā)生故障時光伏電站對所在饋線及相鄰饋線的保護(hù)的影響，所建立的配電網(wǎng)模型由多條饋線構(gòu)成，圖1中饋線3為無故障線路，用于等效于該配網(wǎng)的其他正常并聯(lián)運(yùn)行的饋線［5］。

圖1 配電網(wǎng)算例模型

為進(jìn)行繼電保護(hù)整定計算，需要了解10kV母線的系統(tǒng)等效阻抗，由于中壓配電網(wǎng)經(jīng)過輸電網(wǎng)、高壓配電網(wǎng)連接到發(fā)電廠，距離系統(tǒng)電源的電氣距離比較遠(yuǎn)，因此考慮最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式下的短路容量時沒有太大變化，以并網(wǎng)光伏電站接入的某變電站為例，其最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式的系統(tǒng)阻抗值分別為Xsmax＝0.4248Ω，Xsmin＝0.5100Ω；線路的單位阻抗參數(shù)為 z＝0.27+j0.35Ω／km。如表1所示為配電網(wǎng)每段線路的阻抗值，其中線路AG等效于10條并聯(lián)運(yùn)行的12km饋線；光伏電站的容量為1MW；仿真中負(fù)荷為恒阻抗模型，最大負(fù)荷時每條饋線均帶有3MVA功率因數(shù)為0.9（滯后）的等效負(fù)荷。

表1 配電網(wǎng)線路參數(shù)

3 光伏電站對配電網(wǎng)保護(hù)的影響

下面將對距離光伏電站較遠(yuǎn)處發(fā)生故障時光伏電站公共接入點(diǎn)電壓不低于50%，仿真時認(rèn)為光伏電站在故障前后的光照強(qiáng)度不變，而且取光照強(qiáng)度為1000W／m2故障電流最大的情況進(jìn)行研究，此時光伏逆變型的控制策略是維持故障前后輸出的有功功率和無功功率（無功為0）不變。圖2至圖4分別為光伏電站相鄰饋線10km處發(fā)生三相短路故障時，光伏電站的輸出有功功率、公共接入點(diǎn)電壓、公共接入點(diǎn)電流的波形。從圖中可以看到距光伏電站電氣距離較遠(yuǎn)處發(fā)生三相故障時，電站公共接入點(diǎn)電壓下降為額定電壓的0.86倍，光伏電站輸出功率僅有2.5%的略微減小，此時光伏電站的輸出電流上升到額定電流的1.15倍左右。

圖2 遠(yuǎn)處三相短路時光伏電站輸出有功功率（1000W／m2）

圖3 遠(yuǎn)處三相短路時光伏電站公共接入點(diǎn)電壓（1000W／m2）

圖4 遠(yuǎn)處三相短路時光伏電站公共接入點(diǎn)電流（1000W／m2）

通過大量仿真可以得出結(jié)論，當(dāng)距光伏電站較遠(yuǎn)處發(fā)生故障且電網(wǎng)電壓下降小于50%時，由于光伏逆變器的快速響應(yīng)，將使故障發(fā)生瞬間光伏電站的輸出功率基本保持不變，故障導(dǎo)致光伏電站公共接入點(diǎn)電壓下降后，其供出的電流將與電壓成反比增加，電網(wǎng)電壓降幅小于50%，因而逆變器的輸出電流被限制在2倍的額定電流以內(nèi)。為了計算配電網(wǎng)不同地方發(fā)生短路故障時，光伏電站提供的故障電流大小，以分析其對配電網(wǎng)的短路電流分布做出新的改變，對配電網(wǎng)原有的繼電保護(hù)方案產(chǎn)生的影響。

由上述分析可知，光伏電站接入對配電網(wǎng)保護(hù)的影響程度主要由光伏電站的容量和接入點(diǎn)與故障點(diǎn)的距離決定。因此下面將針對不同接入點(diǎn)情況，在光伏電站的容量發(fā)生改變的時候，對不同的故障點(diǎn)位置系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下發(fā)生三相短路的情況分別進(jìn)行短路電流計算［6］。

3.1 光伏電站的下游發(fā)生故障對保護(hù)2的影響

如圖1所示，選取線路CD段距離C母線5%處K3點(diǎn)發(fā)生故障時，由于光伏電站對故障電流起到助增作用，保護(hù)2的電流速斷保護(hù)范圍會增加，有可能延伸到下一段線路從而失去選擇性。表2是利用PSCAD／EMTDC計算得到光伏電站不同容量時流過保護(hù)2的電流以及光伏電站的故障電流。

圖5所示為K3處發(fā)生故障流過保護(hù)2的故障電流、光伏電站的故障電流和保護(hù)2的電流速斷保護(hù)動作電流，可以看出線路CD的5%處K3點(diǎn)故障時，當(dāng)光伏電站未接入饋線時，則保護(hù)2的保護(hù)范圍未超過BC線路全長，故障位于保護(hù)2電流速斷保護(hù)范圍外。但光伏電站接入母線C之后，隨著注入容量S的增加，流過保護(hù)2的故障電流增大，當(dāng)光伏電站容量大于15.51MW時，流過保護(hù)2的故障電流超過其電流速斷整定值。此時若K3處發(fā)生故障，保護(hù)1、2都將瞬時動作切除線路BC和CD，饋線保護(hù)失去選擇性。

表2 光伏電站下游CD線路5%處發(fā)生故障

圖5 光伏電站下游發(fā)生故障流過保護(hù)2和光伏電站的故障電流

3.2 光伏電站的下游發(fā)生故障對保護(hù)3的影響

同樣算例中保護(hù)3的電流速斷保護(hù)范圍為31.9%的CD線路，當(dāng)保護(hù)范圍外發(fā)生故障（CD線路的70%處）時，經(jīng)過仿真計算得到結(jié)果如圖6所示，當(dāng)光伏電站容量大于6.93MW時，流過保護(hù)3的故障電流會超過保護(hù)3電流速斷的整定值，而當(dāng)光伏電站容量大于35MW時流過保護(hù)2的故障電流大于保護(hù)2的限時電流速斷保護(hù)整定值，使保護(hù)2的電流二段保護(hù)和保護(hù)3失去選擇性。表3所示為光伏電站下游CD線路70%處發(fā)生故障的電流。

圖6 光伏電站下游發(fā)生故障流過保護(hù)3和光伏電站的故障電流

表3 光伏電站下游CD線路70%處發(fā)生故障

3.3 光伏電站的下游發(fā)生故障對保護(hù)1的影響

故障點(diǎn)K2在距母線C為線路BC全長的25%處，故障時流過保護(hù)1的故障電流以及光伏電站故障電流有效值如圖7所示。表4為其故障電流。保護(hù)1的限時電流速斷作為保護(hù)2的遠(yuǎn)后備保護(hù)，應(yīng)在保護(hù)2不能瞬時切除故障時動作，但是光伏電站接入后隨電站容量的增加，流過保護(hù)1的故障電流不斷減小，當(dāng)光伏電站容量超過5.73MW時，流過保護(hù)1的故障電流將小于保護(hù)1的限時速斷整定值，此時保護(hù)1可能無法作為保護(hù)2的后備保護(hù)。

圖7 光伏電站下游發(fā)生故障流過保護(hù)1和光伏電站的故障電流

4 結(jié)論

光伏電源（FV）發(fā)電作為一種新興的高效、環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，近年來獲得飛速發(fā)展。然而大量FV的并網(wǎng)運(yùn)行，將深刻影響配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及配電網(wǎng)中短路電流的大小和流向，給配電網(wǎng)的繼電保護(hù)帶來諸多不利影響。

表4 光伏電站下游BC線路25%處發(fā)生故障

本文結(jié)合相關(guān)理論并通過仿真驗(yàn)證，分析了光伏電站下游發(fā)生故障時對饋線1各個保護(hù)的影響，光伏電站下游的電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍會增大，嚴(yán)重時會延伸到下一條線路上，與下一條線路的電流速斷保護(hù)沖突，失去選擇性；限時電流速斷保護(hù)和下級線路保護(hù)的過流保護(hù)可能失去選擇性。

同時可以看出，F(xiàn)V對配電網(wǎng)影響與FV容量大小有關(guān)，并入系統(tǒng)的FV容量不宜過大，在FV容量較大時，為盡量避免這種不良影響，可以事先校驗(yàn)各極端情況下的電流保護(hù)定值等，必要時還可以考慮為電流保護(hù)加設(shè)方向元件，有益于分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)中的推廣和應(yīng)用。

［1］趙 彥，程 虹，羅路平.光伏電源接入配電網(wǎng)對饋線繼電保護(hù)的影響［J］.江西電力，2010，（3）.

［2］周 衛(wèi)，張 堯，夏成軍，王 強(qiáng).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，2010，2（1）.

［3］張琪祁.大型光伏電站接入電網(wǎng)的技術(shù)和特性研究［D］.浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文.2011.

［4］趙 平，嚴(yán)玉廷.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)影響的研究［J］.電氣技術(shù)，2009，（3）.

［5］鐘慧榮，蔣秀潔.PSCAD在電力系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008：72-75.

［6］曹景亮.分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響研究［D］.華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008.