光伏并網(wǎng)發(fā)電對(duì)保護(hù)及重合閘的影響與對(duì)策

李 斌，袁 越

（1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.青海大學(xué) 水利電力學(xué)院，青海 西寧 810016）

0 引言

近年來(lái)，光伏發(fā)電已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注?！肚嗪Ｊ√?yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展及推廣應(yīng)用規(guī)劃》將光伏產(chǎn)業(yè)列為青海省的第五大支柱產(chǎn)業(yè)。計(jì)劃到2020年，形成7500 MW的光伏并網(wǎng)發(fā)電容量。

隨著光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)，供電模式將有所改變，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，光伏電源將對(duì)故障點(diǎn)提供故障電流，影響配電網(wǎng)保護(hù)裝置的正常運(yùn)行[1-5]。文獻(xiàn)[6]提出了限制注入容量的方法，但是隨著光伏發(fā)電應(yīng)用的日益廣泛，其注入的容量也越來(lái)越大，這種方法無(wú)法滿足未來(lái)光伏發(fā)電發(fā)展的要求。文獻(xiàn)[7]提出采用加裝方向元件的方法，但光伏發(fā)電出力隨自然條件變化隨機(jī)波動(dòng)，可能出現(xiàn)故障時(shí)流過(guò)方向元件的短路電流太小，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作不正確。

目前，光伏發(fā)電的研究以光伏系統(tǒng)本身以及對(duì)外部電網(wǎng)的影響[8-16]為主。本文建立光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型，分析并網(wǎng)對(duì)保護(hù)及重合閘的影響。在傳統(tǒng)保護(hù)配置的基礎(chǔ)上，提出2種含光伏發(fā)電配電網(wǎng)饋線保護(hù)的新方案。隨著光伏電源的接入和光伏電源輸出功率的變化，2種方案能在系統(tǒng)電源與光伏電源之間的線路上實(shí)現(xiàn)故障的可靠快速切除。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、逆變器及交流電路組成，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三相光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Configuration of three-phase PV power generation system

1.1 光伏陣列模型

光伏陣列由光伏組件組成，其輸出電流為：

其中，U、Ip為光伏陣列的輸出電壓和電流；N、M為光伏組件串的串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)數(shù)；Il為單位光伏組件產(chǎn)生的光電流；I0為二極管反向飽和電流；A為光伏組件的理想因子；Rs、Rsh為單位光伏組件的串聯(lián)和并聯(lián)阻抗；k為玻爾茲曼常數(shù)；q為電荷常數(shù)；Tp為電池表面溫度。

1.2 逆變器模型

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用電壓源逆變器，根據(jù)圖1由KCL和KVL得到以下方程：

其中，ua、ub、uc為交流母線電壓基波分量；ia、ib、ic為逆變器三相輸出電流；r、l為逆變器交流電路等值電阻、電抗；ω為系統(tǒng)基波角速度；uf為逆變器輸出電壓的基波量；δ為u和uf之間的相角差。

1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)采用電流和電壓協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)，電壓控制單元以光伏陣列電壓與參考值的差值為輸入信號(hào)，來(lái)確定電流控制單元電流輸入信號(hào)；電流控制單元實(shí)現(xiàn)逆變器與系統(tǒng)電流的跟蹤控制；鎖相環(huán)（PLL）實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓相位的跟蹤，為逆變器提供控制信號(hào)；最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）負(fù)責(zé)最大功率點(diǎn)的確定，完成PWM以控制逆變器?？刂瓶驁D見圖2。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Block diagram of PV power generation system control

2 含光伏電源配電系統(tǒng)的故障特性

光伏電源通過(guò)逆變控制裝置接入電網(wǎng)，可改善傳統(tǒng)電機(jī)直接并網(wǎng)帶來(lái)的問(wèn)題。光伏并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)采用電流型PQ控制方式，通過(guò)調(diào)整逆變器輸出的電流使輸出的有功和無(wú)功達(dá)到設(shè)定值。系統(tǒng)發(fā)生故障瞬間有一個(gè)暫態(tài)過(guò)程，該過(guò)程輸出功率變大，短時(shí)后輸出的有功和無(wú)功回到給定的參考值。故障后光伏電壓接入點(diǎn)的電壓降低，輸出電流與故障前相比變大。圖3所示母線B處接有光伏配電系統(tǒng)，針對(duì)故障前后光伏電源輸出電流的不同，根據(jù)電路替代定理用電流源來(lái)代替不同狀態(tài)下的光伏電源，其中電流源的值即為相應(yīng)狀態(tài)下光伏電源的輸出電流。當(dāng)線路AB的 f點(diǎn)發(fā)生故障，用電流源IPV代替光伏電源，IPV即為故障后某狀態(tài)下光伏電源的輸出電流。

圖3 接有光伏電源的配電系統(tǒng)Fig.3 Distribution system with PV power generation system

3 光伏發(fā)電對(duì)保護(hù)及重合閘的影響

3.1 對(duì)保護(hù)及重合閘前加速的影響

3.1.1 倒送短路電流

如圖4所示，當(dāng)相鄰饋線發(fā)生故障時(shí)，光伏電源通過(guò)母線向故障點(diǎn)提供反向短路電流I。由于斷路器1與2配備的保護(hù)不具有識(shí)別故障方向的能力，會(huì)引起斷路器1與2的保護(hù)誤動(dòng)作，造成光伏電源所在線路中斷供電。根據(jù)保護(hù)的要求，相鄰線路故障光伏電源產(chǎn)生的短路電流不應(yīng)啟動(dòng)速斷保護(hù)1，即保護(hù)整定值滿足下列條件：

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)倒送短路電流Fig.4 Inverse short circuit current from PVpower generation system

其中，Iset1為保護(hù)1電流速斷保護(hù)的整定值。

斷路器1與2的過(guò)電流保護(hù)有一定的時(shí)延，可從時(shí)間上與故障線路斷路器3的速斷保護(hù)相配合。若故障是瞬時(shí)性的，相鄰線路重合閘重合后，線路恢復(fù)正常運(yùn)行；若故障是永久性的，故障線路的電流速斷保護(hù)被重合閘閉鎖，由過(guò)電流保護(hù)有選擇性地切除故障；若故障發(fā)生在近母線處，斷路器3的過(guò)電流保護(hù)需較長(zhǎng)延時(shí)t動(dòng)作，t大于斷路器1或2的過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，造成斷路器1或2先于3動(dòng)作跳閘，中斷了健康線路的正常供電。因此，要求下式成立：

其中，Imin為斷路器1和2過(guò)電流保護(hù)的整定值中的較小值。

當(dāng)相鄰線路故障時(shí)，光伏電源提供的最大反向短路電流應(yīng)滿足式（6）。對(duì)于發(fā)生故障的饋線斷路器3的保護(hù)而言，其感受到的電流為系統(tǒng)和光伏電源共同提供的總故障電流，其值大于光伏電源接入前只有系統(tǒng)提供的故障電流，若故障線路為終端線，此影響是有利的，保護(hù)更加靈敏。

3.1.2 降低線路保護(hù)靈敏度

如圖5所示，光伏電源PV1接在變電站附近，重合閘裝置安裝在變電站處，光伏電源PV2接在轉(zhuǎn)送的終端線路上。

圖5 降低線路保護(hù)靈敏度Fig.5 Reduction of line protection sensitivity

若故障發(fā)生在k1，系統(tǒng)側(cè)保護(hù)1的電流速斷保護(hù)動(dòng)作切除故障，然后保護(hù)1的重合閘前加速進(jìn)行重合以恢復(fù)供電，由電路原理知，PV1的接入減小了保護(hù)1檢測(cè)到的故障電流，從而降低其動(dòng)作靈敏度，嚴(yán)重時(shí)保護(hù)可能會(huì)拒動(dòng)。接入PV1后，線路發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)1所檢測(cè)到的最小短路電流I1應(yīng)能使保護(hù)1的電流速斷保護(hù)可靠動(dòng)作，以滿足重合閘前加速方式下故障瞬時(shí)切除的特性。根據(jù)電網(wǎng)短路故障特性，線路末端發(fā)生兩相短路故障時(shí)，短路電流I1最小，要求滿足下式：

其中，Iset1為保護(hù)1的電流速斷保護(hù)的整定值。

PV2的接入對(duì)保護(hù)1動(dòng)作行為沒(méi)有影響，對(duì)保護(hù)2提供反向短路電流，對(duì)保護(hù)2的影響同3.1.1節(jié)，即要求滿足式（5）、（6）。

若故障發(fā)生在下游k2，系統(tǒng)側(cè)保護(hù)1的電流速斷保護(hù)動(dòng)作切除故障，然后保護(hù)1的重合閘前加速進(jìn)行重合以恢復(fù)供電。對(duì)于保護(hù)1而言，PV1、PV2的接入降低了保護(hù)的靈敏度，要求滿足式（7）；如果斷路器1跳閘后，由重合閘前加速進(jìn)行重合以恢復(fù)供電，若重合于永久性故障，則保護(hù)2的過(guò)電流保護(hù)應(yīng)能可靠動(dòng)作，以切除故障。如果配電線路上只接有1臺(tái)PV1，此時(shí)PV1所產(chǎn)生的故障電流使保護(hù)2過(guò)電流保護(hù)檢測(cè)到的故障電流增大，其可靠性增加，故對(duì)PV1提供的短路電流沒(méi)有限制。若接PV2或多臺(tái)光伏電源，故障發(fā)生時(shí)，則由系統(tǒng)電源、PV1、PV2提供的流過(guò)保護(hù)1和保護(hù)2的短路電流I1和I2的變化無(wú)法確定，所以I2還需滿足下式：

其中，Iset2為保護(hù)2的過(guò)電流保護(hù)整定值。

3.2 對(duì)保護(hù)及重合閘后加速的影響

3.2.1 引起正常運(yùn)行線路的保護(hù)誤動(dòng)作

如圖6所示，相鄰線路發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)重合閘后加速方式下保護(hù)整定原則，保護(hù)3的定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作切除故障，由于保護(hù)3的定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的整定時(shí)間可能大于保護(hù)1和保護(hù)2的過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作整定時(shí)間，使得保護(hù)1和保護(hù)2在光伏電源提供的反向短路電流作用下引起誤動(dòng)。為協(xié)調(diào)保護(hù)之間的配合關(guān)系，要求光伏電源提供的短路電流I應(yīng)滿足下式：

其中，Imin為保護(hù)1和保護(hù)2的定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)定值中的較小值。

圖6 光伏發(fā)電系統(tǒng)引起正常運(yùn)行線路保護(hù)誤動(dòng)作Fig.6 Misoperation of up-level normal line protection caused by PV power generation system

若發(fā)生瞬時(shí)性故障，則斷路器3重合后線路恢復(fù)正常運(yùn)行；若發(fā)生永久性故障，重合后瞬時(shí)跳閘，由于保護(hù)1和保護(hù)2的過(guò)電流保護(hù)的延時(shí)性，此時(shí)光伏電源提供的反向短路電流不會(huì)對(duì)保護(hù)1和保護(hù)2的過(guò)電流保護(hù)產(chǎn)生影響。

3.2.2 引起上游線路的保護(hù)拒動(dòng)

圖7 光伏發(fā)電系統(tǒng)引起上游保護(hù)的拒動(dòng)Fig.7 Refuse-to-trip of up-level protection caused by PV power generation system

如圖7所示，若故障發(fā)生在k2點(diǎn)，根據(jù)電路原理，可得保護(hù)2檢測(cè)到的短路電流增大，而保護(hù)1檢測(cè)到的短路電流減小，這就使得保護(hù)2的動(dòng)作靈敏性增大，而保護(hù)1的靈敏性降低。根據(jù)重合閘后加速的原理，光伏電源的接入更有利于重合閘后加速方式下保護(hù)之間的協(xié)調(diào)。若故障發(fā)生在k1點(diǎn)，光伏電源的接入使保護(hù)1檢測(cè)到的故障電流減小，當(dāng)光伏電源容量足夠大時(shí)，就可能使保護(hù)1的過(guò)電流保護(hù)無(wú)法啟動(dòng)。因此，短路電流應(yīng)滿足下式：

其中，I′set1為保護(hù)1的定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的整定值。

3.2.3 引起下游線路保護(hù)誤動(dòng)作

如圖8所示，在重合閘后加速方式下，故障發(fā)生在k1點(diǎn)時(shí)，根據(jù)保護(hù)1和保護(hù)2的過(guò)電流保護(hù)整定時(shí)間上的配合關(guān)系，保護(hù)1的過(guò)電流動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)。在這段時(shí)間內(nèi)，保護(hù)2過(guò)電流保護(hù)極有可能在光伏電源的作用下動(dòng)作而跳閘，從而擴(kuò)大事故的影響范圍。此時(shí)對(duì)光伏電源提供的短路電流限制為：

其中，Iset2為保護(hù)2的過(guò)電流保護(hù)整定值。

圖8 光伏發(fā)電系統(tǒng)引起下游保護(hù)的誤動(dòng)作Fig.8 Misoperation of down-level protection caused by PV power generation system

4 含光伏電源配電網(wǎng)保護(hù)方案

4.1 保護(hù)方案1

如圖9所示，根據(jù)光伏電源接入的位置將饋線2分成2個(gè)區(qū)域：光伏電源上游區(qū)域，由線路AB和BC組成；光伏電源下游區(qū)域，由線路CD和DE組成。上游區(qū)域加裝斷路器5和保護(hù)裝置5，下游區(qū)域需加裝斷路器3和保護(hù)裝置3。

圖9 方案1Fig.9 Scheme 1

為了能在發(fā)生故障時(shí)較快地切除故障，以減小短路對(duì)光伏電源的破壞，引入反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。該保護(hù)克服了短路點(diǎn)越靠近電源，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)的缺點(diǎn)。整定原則：在最大運(yùn)行方式下，下一級(jí)線路出口短路時(shí)，上一級(jí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限要比下一級(jí)保護(hù)高一個(gè)時(shí)間階梯Δt，保證其他運(yùn)行方式下保護(hù)動(dòng)作時(shí)限均能滿足選擇性要求。k4點(diǎn)發(fā)生短路，保護(hù)4整定為瞬時(shí)動(dòng)作，保護(hù)3動(dòng)作時(shí)限比保護(hù)4高出一個(gè)時(shí)間階梯Δt。當(dāng)光伏電源輸出功率變小或退出運(yùn)行時(shí)，保護(hù)3和保護(hù)4能夠可靠配合。k3點(diǎn)短路時(shí)，保護(hù)2的動(dòng)作時(shí)限比保護(hù)3高出一個(gè)時(shí)間階梯Δt，當(dāng)光伏電源接入以后，保護(hù)2和保護(hù)3能夠滿足選擇性要求。保護(hù)1處的反時(shí)限保護(hù)，按照相同方法與保護(hù)2進(jìn)行時(shí)限上的配合。

當(dāng)系統(tǒng)和光伏電源同時(shí)存在時(shí)，在保護(hù)1、2、5處加裝功率方向元件，保證各保護(hù)之間動(dòng)作的選擇性。保護(hù)安裝地點(diǎn)附近正方向發(fā)生三相短路，由于母線電壓降低至零，方向元件失去判別依據(jù)，導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)，方向電流保護(hù)存在動(dòng)作的“死區(qū)”。因此，在光伏電源上游區(qū)域保護(hù)1和5處配置方向比較式縱聯(lián)保護(hù)，它可以快速地切除保護(hù)范圍內(nèi)部的各種故障?？紤]到光伏電源上游區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，光伏電源輸出功率較小或已退出運(yùn)行，導(dǎo)致方向比較式縱聯(lián)保護(hù)5處方向元件靈敏度不足，在保護(hù)5處配置弱饋保護(hù)。在保護(hù)1和5處設(shè)置重合閘功能，采用重合閘前加速保護(hù)方式，利用重合閘提供的條件加速切除故障。如果光伏電源上游區(qū)域故障是瞬時(shí)性的，重合閘動(dòng)作之后就恢復(fù)供電；如果故障是永久性的，故障由過(guò)電流保護(hù)1或2有選擇性地切除。保護(hù)1配置一般重合閘，保護(hù)5的重合閘功能在保護(hù)1判定為瞬時(shí)性故障時(shí)由保護(hù)1來(lái)啟動(dòng)，此時(shí)光伏電源存在，保護(hù)5重合閘需檢同期。對(duì)于饋線1，按照傳統(tǒng)的重合閘前加速或后加速方式的電流保護(hù)進(jìn)行配置。保護(hù)動(dòng)作行為：光伏電源上游區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，方向比較式縱聯(lián)保護(hù)兩側(cè)的方向元件判斷為正方向，認(rèn)為發(fā)生了區(qū)內(nèi)故障，可靠動(dòng)作斷開保護(hù)1處和保護(hù)5處的斷路器。隨后保護(hù)1處斷路器快速重合，如果是瞬時(shí)性故障，重合后故障消失，接著保護(hù)5處斷路器重合，恢復(fù)對(duì)整條饋線的供電。如果是永久性故障，由保護(hù)1處和保護(hù)2處的反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)選擇性動(dòng)作切除故障。光伏電源輸出功率變小或退出運(yùn)行，導(dǎo)致保護(hù)5處的方向元件靈敏度降低，由于保護(hù)5處裝設(shè)了弱饋保護(hù)，可保證弱電源側(cè)可靠動(dòng)作。

當(dāng)光伏電源下游區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，以重合閘前加速方式為例，首先保護(hù)3處的電流速斷保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，隨后重合。如果是瞬時(shí)性故障，重合后故障將消失；如果是永久性故障，則由保護(hù)4處或保護(hù)3處的反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)選擇性動(dòng)作切除故障。光伏電源下游的反時(shí)限保護(hù)按光伏電源的最大出力來(lái)進(jìn)行配合，當(dāng)光伏電源的輸出功率變小或退出運(yùn)行時(shí)，光伏電源下游發(fā)生故障后有選擇性地動(dòng)作，不受光伏電源輸出功率變化的影響。

相鄰饋線1發(fā)生故障時(shí)，光伏電源上游區(qū)域加設(shè)了方向元件，保護(hù)1和保護(hù)2不會(huì)誤動(dòng)作。

保護(hù)5動(dòng)作可能形成孤島，含光伏電源的配電網(wǎng)與主配電網(wǎng)分離后，繼續(xù)向所在的獨(dú)立配電網(wǎng)輸電，形成的孤島對(duì)系統(tǒng)、用戶設(shè)備、維護(hù)人員等造成危害，運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)的供需不平衡損害電能質(zhì)量，降低配電網(wǎng)供電可靠性。配電網(wǎng)需有事先策略來(lái)應(yīng)付孤島的出現(xiàn)，對(duì)此可進(jìn)行孤島的劃分，以維持孤島內(nèi)功率平衡以及電壓頻率的穩(wěn)定。孤島是光伏并網(wǎng)出現(xiàn)的一種新的運(yùn)行方式。

4．2 保護(hù)方案2

在光伏電源上游線路兩端電流保護(hù)加裝方向元件，借助兩端通信的方法來(lái)滿足選擇性要求。如圖10所示，對(duì)光伏電源上游的線路、電源側(cè)裝設(shè)兩段式方向電流保護(hù)，對(duì)側(cè)不裝設(shè)保護(hù)。

圖10 方案2Fig.10 Scheme 2

方向電流保護(hù)Ⅰ段電流定值IⅠset按照系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下線路末端短路動(dòng)作的原則整定，動(dòng)作時(shí)間 tI=0 s，即：

其中，Krel取 0.9；Ik，min為線路末端短路的最小短路電流。

方向電流保護(hù)Ⅱ段電流定值IⅡset按照躲開負(fù)荷電流的原則整定，動(dòng)作時(shí)限取階梯型，與常規(guī)的電流Ⅲ段整定原則相同。

如圖11所示，保護(hù)Ⅰ段與相鄰饋線保護(hù)Ⅰ段構(gòu)成通信單元，相鄰饋線Ⅰ段保護(hù)不動(dòng)作開放本地饋線Ⅰ段保護(hù)，反之，閉鎖本地饋線Ⅰ段。本地饋線Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作且收不到閉鎖信號(hào)就判為內(nèi)部故障，跳開本側(cè)斷路器同時(shí)發(fā)送遙控信息到對(duì)端，使對(duì)側(cè)斷路器也跳閘，將故障隔離。

光伏電源上游最末線路末端需裝設(shè)方向元件，將線路的兩側(cè)保護(hù)構(gòu)成通信單元，當(dāng)出口保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作且末端功率方向?yàn)檎龝r(shí)，判為本地線路故障，跳開兩側(cè)斷路器。光伏電源下游保護(hù)按三段式電流保護(hù)助增情況整定。

圖11 方案2的動(dòng)作原理框圖Fig.11 Schematic diagram of scheme 2

保護(hù)動(dòng)作行為：k1點(diǎn)故障時(shí)，保護(hù)1功率方向?yàn)檎?，電流Ⅰ段?dòng)作；保護(hù)2功率方向?yàn)樨?fù)，方向電流保護(hù)不動(dòng)作，不給保護(hù)1發(fā)閉鎖信號(hào)；保護(hù)1跳閘，同時(shí)發(fā)送遙控信息控制斷路器2跳閘，將故障隔離。k2點(diǎn)故障，保護(hù)1和保護(hù)2方向電流Ⅰ段動(dòng)作，保護(hù)3功率方向?yàn)樨?fù)，方向電流保護(hù)不動(dòng)作；保護(hù)2給保護(hù)1發(fā)閉鎖信號(hào)，保護(hù)1不動(dòng)作；保護(hù)3不向保護(hù)2發(fā)送閉鎖信號(hào)，保護(hù)2判為內(nèi)部故障，斷開BC兩側(cè)斷路器，將故障隔離。同理，k3點(diǎn)故障時(shí)，保護(hù)2方向電流Ⅰ段動(dòng)作，保護(hù)4功率方向?yàn)檎?，判為線路CD內(nèi)部故障，斷開兩側(cè)斷路器，將故障隔離。

當(dāng)有多個(gè)光伏電源接入時(shí)，保護(hù)的配置以及整定分析方法類似。本文提出的2種保護(hù)方案能有效解決文獻(xiàn)[6-7]中提到的保護(hù)問(wèn)題。

5 算例分析

10kV配電網(wǎng)參數(shù)為SB=600 MV·A，UB=10.5 kV；架空線路的參數(shù)為 r1=0.27 Ω ／km，x1=0.347 Ω ／km，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處接入額定容量為5 MV·A、額定功率因數(shù)為0.85的負(fù)荷，光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量取6、12 MV·A。配電系統(tǒng)如圖12所示。利用PSASP對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

圖12 10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.12 10 kV distribution system

仿真方案1：不接入光伏電源，饋線2上各保護(hù)流過(guò)的最大負(fù)荷電流以及相應(yīng)的過(guò)電流保護(hù)定值見表1。

表1 無(wú)光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)流過(guò)饋線2保護(hù)的最大負(fù)荷電流及整定值Tab.1 Maximum load current and setting value of feeder protection 2 without PV power generation system

在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下，饋線2各段線路末端發(fā)生兩相短路時(shí)流過(guò)各保護(hù)的短路電流見表2。

表2 無(wú)光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)最小運(yùn)行方式下流過(guò)饋線2各保護(hù)的短路電流Tab.2 Short circuit current of protections for feeder 2 in minimum operating mode without PV power generation system

接入PV最小運(yùn)行方式下各段線路末端故障時(shí)，流過(guò)饋線2各保護(hù)的短路電流如表3所示。

表3 接入光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)最小運(yùn)行方式下流過(guò)饋線2各保護(hù)的短路電流Tab.3 Short circuit current of protections for feeder 2 in minimum operating mode with PV power generation system

綜合表1—3可知，光伏電源出力發(fā)生變化，當(dāng)線路CD、DE末端發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)3、4能可靠動(dòng)作切除故障。當(dāng)線路BC末端發(fā)生故障時(shí)，光伏電源出力為0，方向縱聯(lián)保護(hù)能可靠動(dòng)作，隨后保護(hù)1處的斷路器重合，如果是永久性故障，保護(hù)2將可靠跳閘。當(dāng)線路AB末端發(fā)生永久性故障時(shí)，保護(hù)1能可靠動(dòng)作。當(dāng)相鄰饋線始端發(fā)生故障且光伏電源出力最大時(shí)，流過(guò)保護(hù)1、2的短路電流分別為1.26 kA和1.212 kA，由于保護(hù)1、2處分別加裝了方向元件，故它們不會(huì)誤動(dòng)作。

仿真方案2：取系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下的阻抗Xs，min=0.091 Ω，取最小運(yùn)行方式下的阻抗 Xs，max=0.126 Ω；取末端負(fù)荷阻抗為30+j15.7 Ω，取光伏電源的容量為6 MV·A。根據(jù)式（12）計(jì)算出保護(hù)1和保護(hù)2的Ⅰ段整定值為：IIset1=5.44 kA，IIset2=2.905 kA。系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下，各線路末端三相短路時(shí)，流過(guò)饋線2的短路電流為：線路AB末端短路，故障電流為7.002 kA；線路BC末端短路，故障電流為3.154 kA；線路CD末端短路，故障電流為1.215 kA；線路DE末端短路，故障電流為0.834 kA?？芍?，線路AB末端故障后，Id＞IIset1，保護(hù)1的方向電流Ⅰ段動(dòng)作，保護(hù)2的方向電流Ⅰ段不動(dòng)作，不向保護(hù)1發(fā)閉鎖信號(hào)，則保護(hù)1跳閘，同時(shí)發(fā)送遙控信息控制斷路器2跳閘，將故障隔離。

通過(guò)實(shí)例分析，采用以上保護(hù)方案后，對(duì)于接有光伏電源的配電網(wǎng)，2種方案均能正確動(dòng)作。

6 結(jié)論

本文提出了2種含光伏電源的配電網(wǎng)饋線保護(hù)方案。方案1根據(jù)光伏電源接入點(diǎn)的位置，對(duì)被保護(hù)線路進(jìn)行分區(qū)，光伏電源上游區(qū)域的保護(hù)配置是用瞬時(shí)動(dòng)作的方向縱聯(lián)保護(hù)組成的重合閘前加速方式，為了快速地切除故障，引入反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。方案2將光伏電源上游線路電流保護(hù)Ⅰ段退出，保留Ⅱ段和Ⅲ段，加上方向元件。Ⅱ段、Ⅲ段定值按照未接入光伏電源的情況整定，Ⅱ段動(dòng)作時(shí)限改為0 s作為新Ⅰ段，新光伏電源接入不需更改定值。本文用PSASP對(duì)所提出的2種保護(hù)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明保護(hù)具有良好的選擇性。

目前，青海省正在積極推進(jìn)太陽(yáng)能及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，今后的配電網(wǎng)將是含有大量光伏電源的網(wǎng)絡(luò)，含光伏電源配電網(wǎng)的饋線保護(hù)方案必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。