具備LVRT能力的光伏接入配網(wǎng)對重合閘的影響及對策

李育強，王志文，王維慶，晁 勤

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具備LVRT能力的光伏接入配網(wǎng)對重合閘的影響及對策

李育強1，王志文2，王維慶1，晁 勤1

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊830047；2.清華大學電機系，北京 100084)

在實現(xiàn)光伏電站低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)的基礎(chǔ)上，分析了光伏電站接入配電網(wǎng)LVRT對前加速自動重合閘的影響。根據(jù)故障發(fā)生的位置不同，基于時域分析對LVRT和前加速自動重合閘的延時進行整定，提出了光伏電站LVRT與前加速自動重合閘的配合方案。該方法能夠解決前加速重合閘重合時間與LVRT時限不匹配，導致并網(wǎng)點電壓二次跌落和瞬時性故障發(fā)展成為永久性故障的問題。通過在電磁暫態(tài)仿真軟件(Power Systems Computer Aided Design，PSCAD)中建立仿真模型，在10 kV配電網(wǎng)中驗證了所提方法的有效性和正確性。

LVRT；光伏電站；配電網(wǎng)；前加速自動重合閘；PSCAD

0 引言

國家電網(wǎng)(以下簡稱國網(wǎng))頒布的光伏電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定(GB/T19964-2012)要求光伏電站應(yīng)具備一定的低電壓穿越能力，避免在電網(wǎng)電壓異常時脫網(wǎng)，造成電能損失。我國光伏電站多以分布式接入配電網(wǎng)(以下簡稱配網(wǎng))，采用本地消納的原則。由于光伏電站的接入，改變了原配網(wǎng)的供電模式，原配網(wǎng)的保護裝置將受到一定的影響，在這些影響中，如何整定前加速自動重合閘與LVRT之間的相互配合問題成為亟需解決的問題之一。文獻[1-9] 從控制策略的角度研究了風電、光伏電站LVRT的實現(xiàn)方法，但并未對LVRT與自動重合閘的配合問題展開討論。文獻[10]分析了配網(wǎng)電流三段保護、重合閘、熔斷器等受光伏電站的影響問題，但沒有提出具體的解決方法。文獻[11]分析了光伏電站接入配電網(wǎng)對保護和重合閘的影響，并提出了階段式電流保護整定方案，但未涉及LVRT和重合閘的配合問題。文獻[12-13]研究了計及穩(wěn)態(tài)約束條件的重合閘延時的整定問題，但同樣未涉及光伏電站LVRT與重合閘的配合問題。

因此，研究具備LVRT能力的光伏電站與配網(wǎng)前加速自動重合閘的整定配合問題，對于提高光伏電站接入配網(wǎng)的適應(yīng)性顯得尤為重要。本文在建立光伏電站接入配網(wǎng)電磁暫態(tài)模型的基礎(chǔ)上，詳細分析了光伏電站LVRT對配網(wǎng)前加速自動重合閘的影響，提出了基于時間整定的配合方案，該方案能夠解決光伏電站LVRT與配網(wǎng)前加速自動重合閘在時序上的配合問題，實現(xiàn)了光伏電站友好并網(wǎng)。

1 光伏電站LVRT的技術(shù)規(guī)范及控制策略

1.1 光伏電站LVRT的技術(shù)規(guī)范

國網(wǎng)頒布的《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范(試行)》中，對光伏電站在電網(wǎng)故障時的穿越能力做出了明確的要求，如圖1所示。

圖1 光伏電站的LVRT要求

當并網(wǎng)點電壓位于實線所示電壓輪廓線以下時，光伏電站需從電網(wǎng)中切除；當并網(wǎng)點電壓位于電壓輪廓線以上時，光伏電站需保持并網(wǎng)運行。1、2的推薦時間分別為1 s、3 s[14]。規(guī)定中并未對故障期間光伏電站的無功電流輸出進行規(guī)定，參照德國制定的E.ON標準，為確保光伏電站LVRT成功，光伏電站還應(yīng)向系統(tǒng)輸出無功電流幫助網(wǎng)側(cè)電壓進行恢復，其輸出無功電流的大小與并網(wǎng)點電壓跌落深度的關(guān)系滿足數(shù)學表達式如式(1)。

式(1)中：(p.u.)為并網(wǎng)點電壓，同時也表示電壓跌落深度；N為額定電流；為無功電流的給定量?？紤]到光伏電站逆變器的電流限幅為1.1倍額定電流，因此有功電流按照式(2)給定。

(2)

1.2 光伏電站LVRT的控制策略

當配網(wǎng)發(fā)生故障使得并網(wǎng)點電壓跌落時，由于功率不能及時送出，將引起逆變器直流側(cè)電壓過高。此外，故障還將引發(fā)IGBT過流，從而觸發(fā)過流保護，導致逆變器退出運行。因此，光伏電站LVRT策略應(yīng)當既能夠防止直流側(cè)電壓過高，同時也能夠防止IGBT過流。鑒于此，采用文獻[13]提出的直流側(cè)卸荷電路和逆變器控制策略，以實現(xiàn)輸出無功電流和抑制直流側(cè)的過電壓。

1.2.1 直流側(cè)卸荷電路控制策略

為了防止直流側(cè)電容電壓過高，較常用的控制策略是在逆變器直流側(cè)增加卸荷電路，如圖2所示。

圖中pv、pv分別為光伏陣列的輸出電流和電壓，VD1和VD2是續(xù)流二極管，0和1為旁路電容，tri為卸荷電路的觸發(fā)信號，c為卸荷電阻，dc為光伏電站直流側(cè)電壓，ref為光伏陣列MPPT的輸出參考電壓。當直流側(cè)電容電壓dc大于給定閾值時，即觸發(fā)卸荷電路控制信號tri使IGBT導通，光伏電站多余的電能經(jīng)c以熱能的形式進行釋放，卸荷電路的觸發(fā)信號控制邏輯如圖3所示。

圖3中max表示直流側(cè)電容允許的最大電壓值。

1.2.2 電流控制策略

配網(wǎng)正常運行時，光伏電站逆變器采用雙環(huán)雙通道控制。其中，內(nèi)環(huán)兩個通道均為電流環(huán)，外環(huán)的通道之一為直流電壓控制(簡稱電壓外環(huán))，另一個通道為無功控制(簡稱無功外環(huán))。外環(huán)的直流電壓參考值由MPPT的輸出電壓給定；無功參考值可設(shè)置為零或者根據(jù)運行工況給予其值，以上控制策略簡稱為VQ控制。

配網(wǎng)發(fā)生故障時，由于有功功率不能及時送出，直流側(cè)電壓將升高并大于MPPT給出的電壓參考值，并進一步造成電壓外環(huán)的PI控制器輸出值不斷增大，從而向電流內(nèi)環(huán)的控制器輸出給定不斷增大，在內(nèi)環(huán)PI環(huán)節(jié)未飽和之前，內(nèi)環(huán)電流的持續(xù)增大將導致逆變器過流。

為了防止逆變器過流，并按照要求輸出指定的無功電流，設(shè)計電流控制策略如下：

第一步：監(jiān)測并網(wǎng)點電壓，若并網(wǎng)點電壓低于0.9 p.u.，則執(zhí)行第二步，否則繼續(xù)監(jiān)測并網(wǎng)點電壓。

第二步：斷開功率外環(huán)控制器并將其清零。

第三步：按式(1)、式(2)給出無功、有功電流的參考值。

第四步：當監(jiān)測到電網(wǎng)電壓恢復到0.9 p.u.以上時，恢復功率外環(huán)，否則繼續(xù)執(zhí)行第三步[15]。

2 光伏電站LVRT對自動重合閘的影響分析

配網(wǎng)中采用前加速自動重合閘有利于供電的快速恢復，極大地提高了供電可靠性。配網(wǎng)原有的前加速自動重合閘僅僅是針對單電源供電結(jié)構(gòu)而設(shè)計的，光伏電站的接入使得配網(wǎng)變成了雙端供電網(wǎng)絡(luò)，這將造成前加速自動重合閘適應(yīng)性不足的問題。對于不具備LVRT能力的光伏電站，由于故障后光伏電站立即退出，因此不會對配網(wǎng)前加速自動重合閘造成太大影響。而對于具備LVRT能力的光伏電站，由于故障期間光伏電站并不退出，因此將對配網(wǎng)前加速自動重合閘帶來影響。

2.1 配網(wǎng)配備自動重合閘的現(xiàn)狀

常見的自動重合閘(Auto-reclosing，AR)分為前加速自動重合閘與后加速自動重合閘。我國在35 kV及以下的自動重合閘配置為：前加速，不檢重合。即重合之前不對線路進行任何檢測，直接重合。以圖4為例對前加速自動重合閘進行具體說明。

圖4 配網(wǎng)前加速自動重合閘拓撲圖

圖4中的配電線路分成三段(L1、L2、L3)，每段斷路器(B1、B2、B3)均配置電流三段式保護。啟動時間按照階梯原則整定，即越靠近系統(tǒng)電源側(cè)，啟動時間越長。

在斷路器B1處配置前加速自動重合閘。其配置策略為：當故障發(fā)生在線路L1、L2、L3任意一段時，B1斷路器瞬時跳閘，切除整條線路。經(jīng)過短暫延時后(熄弧及去游離時間等，一般可取1～2 s)，再進行重合。若故障是瞬時故障，則該次重合后線路恢復供電；若為永久故障，則該次重合后，線路仍處于故障狀態(tài)，此時等待電流三段保護來清除故障。前加速自動重合閘只重合一次，若第一次重合后，電流三段保護再跳閘切除線路，則重合閘不進行再次重合。前加速自動重合閘的優(yōu)勢在于線路發(fā)生瞬時故障時，提高了線路的供電可靠性。缺點在于故障類型為永久性故障時，斷路器及用電設(shè)備要耐受一次故障電流的沖擊。

2.2 LVRT對自動重合閘的影響分析

光伏電站除了具有LVRT功能外，還應(yīng)具有孤島檢測功能，在某些工況下二者可能引發(fā)時序動作上的矛盾。為體現(xiàn)研究的側(cè)重點，設(shè)定光伏電站優(yōu)先進行LVRT，只有當光伏電站完成LVRT既定動作后(無論是否成功穿越故障)，才進行孤島檢測。為便于分析，以光伏電站接入新疆某配網(wǎng)為例，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。該配網(wǎng)中具有兩條饋線，兩條線路末端通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)相連。斷路器B1～B6配置三段式電流保護，重合閘AR1、AR2均為前加速重合，延時時間為1.2 s。

圖5 光伏電站接入配網(wǎng)拓撲圖

為全面分析光伏電站LVRT對配網(wǎng)前加速自動重合閘的影響，按照故障發(fā)生在光伏電站相鄰線路和故障發(fā)生在光伏電站本線路上游和下游三種情況來分析。

①?當故障發(fā)生在相鄰線路F1處，流過B1處的電流增大，母線電壓降低。由于母線電壓降低，另一條饋線的PV將進入LVRT狀態(tài)，在前加速AR1的作用下B1跳閘，切除本條饋線，B1跳閘后，母線電壓恢復，AR1經(jīng)過1.2 s延時后，B1進行重合，如果故障為瞬時故障，則重合成功，該饋線恢復供電，另一條饋線的PV完成LVRT成功穿越故障；如果故障為永久性故障，在前加速自動重合閘重合后，由于故障仍未清除，母線電壓再次跌落。此時，PV可能由于母線電壓二次跌落超過了LVRT所規(guī)定的不脫網(wǎng)電壓輪廓線而退出運行。

通過以上理論分析可得出，當故障發(fā)生在光伏電站相鄰線路時，重合閘重合時可能導致電壓二次跌落，造成PV不能成功穿越故障，進而退出運行。

②?故障發(fā)生在光伏電站所在線路公共耦合點下游的F2處，F(xiàn)2故障發(fā)生后，流過B4的電流增大，母線電壓降低，前加速AR2使斷路器B4跳閘，但此時光伏電站仍然與故障點相連，光伏電站進入LVRT狀態(tài)，由于前文中假設(shè)了光伏電站優(yōu)先進行LVRT，因此，光伏電站此時不會由于孤島檢測而退出運行。由于光伏電站持續(xù)向故障點提供短路電流，因此可能導致瞬時故障發(fā)展成永久故障，AR2經(jīng)過1.2 s延時后，B4重合于永久故障，形成二次沖擊；B5跳閘切除下游，下游負荷失電。

③?故障發(fā)生在光伏電站所在線路上游的F3處，故障發(fā)生后，流過B4的電流增大，母線電壓降低，前加速AR2使B4跳閘，B4跳閘后，光伏電站仍然向短路點提供短路電流，同時光伏電站進入LVRT狀態(tài)，AR2經(jīng)過1.2 s延時后，B4重合于永久故障，形成二次沖擊，沖擊電流將對光伏電站逆變設(shè)備和用電設(shè)備造成損害。

當故障發(fā)生在光伏電站本線路上游或下游時，瞬時故障可能由于LVRT發(fā)展成為永久故障，前加速自動重合閘重合失敗并導致整條線路失電，之后光伏電站退出運行。

3 光伏電站LVRT與前加速自動重合閘的整定方案

通過前述分析可知，為了使得前加速自動重合閘與LVRT能夠相互配合，需要滿足以下兩個條件：

①?在光伏電站進行LVRT時，前加速自動重合閘重合于故障導致電壓二次跌落不能使得光伏電站脫網(wǎng)；

②?在光伏電站進行LVRT時，前加速自動重合閘不可在光伏電站與瞬時故障點未隔離時進行重合。

根據(jù)上述分析，當故障發(fā)生在相鄰線路上，經(jīng)過2時間，光伏電站才能完成一次LVRT，在2之前，如果電壓二次跌落低于了實線所示電壓輪廓線，光伏電站將退出運行；在2之后，即使電壓二次跌落低于了實線所示電壓輪廓線，光伏電站也能二次啟動LVRT，再次穿越故障，保證不會脫網(wǎng)。因此，為了保證前加速自動重合閘重合于故障導致電壓二次跌落不能使得光伏電站脫網(wǎng)，前加速自動重合閘的重合時間需滿足式(3)。

式(3)中AR為前加速自動重合閘的延時整定時間。當故障發(fā)生在光伏電站所并入的饋線上，為了使得前加速自動重合閘在光伏電站與瞬時故障點隔離后進行重合，必須等待光伏電站退出運行后再進行重合。因此，再重合時，必須對下游線路進行“檢無壓”。當且僅當線路沒有電壓時(保證了下游的光伏電站已經(jīng)退出運行)，再進行重合。

綜上，光伏電站LVRT與自動重合閘的配和整定策略為：前加速，重合延時AR大于2，并且在重合時“檢無壓”。由于2的推薦取值為3 s，考慮1 s的時間裕量，因此重合延時AR可取4 s。

4 仿真驗證

為了驗證所提整定方案的正確性，按照圖5所示在PSCAD中搭建了動態(tài)仿真模型，模型中聯(lián)絡(luò)開關(guān)為常斷狀態(tài)，每個斷路器處均配備三段式電流保護，系統(tǒng)仿真參數(shù)配置如表1。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

當故障發(fā)生在相鄰線路F1處，距離B1保護安裝處50 m，位于線路首端，故障類型為永久性三相短路故障，故障發(fā)生在2 s時刻，以下將采用新的重合閘配時方案(4 s)和原重合閘配時方案(1.2 s)，對比分析光伏電站LVRT的穿越效果，其仿真結(jié)果如圖6。

從圖6(a)和圖6(b)對比分析可以看出，當重合閘延時為1.2 s時，重合閘重合時光伏電站還未完成LVRT，重合閘重合于故障導致了光伏電站并網(wǎng)公共耦合點處電壓的二次跌落，并且低于了LVRT的電壓輪廓線，光伏電站退出運行。采用新的重合方案時，重合閘重合時光伏電站已經(jīng)完全完成一次LVRT，重合閘重合于故障，雖然導致了光伏電站并網(wǎng)耦合點處電壓的二次跌落，但是光伏電站將重新啟動LVRT，相鄰線路故障在前加速重合閘合閘失敗后，由電流保護切除故障，因此，采用調(diào)整后的重合閘延時整定方案，可以避免電壓二次跌落造成光伏電站的脫網(wǎng)。

由于故障發(fā)生在光伏電站接入點上游和下游故障特征類似，因此，僅對光伏電站接入點下游做仿真分析。當故障發(fā)生在光伏電站所在線路下游F2處，距離B5保護安裝處3.9 km，故障類型為瞬時性AC相間短路故障，故障發(fā)生時刻同上，為了僅考察具備LVRT能力的光伏電站接入配網(wǎng)“檢無壓”措施的必要性，以下將對比考察采用/不采用檢無壓措施重合，B4處監(jiān)測的下游線路電壓、故障處監(jiān)測的電流和光伏電站逆變側(cè)的電壓，如圖7~圖9所示。

圖7 采用/不采用檢無壓重合B4處測得的電壓

圖8 采用/不采用檢無壓重合故障點處的電流

圖9 采用/不采用檢無壓重合光伏電站逆變側(cè)輸出電壓

從圖7~圖9的仿真結(jié)果可知，當瞬時故障發(fā)生后，前加速自動重合閘首先瞬時無選擇性跳閘，此時由于光伏電站仍然與故障點連接并進行LVRT，因此光伏電站將向故障點持續(xù)提供短路電流，導致故障處電弧不能熄滅，線路絕緣強度不能恢復，瞬時故障發(fā)展成為永久性故障，若重合閘采用不檢無壓重合，則會重合于故障處，形成二次沖擊，導致B5斷路器跳閘，下游線路失電。而重合閘采用檢無壓時，在故障發(fā)生后，由于光伏電站進行LVRT，線路還存在電壓，當沒有額外的無功補償措施時，光伏電站電壓很快越過LVRT的輪廓線，光伏電站LVRT穿越失敗退出運行，線路失去電壓，由于光伏電站不再向故障點提供故障電流，電弧很快熄滅，絕緣強度恢復，瞬時故障消失，當重合閘檢測到“無壓”后進行重合，整條線路恢復供電。通過以上對比仿真可以得出，當故障發(fā)生在光伏電站所在線路上時，采用“檢無壓”重合可以防止由于光伏電站LVRT導致瞬時故障不能及時清除，前加速自動重合閘重合于故障，形成二次沖擊的問題。

5 結(jié)論

在PSCAD中建立具備LVRT能力的光伏電站接入配網(wǎng)動態(tài)仿真模型，分析了光伏電站LVRT對配網(wǎng)前加速自動重合閘方式的影響，并提出了光伏電站LVRT與前加速自動重合閘的時域配合方案。根據(jù)研究內(nèi)容得出如下結(jié)論：

(1) 光伏電站LVRT、前加速自動重合閘和孤島檢測存在時域上的配合矛盾。因此，在同時要求光伏電站具備LVRT和孤島檢測能力時，在控制策略上必須設(shè)置為LVRT優(yōu)先的原則，否則LVRT將不能實現(xiàn)。

(2) 若光伏電站只接在配網(wǎng)的一條支線上，故障發(fā)生在相鄰線路上，前加速自動重合閘將造成電壓二次跌落，導致光伏電站LVRT失敗，因此，前加速自動重合閘的延時必須躲過光伏電站的LVRT的時間。若每條支線上都有光伏電站接入，非故障線路光伏電站要實現(xiàn)條件是故障所在線路上的光伏電站必須先行退出運行。

(3) 本線路故障時，光伏電站LVRT會導致瞬時故障發(fā)展成為永久故障，在此故障下，光伏電站LVRT穿越不可能成功，但為了避免遭受二次沖擊，前加速自動重合閘需配備檢無壓重合的控制策略。

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ZHANG Mingguang, CHEN Xiaojing. A control strategy of low voltage ride-through for grid-connected photovoltaic power system[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(11): 28-33.

(編輯 魏小麗)

InfluenceofPVwithLVRTcapabilityaccess to distribution network onautomatic reclosing and its countermeasures

LI Yuqiang1, WANG Zhiwen2, WANG Weiqing1, CHAO Qin1

(1. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China; 2. Dept of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

On the basis of realizing the function of LVRT in photovoltaic power station, effect of LVRT pre-accelerating automatic reclosing is analyzed when PV plants access to the distribution network. According to the different fault location, the LVRT and pre-accelerating automatic reclosing delay setting based on time-domain analysis, the cooperation scheme of LVRT and the pre-accelerating automatic reclosing is proposed. This method can solve the problem that the voltage drop of second times and the transient fault will develop into a permanent fault due to the coincidence of the pre-accelerating automatic reclosing and the LVRT time does not match. A simulation model is established in PSCAD, the validity and correctness of the proposed method are verified by the 10 kV distribution network. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.51367017 and No.51267019).

LVRT;photovoltaic power station; distribution network;pre-accelerating automatic reclosing; PSCAD

10.7667/PSPC151509

國家自然科學基金(51367017，51267019)

2015-08-25；

2015-11-24

李育強(1977-)，男，博士，講師，研究方向為光伏并網(wǎng)及繼電保護研究；E-mail：835556737@qq.com 王志文(1990-)，男，博士研究生，研究方向為風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析；王維慶(1959-)，男，教授，博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)微機保護與控制、風力發(fā)電控制技術(shù)。