光伏電源接入配電網(wǎng)的方向元件新判據(jù)

張惠智，李永麗

（天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072）

光伏電源接入配電網(wǎng)的方向元件新判據(jù)

張惠智，李永麗

（天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072）

光伏電源的控制策略不同于傳統(tǒng)電源，傳統(tǒng)方向元件不能正確判斷故障方向，可能導(dǎo)致保護裝置錯誤動作.為此，研究了光伏電源在并網(wǎng)控制策略下的故障輸出特性，以及光伏電源接入影響下的系統(tǒng)側(cè)電源故障輸出特性，得到了配電網(wǎng)發(fā)生故障時光伏電源及系統(tǒng)電源輸出故障電流的相位特征，以此為基礎(chǔ)提出了一種基于正序故障電流和故障前電壓相位信息的方向元件新判據(jù)，并與傳統(tǒng)方向元件進行了比較，得出了光伏電源接入的配電網(wǎng)中方向元件的特性及整定計算方法.結(jié)果表明該方向元件判據(jù)在配電網(wǎng)不同故障條件下均能保證正確動作，同時避免了傳統(tǒng)方向元件易受電壓死區(qū)及過渡電阻影響的問題.

方向元件；光伏電源；配電網(wǎng)

光伏電源是通過電力電子變流器接入電網(wǎng)的電源，其故障輸出特性取決于自身控制策略，電網(wǎng)發(fā)生故障時，可能影響電網(wǎng)中傳統(tǒng)保護的動作特性［1-2］.

基于方向元件的保護（包括方向過電流保護和方向縱聯(lián)差動保護等）是配電網(wǎng)中一類重要的保護［3］，其核心元件是判定故障方向的方向元件.傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，流過各保護的故障電流由系統(tǒng)側(cè)電源單一提供，系統(tǒng)側(cè)電源供出的故障電流與保護安裝處電壓的夾角等于線路阻抗角，因此可以用功率方向判據(jù)判斷故障方向［3］.然而，在光伏電源接入的配電網(wǎng)中，流過各保護的故障電流由故障輸出特性不同的光伏電源與系統(tǒng)側(cè)電源分別提供.光伏電源的故障電流輸出特性受其控制策略影響，同時也將改變配電網(wǎng)中系統(tǒng)側(cè)電源的故障電流輸出特性.因此，在光伏電源及系統(tǒng)側(cè)電源兩種具有不同故障輸出特性的電源同時接入的配電網(wǎng)中，各電源所供出的故障電流與保護安裝處電壓的夾角不再等于線路阻抗角［4-5］，傳統(tǒng)功率方向元件可能錯誤判斷故障方向.不僅如此，傳統(tǒng)方向元件動作特性易受電壓死區(qū)及過渡電阻影響的問題在光伏電源接入的配電網(wǎng)中依然存在［6-7］.為保證光伏電源接入的配電網(wǎng)中方向元件能正確判斷故障方向，需研究能夠在光伏電源接入配電網(wǎng)中正確判斷故障正方向的方向元件新判據(jù).

本文依據(jù)光伏電源故障輸出特性分析了傳統(tǒng)方向元件在光伏電源接入的配電網(wǎng)中的動作特性.在研究系統(tǒng)側(cè)電源及光伏電源故障輸出故障電流相位特征的基礎(chǔ)上，提出了能夠在光伏電源接入配電網(wǎng)中正確判斷故障正方向的方向元件新判據(jù)，并在仿真平臺上進行了驗證.

1　光伏電源的故障輸出特性

并網(wǎng)光伏電源如圖1所示.

圖1　并網(wǎng)光伏電源Fig.1 Grid-connected PV generator

正常運行條件下光伏電源的控制方程［7］為

式中：Ppv為正常運行條件下光伏電源交流側(cè)輸出的有功功率；為光伏電源輸出的電流相量；正常運行時取為光伏電源并網(wǎng)點電壓相量.對于接入低壓配電網(wǎng)的小型光伏電源［8］，配電網(wǎng)故障時只輸出有功功率［9］.光伏電源的控制方程為

式中Imax為光伏電源輸出電流的限流值，通常為光伏電源額定電流的1.2～2.0倍.對稱故障時取U.T為光伏電源并網(wǎng)點電壓相量.不對稱故障時取U.T為并網(wǎng)點正序電壓相量，此時光伏電源輸出三相對稱的正序故障電流.

2　并網(wǎng)光伏電源接入對功率方向元件的影響

配電網(wǎng)廣泛采用的功率方向元件的動作方程為

圖2　含光伏電源的配電網(wǎng)模型Fig.2 Model of distribution system with PV generator

表1　電流與電壓的相位關(guān)系Tab.1 Phase relationship of current and voltage

上述配電網(wǎng)中線路阻抗角為52°，代入式（3），得保護安裝處非故障相相間電壓和故障相電流相位差在（-128°，52°）范圍內(nèi)時，故障位于該保護的正方向.由表1數(shù)據(jù)易見，光伏電源接入前，各保護方向元件均能正確判斷故障方向.光伏電源接入后，保護的方向元件可能錯誤判斷故障方向.

分析上述仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光伏電源的故障輸出特性不滿足傳統(tǒng)方向元件動作判據(jù)，同時受光伏電源影響，系統(tǒng)側(cè)電源非故障相（a相）電流不等于零，且非故障相電流與保護安裝處電壓的相位關(guān)系不再滿足傳統(tǒng)方向元件的動作判據(jù)，基于功率方向判據(jù)的傳統(tǒng)方向元件錯誤判斷了故障方向.因此，需要研究適用于光伏電源接入的方向元件新判據(jù)以保證光伏電源接入的配電網(wǎng)中方向元件正確判斷故障方向.

3　適用于光伏電源接入配電網(wǎng)方向元件判據(jù)

以圖2所示配電網(wǎng)為例研究配電網(wǎng)發(fā)生故障時系統(tǒng)側(cè)電源及光伏電源供出的故障電流的相位特征，得出適用于光伏電源接入配電網(wǎng)的方向元件新判據(jù).

3.1光伏電源上游故障

如圖2所示，光伏電源上游f點發(fā)生三相短路故障時，系統(tǒng)電源提供的故障電流特性不受光伏電源影響［10］，計及過渡電阻時，系統(tǒng)電源提供的故障電流I.s與系統(tǒng)側(cè)電壓E.s之間的夾角θs滿足［3］

f點發(fā)生bc相間短路時，配電網(wǎng)的綜合序網(wǎng)如圖3（a）所示.其中，U.F為故障點電壓相量（正負(fù)序電壓相量相等），分別為流過保護1、2、3、4電流的正、負(fù)序分量.Zs為系統(tǒng)等值內(nèi)阻，ZAB為線路AB的等值阻抗，ZBf、ZCf分別為A、B母線到f點線路的等值阻抗，ZL為光伏電源下游線路及負(fù)荷的等值阻抗，Zf為過渡電阻.忽略負(fù)荷電流得到簡化綜合序網(wǎng)如圖3（b）所示.根據(jù)圖3（b）所示研究系統(tǒng)及光伏電源供出的正序故障電流相位特征.

圖3　光伏電源上游故障配電網(wǎng)等效電路Fig.3Equivalent circuit of distribution network during upstream fault of PV generator

1） 系統(tǒng)側(cè)電源供出故障電流相位特征

易見，系統(tǒng)向故障點提供正序有功功率及無功功率［12］，令為系統(tǒng)側(cè)電壓相量超前系統(tǒng)供出的正序故障電流的夾角.由式（4）可得

對比式（4）和式（5）可見，光伏電源上游發(fā)生對稱及不對稱故障時，系統(tǒng)電源供出的正序故障電流相量（對稱故障時無負(fù)序電流）與系統(tǒng)側(cè)電壓相量的夾角范圍不變，可統(tǒng)一至式（5）.

2）光伏電源供出故障電流相位特征

f點發(fā)生相間短路故障時，光伏電源供出的故障電流流經(jīng)保護4.將圖3（b）所示電路等效為如圖4（a）所示電路，進一步簡化得到圖4（b）所示電路.

圖4中：

圖4　光伏電源上游故障配電網(wǎng)簡化等效電路Fig.4Simplified equivalent circuit of distribution network during upstream fault of PV generator

電壓矢量關(guān)系如圖5所示［12］.

圖5中：?total為阻抗Ztotal的阻抗角；δpv為和的夾角（′超前時夾角角度為正角度）；分別為電壓變化量的橫分量［12］，即

光伏電源輸出有功功率時滿足

圖5　電壓矢量關(guān)系Fig.5 Voltage vector relationship

根據(jù)圖5利用正弦定理可得

取系統(tǒng)側(cè)電壓為光伏電源并網(wǎng)的額定電壓，則有

將式（2）和式（17）代入式（15）可得

將式（21）和式（22）代入式（11）和式（20）可得

其中

可解得

此外，光伏電源上游發(fā)生相間短路故障時，線路電抗上的壓降滿足［12］

根據(jù)式（26）和式（28）得系統(tǒng)側(cè)電壓相量E.s與光伏電源輸出的故障電流I.pv的夾角θpv的取值范圍為

即光伏電源側(cè)保護正方向故障時，系統(tǒng)側(cè)電壓E.s與流過光伏電源側(cè)保護電流的夾角在式（29）所示范圍內(nèi).

3.2光伏電源下游故障

光伏電源下游f′點（見圖2）發(fā)生故障時，正序等效電路如圖6所示，其中ZAC為A母線到C母線線路的等值阻抗，ZCf2為C母線到f′點線路的等值阻抗.

圖6　光伏電源下游故障配電網(wǎng)正序等效電路Fig.6 Positive equivalent circuit of distribution network during downstream fault of PV generator

f'點故障時，系統(tǒng)供出的電流流保護1、2、3、 4.與系統(tǒng)供出的正序故障電流仍滿足式（5），系統(tǒng)側(cè)電源供出的負(fù)序電流與系統(tǒng)側(cè)電壓仍無明確夾角關(guān)系.

3.3方向元件動作判據(jù)

由上述分析可見，系統(tǒng)側(cè)電源及光伏電源供出的正序電流與系統(tǒng)側(cè)電壓E.s的夾角分別滿足式（5）和式（29）所示的關(guān)系，因此可以根據(jù)各保護安裝處正序電流與系統(tǒng)側(cè)電壓E.s的夾角關(guān)系得到相應(yīng)的方向元件判據(jù).

由于配電網(wǎng)正常運行時線路各點電壓相位近似相等［13-14］，用配電網(wǎng)正常運行時保護安裝處電壓相量代替系統(tǒng)側(cè)電壓根據(jù)式（5）和式（29）得到系統(tǒng)電源側(cè)保護正、反方向發(fā)生故障時，保護安裝處電壓和正序電流分別滿足

定義保護正方向故障時，流經(jīng)保護的正序電流相量所在區(qū)域為保護的正方向故障區(qū)；保護反方向故障時，流經(jīng)保護的正序電流相量所在區(qū)域為保護的反方向故障區(qū).則系統(tǒng)電源側(cè)和光伏電源側(cè)保護正、反方向故障區(qū)如圖7所示.

圖7　系統(tǒng)及光伏電源側(cè)保護的正反方向故障區(qū)Fig.7Forward and backward fault area for system and PV generator side protection

光伏電源接入的配電網(wǎng)發(fā)生故障時，流經(jīng)保護的正序電流不會落在圖7中的空白區(qū)域.將各空白區(qū)域均分給與其相鄰的正、反方向動作區(qū)，令擴展后的正方向故障區(qū)為方向元件的正方向動作區(qū).則系統(tǒng)電源與光伏電源側(cè)保護的方向元件動作判據(jù)分別為動作特性分別如圖8和圖9所示.

圖8　系統(tǒng)電源側(cè)保護方向元件的動作特性Fig.8Operation characteristic of directional component of system side protection

圖9　光伏電源側(cè)保護方向元件的動作特性Fig.9Operation characteristic of directional component of PV generator side protection

由上述分析可得，由于光伏電源的故障電流輸出特性不同于傳統(tǒng)電源，因此光伏電源接入的配電網(wǎng)中，方向元件動作判據(jù)有如下特點.

（1）光伏電源與系統(tǒng)側(cè)電源的故障輸出特性不同，因此對于光伏電源側(cè)保護和系統(tǒng)電源側(cè)保護的方向元件，其動作判據(jù)并不相同.

（2）光伏電源輸出的故障電流與保護安裝處電壓的夾角并不等于線路阻抗角，系統(tǒng)側(cè)電源受光伏電源影響，輸出的故障電流與保護安裝處電壓的夾角也不再等于線路阻抗角，最大靈敏角概念不適用于光伏電源接入的配電網(wǎng)方向元件.

（3）光伏電源接入的配電網(wǎng)中，同一方向元件的正、反方向故障電流分別由不同類型電源（系統(tǒng)側(cè)電源和光伏電源）提供，因此方向元件的正、反方向動作區(qū)域并不對稱.

4　仿真驗證

仿真模型參數(shù)同第2節(jié)所述.對本文所提方向元件判據(jù)驗證如下.

4.1算例1

距離B母線2,km的f點處發(fā)生三相金屬性短路時，流經(jīng)保護1、2、3的正序電流相位如圖10所示（光伏電源退出運行，保護4無故障電流流過）.由圖10可見，流經(jīng)保護1、3的正序電流在動作區(qū)域內(nèi)（陰影區(qū)域為光伏電源側(cè)保護方向元件和系統(tǒng)電源側(cè)方向元件的動作區(qū)域，深色部分為兩側(cè)保護方向元件動作區(qū)域的重合區(qū)域，下同），方向元件動作（實線箭頭表示，下同）；流經(jīng)保護2的正序電流在不動作區(qū)域內(nèi)，方向元件不動作（虛線箭頭表示，下同）.

圖10　上游三相金屬性短路方向元件動作情況Fig.10 Action of directional component during three phase metallic upstream fault

距離B母線2,km的f點處發(fā)生三相短路，過渡電阻為10,Ω時，保護1、2、3的正序電流相位如圖11所示.由圖11可見，過渡電阻并未改變方向元件故障方向判定的結(jié)果.

圖11　上游三相非金屬性短路方向元件動作情況Fig.11 Action of directional component during three phase non-metallic upstream fault

4.2算例2

距離B母線2,km的f點處發(fā)生bc相間金屬性短路時，保護1、2、3、4方向原件的動作情況如圖12所示.由圖12可見，流經(jīng)保護1、3、4的正序電流在動作區(qū)域內(nèi)，方向元件動作；流經(jīng)保護2的正序電流在不動作區(qū)域內(nèi)，方向元件不動作.

圖12　上游相間金屬性短路方向元件動作情況Fig.12Action of directional component during interphase metallic upstream fault

距離B母線2,km的f點處發(fā)生bc相間短路，過渡電阻為10,Ω時，流經(jīng)保護1、2、3、4的正序電流相位如圖13所示.由圖13可見，過渡電阻并未改變方向元件故障方向判定的結(jié)果.

圖13　上游相間非金屬性短路方向元件動作情況Fig.13Action of directional component during interphase non-metallic upstream fault

4.3算例3

光伏電源下游距離C母線2,km處發(fā)生三相金屬性短路時，保護1、2、3、4方向元件的動作情況如圖14所示.由圖14可見，流經(jīng)保護1、3的正序電流在動作區(qū)域內(nèi)，方向元件動作；流經(jīng)保護2、4的正序電流不在動作區(qū)域內(nèi)，方向元件不動作.

圖14　下游三相金屬性短路方向元件動作情況Fig.14Action of directional component during three phase metallic downstream fault

光伏電源下游距離C母線2,km處發(fā)生三相短路，過渡電阻為10,Ω時，保護1、2、3、4方向元件的動作情況如圖15所示.由圖15可見，過渡電阻并未改變方向元件故障方向判定的結(jié)果.

圖15　下游三相非金屬性短路方向元件動作情況Fig.15 Action of directional component during three phase non-metallic downstream fault

4.4算例4

光伏電源下游距離C母線2,km處發(fā)生bc相間金屬性短路時，保護1、2、3、4方向元件的動作情況如圖16所示.由圖16可見，流經(jīng)保護1、3的正序電流在動作區(qū)域內(nèi)，方向元件動作；流經(jīng)保護2、4的正序電流不在動作區(qū)域內(nèi)，方向元件不動作.

圖16　下游相間金屬性短路方向元件動作情況Fig.16 Action of directional component during interphase metallic downstream fault

光伏電源下游距離C母線2,km處發(fā)生bc相間短路，過渡電阻為10,Ω時，保護1、2、3、4的動作情況如圖17所示.由圖17可見，過渡電阻并未改變方向元件故障方向判定的結(jié)果.

圖17　下游相間非金屬性短路方向元件動作情況Fig.17 Action of directional component during interphase non-metallic downstream fault

綜上，本文提出的方向元件判據(jù)可以正確判斷光伏電源接入的配電網(wǎng)中故障正方向，且不受過渡電阻的影響.

5　結(jié)　論

（1） 光伏電源接入的配電網(wǎng)中，系統(tǒng)電源和光伏電源的故障輸出特性不同，因此系統(tǒng)電源側(cè)和光伏電源側(cè)保護方向元件的動作判據(jù)也不同.

（2） 同一保護的正、反方向故障電流由不同側(cè)電源提供，因此其方向元件的動作區(qū)與不動作區(qū)不對稱.

（3） 本文所提出的方向元件判據(jù)能正確判斷光伏電源接入的配電網(wǎng)的故障正方向，且該判據(jù)不受過渡電阻和電壓死區(qū)的影響.

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（責(zé)任編輯：王曉燕）

New Criterion of Directional Component in Distribution System with Photovoltaic Generator

Zhang Huizhi，Li Yongli
（Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Control strategy of photovoltaic（PV）generator is different from traditional generators.Conventional directional component cannot judge the fault direction correctly in distribution system with PV generator，due to the special fault characteristic of PV generator.Thus fault characteristic of PV generator under grid-connected control strategy was investigated as well as the fault characteristic of the grid side generator.Phase characteristics of PV generator and grid side generator fault current were revealed.A new directional component criterion based on the phase information of positive-sequence current and pre-fault voltage was proposed based on this.It was compared with the traditional directional component，and features and setting methods of the directional component in distribution system with PV generator were obtained.This criterion guarantees the reliability of the directional component in various fault situations of distribution system.Besides，it avoids the dead zone and transition resistance problem of traditional directional component.

directional component；photovoltaic generator；distribution system

TM733

A

0493-2137（2016）05-0520-08

10.11784/tdxbz201411064

2014-11-21；

2015-04-20.

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2009CB219704）.

張惠智（1988—），女，博士研究生，xiaozhi_610@126.com.

李永麗，lyltju@163.com.