大型光伏電站匯集系統(tǒng)的故障特性及其線路保護(hù)

賈 科 顧晨杰 畢天姝 魏宏升 楊奇遜

(新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)) 北京 102206)

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大型光伏電站匯集系統(tǒng)的故障特性及其線路保護(hù)

賈 科 顧晨杰 畢天姝 魏宏升 楊奇遜

(新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)) 北京 102206)

集中式與分布式光伏系統(tǒng)在拓?fù)浜涂刂粕系娘@著區(qū)別，造成兩者故障特性的不同，導(dǎo)致現(xiàn)有含分布式光伏的配電網(wǎng)故障分析方法和保護(hù)原理在集中式光伏電站匯集系統(tǒng)中無法適用。為此，針對廣泛應(yīng)用于集中式光伏逆變器中的正負(fù)序雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流控制器，計(jì)及直流側(cè)光伏電池板電源特性影響，推導(dǎo)出不同控制目標(biāo)下故障電流統(tǒng)一表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考察850 MW大型光伏電站內(nèi)35 kV匯集線路的電流保護(hù)性能，證明架空線下游電流保護(hù)存在不能正確動作現(xiàn)象，同時(shí)提出距離保護(hù)新配置方案。在PSCAD/EMTDC中搭建光伏電磁暫態(tài)詳細(xì)模型并利用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性，大量仿真實(shí)例證明了新保護(hù)配置的有效性。研究結(jié)果為大型光伏電站匯集系統(tǒng)保護(hù)配置提供參考。

大型光伏電站 控制目標(biāo) 故障電流 保護(hù)配置

0 引言

為了解決日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境問題，并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)得到迅速發(fā)展，2015年我國新增光伏發(fā)電裝機(jī)量約15 GW，全國光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到約43 GW，超越德國成為全球光伏累計(jì)裝機(jī)容量最大的國家[1]，其中超過80%為場站級光伏發(fā)電。光伏電站采用分散逆變、就地升壓和集中并網(wǎng)的系統(tǒng)，站內(nèi)匯集系統(tǒng)包含多條匯集線路，其保護(hù)準(zhǔn)確動作與否直接關(guān)系到光伏電站的發(fā)電效率，具有重要研究意義。

光伏電站接入電網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范明確要求大中型光伏電站應(yīng)具備低電壓穿越能力[2]，從而給光伏側(cè)保護(hù)留出充裕的動作時(shí)間。光伏自身電源特性和逆變器并網(wǎng)接口的形式，導(dǎo)致其故障電流特征與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)差異較大。光伏電源自身出力的間歇性和隨機(jī)波動性造成故障電流難以預(yù)測[3]，電力電子器件的應(yīng)用造成故障電流特征不明確且幅值受限[4]。上述原因?qū)е铝斯收戏治龇椒肮收嫌?jì)算模型的不明確，給保護(hù)配置帶來了挑戰(zhàn)[5，6]。

掌握光伏電源的故障特性是研究光伏電站內(nèi)保護(hù)的基礎(chǔ)，而光伏逆變器作為全功率變流器，其故障電流特征基本取決于采用的故障穿越控制策略。針對站用光伏逆變器中常用的正、負(fù)序分離的電流控制器，現(xiàn)有文獻(xiàn)根據(jù)不同的控制目標(biāo)提出了相應(yīng)的故障穿越控制策略[7-9]：①以抑制有功功率和直流母線電壓波動為控制目標(biāo)[7]，并網(wǎng)電流伴有負(fù)序分量，無功功率波動較大；②以抑制負(fù)序電流為控制目標(biāo)[8]，有功功率和無功功率出現(xiàn)等幅波動，波動幅值為文獻(xiàn)[7]中無功功率波動幅值的一半；③以抑制有功功率和無功功率波動為目標(biāo)[9]，但并網(wǎng)電流出現(xiàn)畸變等。由此可見，現(xiàn)有系統(tǒng)中逆變器控制具有多樣性，現(xiàn)場需要根據(jù)實(shí)際接入情況選擇具體控制來協(xié)調(diào)功率和電流質(zhì)量[10]，給故障分析計(jì)算增加了難度。同時(shí)，現(xiàn)有研究逆變器接口電源的文獻(xiàn)大都借鑒了永磁風(fēng)機(jī)的分析結(jié)論，認(rèn)為故障后短時(shí)間內(nèi)直流側(cè)等值電源提供的功率不變[7-10]，忽略了站用單級式光伏系統(tǒng)中光伏電池板對故障的快速響應(yīng)特性，其故障暫態(tài)特性將與永磁風(fēng)機(jī)不同，相比而言暫態(tài)過程極短。文獻(xiàn)[11]在研究正、負(fù)序電流控制時(shí)雖然考慮了光伏電池板特性，但僅說明直流側(cè)不需要額外的卸荷措施，沒有進(jìn)一步分析對故障電流的影響。針對單級式光伏系統(tǒng)，現(xiàn)有文獻(xiàn)在分析故障電流的同時(shí)均未考慮光伏電池板特性對故障電流的影響。

目前關(guān)于光伏電源接入電網(wǎng)的保護(hù)研究集中在含分布式光伏的配電網(wǎng)中，對于相同電壓等級的光伏電站內(nèi)匯集系統(tǒng)的保護(hù)研究較少。現(xiàn)有研究重點(diǎn)考慮分布式光伏出力隨機(jī)波動、短路電流受限的特點(diǎn)，以及不同的接入容量、位置對傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)的影響[5，6]。分布式光伏電源模型多采用基于正序分量的控制策略，視作一個(gè)受并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓控制的電流源[12-15]，在對稱和不對稱故障下均只輸出正序電流。在此基礎(chǔ)上提出的分布式光伏接入配電網(wǎng)的故障分析方法均認(rèn)為故障前后短時(shí)間內(nèi)有功功率參考值保持不變[12，13]。在基于本地信息量構(gòu)成的保護(hù)原理研究中，文獻(xiàn)[14]在將光伏電源看作壓控電流源的基礎(chǔ)上結(jié)合方向元件提出了自適應(yīng)電流速斷保護(hù)。文獻(xiàn)[15]針對前者在對稱故障下無法計(jì)算出保護(hù)背側(cè)實(shí)際阻抗的問題提出了自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)。然而，集中式與分布式光伏系統(tǒng)有顯著區(qū)別：①相較于分布式光伏基于正序分量的控制，集中式光伏采用更復(fù)雜的正、負(fù)序分量同時(shí)控制的策略；②不同于分布式光伏的兩級式拓?fù)鋄16]，集中式光伏采用單級式拓?fù)洹Ｒ虼?，兩者的故障特性存在較大區(qū)別。即使大型光伏電站內(nèi)匯集系統(tǒng)與配電網(wǎng)系統(tǒng)有著相似的輻射狀網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有配電網(wǎng)故障分析方法和保護(hù)原理在光伏電站中也難以直接沿用。同時(shí)，上述文獻(xiàn)均認(rèn)為故障后短時(shí)間內(nèi)光伏電源輸出有功功率能保持不變，這一點(diǎn)針對單級式光伏系統(tǒng)不再適用，單級式光伏系統(tǒng)需要計(jì)及光伏電池板的故障響應(yīng)特性。由于光伏電池板沒有轉(zhuǎn)動慣量，當(dāng)兩端電壓發(fā)生變化時(shí)，輸出功率能夠瞬時(shí)變化，對電網(wǎng)故障響應(yīng)迅速。

基于現(xiàn)有文獻(xiàn)對光伏電站故障特性和保護(hù)研究存在的不足，本文推導(dǎo)了站用光伏逆變器在不同控制策略下，適用于對稱和不對稱故障情況的故障電流統(tǒng)一表達(dá)式，與現(xiàn)場短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，證明了所提統(tǒng)一表達(dá)式的正確性。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析匯集系統(tǒng)中階段式電流保護(hù)性能，證明了其存在的不足，并提出了距離保護(hù)的新配置方案，所提保護(hù)方案不受背側(cè)光伏電源影響，從而正確動作。

1 故障電流特征

1.1 電站匯集系統(tǒng)概述

本文以額定容量為850 MW的大型光伏電站內(nèi)一個(gè)匯集站至升壓站的匯集系統(tǒng)為研究對象(站內(nèi)共有14個(gè)匯集站)，如圖1所示。

圖1 大型光伏電站匯集系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 The topology of the collection system in a large-scale PV power plant

該匯集站(圖1中點(diǎn)劃線框標(biāo)注)共匯集64個(gè)1 MW 的光伏發(fā)電單元(圖1中虛線框標(biāo)注)，一個(gè)光伏發(fā)電單元含1臺1 MV·A箱變和兩臺500 kW集中式逆變器。每8個(gè)光伏發(fā)電單元經(jīng)埋地電纜匯集后接入?yún)R集站，每段匯集站母線匯集多條電纜。兩段匯集站母線對應(yīng)兩回35 kV架空線接入升壓站主變壓器。

1.2 控制策略

站內(nèi)匯集系統(tǒng)故障特性取決于逆變器的控制，其控制策略的正確表征與建模是故障電流分析的基礎(chǔ)。正、負(fù)序分離的雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流控制可以做到有功、無功功率間的解耦，有助于簡化參考電流的計(jì)算，因此被廣泛應(yīng)用于集中式逆變器中，其控制框圖如圖2所示。

圖2 雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流控制器Fig.2 Current controllers of a double synchronous rotating frame

電網(wǎng)電壓不對稱條件下，逆變器向電網(wǎng)注入的瞬時(shí)功率可以表示為

(1)

式中，P0和Q0分別為瞬時(shí)有功功率和無功功率的平均直流分量；Pc2、Ps2、Qc2和Qs2分別為瞬時(shí)有功功率和無功功率中的二倍頻分量幅值。

用正、負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的有關(guān)電壓、電流量來表示上述各功率值，可以得到

(2)

由于4個(gè)獨(dú)立電流變量無法同時(shí)控制6個(gè)功率幅值分量，可選擇其中4個(gè)功率分量幅值進(jìn)行控制，或者直接以抑制負(fù)序電流為控制目標(biāo)。根據(jù)不同控制目標(biāo)的參考電流計(jì)算式整理合并得到

(3)

不同的ρ值對應(yīng)不同的故障穿越控制：ρ=1時(shí)，抑制有功功率和直流母線電壓波動；ρ=-1時(shí)，抑制無功功率波動；ρ=0時(shí)，抑制并網(wǎng)負(fù)序電流，從而保證并網(wǎng)電流三相對稱。雖然式(3)是在不對稱電壓條件下得到的，但同樣適用于對稱電壓條件的分析。式(3) 表明，故障期間參考電流取決于所采用的控制算法，不同控制算法影響逆變器輸出的故障電流特征。

1.3 故障電流分析

基于站內(nèi)光伏逆變器控制特性分析，故障發(fā)生后，由于逆變器接口慣性時(shí)間常數(shù)小，光伏發(fā)電單元故障暫態(tài)過程極短，僅為數(shù)毫秒[15]，可以忽略不計(jì)，迅速進(jìn)入故障穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，其故障電流特征主要受故障穿越控制目標(biāo)影響。根據(jù)不同控制目標(biāo)的參考電流計(jì)算式(3)，可以得到光伏逆變器注入電網(wǎng)的正序和負(fù)序短路電流幅值(標(biāo)幺值)為

(4)

(5)

對于三相三線系統(tǒng)，三相電流中僅含正、負(fù)序分量，所以逆變器注入電網(wǎng)的三相電流可以表示為

(6)

式中，θ+=arctan(iq+/id+)；θ-=arctan(iq-/id-)。

將式(5)中正負(fù)序電流幅值代入式(6)，可以得到三相故障電流表達(dá)式

(7)

其中

(8)

(9)

式中，φ=θ++θ-=arctan(eq-/ed-)。

由上面公式推導(dǎo)分析可知，光伏發(fā)電單元故障電流主要受并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓跌落系數(shù)、并網(wǎng)點(diǎn)電壓不對稱度和故障期間輸出的有功、無功功率影響。因?yàn)楣夥姵匕逄厥獾碾妷?功率特性，且無轉(zhuǎn)動慣量，故障后無需卸荷措施直流母線上功率便能迅速過渡到新的平衡，控制器響應(yīng)時(shí)間快，能夠迅速跟上指令值，所以故障暫態(tài)過程短，不會出現(xiàn)明顯衰減分量和諧波分量，穩(wěn)態(tài)期間故障電流穩(wěn)定。

光伏電站內(nèi)設(shè)有靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator，SVG)以補(bǔ)償站內(nèi)變壓器和線路上的無功損耗，故障期間提供無功支撐母線電壓，因此故障前后光伏發(fā)電單元均不提供無功功率。且考慮到該光伏電站內(nèi)逆變器采用了抑制負(fù)序電流的控制策略，因此有Q0′=0和K=0，代入式(7)，可以得到

(10)

(11)

式中，IL為光伏電流，A；I0為反向保護(hù)電流，A；q為電子電荷，q=1.6×10-19C；K為玻耳茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；T為熱力學(xué)溫度，K；A為二極管因子；Rs為串聯(lián)電阻，Ω；Rsh為并聯(lián)電阻，Ω。

雖然光伏電池板獨(dú)特的I-V特性導(dǎo)致故障電流難以準(zhǔn)確計(jì)算，但能有效降低故障電流幅值從而幫助提高故障穿越能力，同時(shí)有利于直流母線上迅速恢復(fù)功率平衡，使得交流側(cè)輸出電流具有暫態(tài)過程短及諧波、衰減分量小的特點(diǎn)，給基于電流基頻分量的保護(hù)運(yùn)用提供了可能。

2 匯集系統(tǒng)保護(hù)分析及新配置方案

2.1 現(xiàn)場保護(hù)配置

該大型光伏電站內(nèi)匯集線路上現(xiàn)有保護(hù)配置為：①電纜上設(shè)有兩段式電流保護(hù)和兩段式零序電流保護(hù)；②架空線上設(shè)有縱聯(lián)電流差動保護(hù)、三段式電流保護(hù)和零序電流保護(hù)，各保護(hù)在線路兩端均配置。

上下級的電流保護(hù)通過定值和時(shí)延相互配合，而各處零序電流保護(hù)整定值相同，完全通過時(shí)延配合。具體整定配合原則參見附錄。

2.2 電流保護(hù)性能分析

結(jié)合1.3節(jié)中分析得到的故障電流特征，這里將重點(diǎn)考察匯集系統(tǒng)現(xiàn)有電流保護(hù)的性能?？紤]到零序電流保護(hù)能有效隔離接地故障，下面主要分析匯集系統(tǒng)中發(fā)生相間短路故障時(shí)電流保護(hù)的動作情況。

若電纜上發(fā)生故障，見圖3中k1，流過故障電纜上保護(hù)安裝處的短路電流由系統(tǒng)、相鄰主變壓器及相鄰架空線和電纜提供，該電流一定大于該處電流保護(hù)I段、II段整定值(具體整定值見附錄，下同)。故障電纜所在的架空線上流過的電流由系統(tǒng)、相鄰主變壓器及相鄰架空線提供，故架空線上電流保護(hù)II段、III段能夠可靠啟動作為遠(yuǎn)后備。但是，當(dāng)故障接近電纜出口且為三相短路時(shí)，由于架空線上游電流保護(hù)I段對架空線末端三相短路有2倍靈敏度，而下游電流保護(hù)I段靈敏度較上游處更高，此時(shí)下游電流保護(hù)I段可能會瞬時(shí)動作，從而失去選擇性，擴(kuò)大斷電范圍。

圖3 匯集系統(tǒng)故障示意圖Fig.3 Schematic diagram of the collection system

若架空線上發(fā)生故障，見圖3中k2，流過故障架空線上游保護(hù)安裝處的電流由系統(tǒng)、相鄰主變壓器及相鄰架空線提供，上游電流保護(hù)能夠可靠動作，而下游保護(hù)安裝處流過的電流為該架空線接入的光伏發(fā)電單元提供的短路電流。為了防止相鄰線路下游電流保護(hù)的誤動，下游電流保護(hù)各段定值躲過光伏逆變器能提供的最大短路電流(一般為額定電流的1.1～1.2倍)，導(dǎo)致本線路電流保護(hù)也無法動作。因此，當(dāng)架空線上發(fā)生相間短路故障，且差動電流保護(hù)失靈時(shí)(如通信裝置故障等情況)，上游電流保護(hù)經(jīng)短暫延時(shí)動作隔離故障，而下游電流保護(hù)無法動作，對應(yīng)光伏系統(tǒng)將繼續(xù)向故障點(diǎn)供電，可能導(dǎo)致電路元件損毀，給檢修工作人員帶來安全問題。

綜上分析，現(xiàn)有架空線下游電流保護(hù)存在的主要問題是：①靠近電纜出口處發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)可能誤動；②架空線上發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)無法動作。

2.3 保護(hù)配置新方案

架空線上游流向故障點(diǎn)電流為

(12)

保護(hù)p處測量電壓和故障電流關(guān)系可以表示為

(13)

式中，α為故障點(diǎn)距上游保護(hù)安裝處距離與線路全長比，0<α<1；Z1為架空線全長正序阻抗。

(14)

當(dāng)故障點(diǎn)靠近架空線出口處時(shí)，即α接近于0，故障線路與相鄰線路下游距離保護(hù)測量阻抗相近。若距離保護(hù)僅設(shè)置I段，為防止相鄰線路保護(hù)的誤動，距離I段需要延時(shí)動作，待上游電流保護(hù)動作使相鄰線路與故障隔離后，下游距離保護(hù)才能動作，導(dǎo)致架空線全線故障時(shí)距離保護(hù)都需經(jīng)較長延時(shí)動作(大于0.9 s)。為了保證架空線下游距離保護(hù)盡可能快地隔離故障，配置瞬時(shí)動作的距離I段的同時(shí)配置帶延時(shí)的距離II段。距離I段保護(hù)范圍應(yīng)盡可能接近線路全長，距離II段保護(hù)范圍大于線路全長，動作延時(shí)大于上游電流保護(hù)動作延時(shí)。而電纜上發(fā)生故障時(shí)，距離保護(hù)視為區(qū)外故障而閉鎖，上游電流保護(hù)作為遠(yuǎn)后備保護(hù)，因?yàn)樯嫌坞娏鞅Ｗo(hù)I段延時(shí)0.1 s，所以在電纜出口處故障時(shí)保證了選擇性。

綜上，考慮一定裕度，架空線下游距離保護(hù)的整定原則為

(15)

3 仿真與現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場短路試驗(yàn)與仿真對比

在該850 MW的大型光伏電站內(nèi)35 kV架空線路上進(jìn)行人工短路試驗(yàn)，故障點(diǎn)如圖3中k2，此時(shí)α接近1。在8.86 s時(shí)發(fā)生B相接地故障，9.09 s時(shí)發(fā)展為BC兩相接地故障，9.17 s時(shí)故障所在架空線被切除，架空線上游35 kV母線電壓如圖4a所示。需要說明的是，短路試驗(yàn)期間光伏發(fā)電單元工作在非額定條件下，約0.6(pu)，故障前后均運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，且故障期間接地變壓器和SVG均未投入運(yùn)行。由于箱式變壓器聯(lián)結(jié)組別為Yd11-d11，主變壓器聯(lián)結(jié)組別為YNd11，單相接地故障期間箱式變壓器低壓側(cè)電壓感受不到故障，所以光伏側(cè)輸出電流和故障前一致，如圖4b所示(記錄該電流數(shù)據(jù)的測點(diǎn)位于相鄰架空線上游開關(guān)處)。

圖4 短路試驗(yàn)電壓電流錄波Fig.4 Voltage and current waveforms recorded during the short-circuit test

如圖4所示，BC兩相接地故障發(fā)生后，光伏系統(tǒng)輸出電流迅速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，沒有出現(xiàn)衰減分量和明顯的諧波分量，保持三相對稱，同時(shí)故障電流幅值沒有出現(xiàn)明顯增大，與前文分析的故障電流特征一致。采用同樣的控制策略，在PSCAD/EMTDC中搭建光伏發(fā)電單元詳細(xì)模型，再現(xiàn)故障情景，相同測點(diǎn)位置的仿真波形如圖5所示。在控制器參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等因素不能完全復(fù)現(xiàn)的情況下，仿真得到的光伏發(fā)電單元故障電流暫態(tài)過程較現(xiàn)場試驗(yàn)波形明顯，但暫態(tài)過程同樣較短，且暫態(tài)電流幅值沒有超過額定電流，對后續(xù)保護(hù)分析不會產(chǎn)生影響，故障穩(wěn)態(tài)期間與現(xiàn)場波形吻合度高，證明了仿真控制策略與現(xiàn)場較為一致。

圖5 仿真電壓電流波形Fig.5 Voltage and Current waveforms of simulation results

圖6中為圖4b測點(diǎn)的瞬時(shí)功率及其直流分量波形。BC兩相接地故障期間，有功功率直流分量P0出現(xiàn)明顯的降低(傅里葉變換窗長導(dǎo)致故障前P0的減小)，而無功功率直流分量Q0近似為零。P0與光伏陣列輸出功率相關(guān)，說明光伏陣列的電源特性有助于限制故障電流幅值，所以傳統(tǒng)光伏電源接入電網(wǎng)的故障電流分析方法認(rèn)為故障后短時(shí)間內(nèi)光伏電源提供有功功率不變的做法對于站內(nèi)光伏系統(tǒng)是不適用的。

圖6 短路試驗(yàn)瞬時(shí)功率Fig.6 Instantaneous power flow at the measuring point

3.2 保護(hù)仿真結(jié)果

3.1節(jié)驗(yàn)證了仿真模型與現(xiàn)場實(shí)際控制一致性較高，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)仿真分析原有保護(hù)配置和提出的新保護(hù)配置的性能。

圖7為一回35 kV架空線中點(diǎn)發(fā)生BC兩相短路故障時(shí)架空線下游電流保護(hù)的動作情況，由于電流保護(hù)I段整定值要遠(yuǎn)大于II段、III段，故未在圖中顯示。故障前，光伏電站工作在0.6(pu)，故障發(fā)生后，故障架空線的光伏系統(tǒng)提供的短路電流幅值接近1(pu)，而相鄰架空線的光伏系統(tǒng)提供的短路電流幅值約為0.8(pu)，因此故障線路與相鄰線路下游電流保護(hù)各段都無法動作。

圖7 架空線中點(diǎn)發(fā)生BC兩相短路故障時(shí)架空線下游電流保護(hù)動作情況Fig.7 Operation results of the overcurrent relay at downstream of the overhead line in case a BC fault at midpoint of an overhead line

為驗(yàn)證所提光伏側(cè)距離保護(hù)的有效性，采用不同系統(tǒng)運(yùn)行方式、光伏電站出力情況及不同故障類型算例進(jìn)行驗(yàn)證。

系統(tǒng)與光伏電站容量比為10∶1，光伏電站工作在0.6(pu)時(shí)，在一回架空線上距匯集站10%Z1處發(fā)生AB兩相接地故障，圖8為距離保護(hù)動作情況，其中圖8a、圖8b分別對應(yīng)故障線路的接地、相間距離保護(hù)元件，圖8c、圖8d分別對應(yīng)相鄰線路的接地、相間距離保護(hù)元件(圖9同此)。故障發(fā)生后，故障線路的接地、相間距離保護(hù)的故障相測量阻抗經(jīng)短暫的暫態(tài)過程后，均能準(zhǔn)確進(jìn)入I段動作圓內(nèi)，且測量結(jié)果穩(wěn)定，而相鄰線路距離保護(hù)可靠不動作。

圖8 架空線上距匯集站10%Z1處發(fā)生AB兩相接地故障時(shí)距離保護(hù)動作情況Fig.8 Operation results of the distance relays at downstream of the overhead lines in case an ABG fault at 10%Z1 away from a collection station

系統(tǒng)與光伏電站容量比為30∶1，光伏電站工作在0.8(pu)時(shí)，在一回架空線上距匯集站90%Z1處發(fā)生CA兩相短路故障，圖9為距離保護(hù)動作情況。故障發(fā)生后，故障線路相間距離保護(hù)的故障相測量阻抗經(jīng)短暫的暫態(tài)過程后能準(zhǔn)確進(jìn)入II段動作圓內(nèi)，而相鄰線路的距離保護(hù)可靠不動作。

圖9 架空線上距匯集站90%Z1處CA兩相短路故障時(shí)距離保護(hù)動作情況Fig.9 Operation results of the distance relays at downstream of the overhead lines in case a CA fault at 90% Z1 away from a collection station

因?yàn)榧芸站€距離保護(hù)整定值較小，動作圓較小，當(dāng)區(qū)內(nèi)經(jīng)過渡電阻短路時(shí)，受系統(tǒng)側(cè)助增電流影響，測量阻抗容易落在區(qū)外。因此在實(shí)際應(yīng)用中可采用耐受過渡電阻能力較強(qiáng)的四邊形阻抗元件(類似于傳統(tǒng)距離保護(hù))，待上游保護(hù)動作后，系統(tǒng)側(cè)不再提供短路電流，下游保護(hù)安裝處測量阻抗易進(jìn)入四邊形內(nèi)。而在電纜出口處故障時(shí)，架空線上距離保護(hù)方向阻抗元件將其判斷為區(qū)外故障，能夠可靠不動作，限于篇幅，這里不再贅述。

表1中針對不同故障位置、光伏出力條件、故障類型等情形給出了典型保護(hù)動作情況。表中“+”表示該保護(hù)各段都能啟動，“-”表示各段都無法啟動，羅馬數(shù)字表示只有該段能夠啟動。

表1仿真結(jié)果表明，在架空線下游采用所提距離保護(hù)配置后，匯集電纜出口處故障時(shí)，在40%和60%光伏出力條件及不同故障類型情況下，方向性阻抗元件均將故障視作區(qū)外故障，可靠不動作，保證了選擇性。當(dāng)架空線路上α=0.5處發(fā)生故障時(shí)，下游距離保護(hù)對應(yīng)各段能夠可靠準(zhǔn)確啟動，不受光伏出力條件和故障類型影響；當(dāng)架空線路上α=0.9處發(fā)生故障時(shí)，下游距離保護(hù)II段能夠可靠啟動，同樣不受光伏出力條件和故障類型影響，因此在差動保護(hù)失靈時(shí)，距離保護(hù)能夠可靠將光伏系統(tǒng)與故障隔離?？紤]到匯集線路上單相接地故障時(shí)光伏側(cè)輸出電流無明顯變化，表1中未給出單相接地故障情況，但距離保護(hù)同樣可以很好地隔離單相接地故障，這是電流保護(hù)所做不到的。

因此，本文所提方法能夠有效解決現(xiàn)有架空線下游電流保護(hù)誤動和拒動的問題，且能夠適應(yīng)光伏出力隨機(jī)波動的特點(diǎn)。

表1 匯集系統(tǒng)中發(fā)生相間短路時(shí)各保護(hù)啟動情況

4 結(jié)論

本文首先推導(dǎo)出適用于多種控制目標(biāo)的站內(nèi)光伏逆變器故障電流統(tǒng)一計(jì)算式，結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)行采用的控制進(jìn)行故障電流特征分析，在此基礎(chǔ)上分析站內(nèi)現(xiàn)有電流保護(hù)的適應(yīng)性，針對其不足提出了距離保護(hù)新配置方案。傳統(tǒng)含分布式光伏的故障電流分析方法和保護(hù)整定計(jì)算中認(rèn)為分布式光伏采用基于正序分量的控制，故障前后短時(shí)間內(nèi)有功功率參考值不變。而光伏電站內(nèi)光伏系統(tǒng)的逆變器結(jié)構(gòu)、控制與分布式光伏有所不同，故障特性也有所不同，且仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)都表明故障期間光伏電池板電源特性有助于抑制故障電流幅值，不能忽略光伏電池板對故障的響應(yīng)特性，導(dǎo)致現(xiàn)有故障分析和保護(hù)整定方法不適用。對此，本文結(jié)合站用匯集系統(tǒng)故障電流特征提出的距離保護(hù)代替匯集系統(tǒng)架空線下游電流保護(hù)的方案，在解決現(xiàn)有保護(hù)誤動和拒動問題的同時(shí)，可以有效避免光伏側(cè)短路電流門檻值整定的問題，且不受光伏出力條件影響，有一定的實(shí)際工程價(jià)值。

附 錄

注：If(3)—架空線末端發(fā)生三相短路時(shí)的短路電流;Ie—單條電纜上所有光伏發(fā)電單元提供的額定電流和；n—單條匯集站母線接入的電纜數(shù)；Ia,Ib—零序電流保護(hù)整定值。

[1] 白文亭.探尋光伏巨頭工廠里的搬運(yùn)神器——林德助力阿特斯實(shí)現(xiàn)高效可靠智能物流[J].電氣時(shí)代，2016(2)：31-32. Bai Wenting.Explore the handling artifacts in the solar giant factory—Linde helps Artes achieve efficient，reliable and intelligent logistics[J].Electric Age，2016(2)：31-32.

[2] GB/T19964-2012.光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[3] 陳麗，張晉國，蘇海鋒.考慮并網(wǎng)光伏電源出力時(shí)序特性的配電網(wǎng)無功規(guī)劃[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(12)：120-127. Chen Li，Zhang Jinguo，Su Haifeng.Reactive power planning for distribution system with grid-connected photovoltaic system considering time-sequence characteristics[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(12)：120-127.

[4] 郭小強(qiáng)，鄔偉揚(yáng)，漆漢宏.電網(wǎng)電壓畸變不平衡情況下三相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(3)：22-28. Guo Xiaoqiang，Wu Weiyang，Qi Hanhong.Control strategies of three-phase PV grid-connected inverter under distorted and unbalanced voltage conditions[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(3)：22-28.

[5] 陳一懷，詹紅霞，許玉貞，等.基于繼電保護(hù)配合的分布式電源準(zhǔn)入容量研究[J].電氣技術(shù)，2014(6)：52-55. Chen Yihuai，Zhan Hongxia，Xu Yuzhen，et al.Research of allowed penetration level of distributed generation based on relay protection[J].Electrical Engineering，2014(6)：52-55.

[6] 張海玉，劉闖，晁勤，等.具有LVRT能力的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)繼電保護(hù)問題研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43(3)：53-60. Zhang Haiyu，Liu Chuang，Chao Qin，et al.Research on relay protection issues of grid-connected photovoltaic system with LVRT ability[J].Power System Protection and Control，2015，43(3)：53-60.

[7] Yin Bo，Oruganti R，Panda S K，et al.An output-power-control strategy for a three-phase PWM rectifier under unbalanced supply conditions[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(5)：2140-2151.

[8] 姜衛(wèi)東，吳志清，李王敏，等.電網(wǎng)不對稱時(shí)抑制負(fù)序電流并網(wǎng)逆變器的控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(16)：77-84. Jiang Weidong，Wu Zhiqing，Li Wangmin，et al.Control strategy of suppressing negative sequence current of grid-connected inverter base on asymmetric grid[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(16)：77-84.

[9] 姜衛(wèi)東，吳志清，胡楊，等，電網(wǎng)不對稱時(shí)并網(wǎng)逆變器不同約束條件下控制問題分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39(19)：113-120，136. Jiang Weidong，Wu Zhiqing，Hu Yang，et al.Analysis of control strategy for grid-connected inverter under different constraints based on asymmetric grid[J].Automation of Electric Power Systems，2015，39(19)：113-120，136.

[10]陽同光，桂衛(wèi)華.電網(wǎng)不平衡情況下并網(wǎng)逆變器多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(11)：148-157. Yang Tongguang，Gui Weihua.Research on multi-objective coordinated control strategies of grid-connected inverter under unbalanced voltage conditions[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(11)：148-157.

[11]周京華，劉勁東，陳亞愛，等.大功率光伏逆變器的低電壓穿越控制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(7)：1799-1807. Zhou Jinghua，Liu Jindong，Chen Yaai，et al.Low voltage ride-through control of high power inverter for grid-connection of photovoltaic generation[J].Power System Technology，2013，37(7)：1799-1807.

[12]孔祥平，張哲，尹項(xiàng)根，等.含逆變型分布式電源的電網(wǎng)故障電流特性與故障分析方法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(34)：65-74. Kong Xiangping，Zhang Zhe，Yin Xianggen，et al.Study on fault current characteristics and fault analysis method of power grid with inverter interfaced distributed generation[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(34)：65-74.

[13]潘國清，曾德輝，王鋼，等.含PQ控制逆變型分布式電源的配電網(wǎng)故障分析方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(4)：555-561. Pan Guoqing，Zeng Dehui，Wang Gang，et al.Fault analysis on distribution network with inverter interfaced distributed generations based on PQ control strategy[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(4)：555-561.

[14]孫景釕，李永麗，李盛偉，等.含逆變型分布式電源配電網(wǎng)自適應(yīng)電流速斷保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33(14)：71-76. Sun Jingliao，Li Yongli，Li Shenguei，et al.Study on adaptive current instantaneous trip protection scheme for distribution network with inverter interfaced DG[J].Automation of Electric Power Systems，2009，33(14)：71-76.

[15]陳曉龍，李永麗，譚會征，等.含逆變型分布式電源的配電網(wǎng)自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39(9)：107-112. Chen Xiaolong，Li Yongli，Tan Huizheng，et al.An adaptive instantaneous trip protection based on positive-sequence current for distribution network with IBDG[J].Automation of Electric Power Systems，2015，39(9)：107-112.

[16]易映萍，羅海，胡四全.小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制策略的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，44(4)：64-68. Yi Yingping，Luo Hai，Hu Siquan.Study on control scheme based on low-power photovoltaic grid-connected inverter[J].Power System Protection and Control，2016，44(4)：64-68.

[17]傅望，周林，郭珂，等.光伏電池工程用數(shù)學(xué)模型研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(10)：211-216. Fu Wang，Zhou Lin，Guo Ke，et al.Research on engineering analytical model of solar cells[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(10)：211-216.

(編輯 赫蕾)

Fault Characteristics and Line Protection within the Collection System of a Large-Scale Photovoltaic Power Plant

JiaKeGuChenjieBiTianshuWeiHongshengYangQixun

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China)

Centralized photovoltaic(PV)systems have different fault behaviors from distributed PV systems due to the differences in the structure and controls.This makes fault analysis and protection methods in distribution networks with distributed PV not suitable for centralized PV plants.Therefore，the widely-used current controllers under the double synchronous rotating frame(DSRF)are considered，as well as the characteristics of PV arrays，and then a consolidated expression for the fault current is calculated under different controls.Based on the analyzed fault current characteristics and the on-site short test data，the performance of current protection relays on 35 kV collection lines is evaluated within an 850 MW large-scale PV plant.The evaluation revealed that the overcurrent relays at the downstream side on overhead lines might malfunction and thus a new relay scheme is proposed using distance elements.In the PSCAD/EMTDC，an electromagnetic PV transient model in detail is built and verified using the on-site test data.Finally，considerable simulation results verified the proposed relay scheme.The research in this paper can help improve the protection performance within PV plants.

Large-scale photovoltaic plant，control scheme，fault current，protection scheme

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0900203)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51407067)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2016ZZD01)資助。

2016-04-06 改稿日期2016-07-18

TM615

賈 科 男，1986年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制、新型配電網(wǎng)故障定位與系統(tǒng)自我恢復(fù)。

E-mail：ke.jia@ncepu.edu.cn(通信作者)

顧晨杰 男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥娬究刂婆c保護(hù)。

E-mail：guchenj@ncepu.edu.cn