光伏電站接入對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響研究*

孫苗苗，王慧，朱曉榮

（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)），河北保定071003）

0 引 言

太陽能發(fā)電具有污染少、來源廣泛、安裝地點(diǎn)靈活等優(yōu)點(diǎn)，被世界各國廣泛使用。然而，大量光伏電站接入配電網(wǎng)，在增加系統(tǒng)運(yùn)行方式靈活性的同時(shí)，也增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的影響也越來越突出［1－3］。

近年來，光伏電站接入對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響問題成為了研究的熱點(diǎn)［4－6］。文獻(xiàn)［7］將分布式電源短路計(jì)算模型等效為傳統(tǒng)電壓源串聯(lián)阻抗，分析推導(dǎo)了不同位置故障時(shí)各處保護(hù)短路電流公式及其對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響。文獻(xiàn)［8］將光伏電源等效為恒功率模型，定性分析了光伏并網(wǎng)后不同位置故障對(duì)饋線各處保護(hù)的影響，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，指出配電網(wǎng)中接入光伏電源后，原有電流保護(hù)不再能夠正確反應(yīng)于故障，需要重新整定動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)限。文獻(xiàn)［9］定性分析了分布式電源并入配電網(wǎng)不同饋線不同區(qū)段以及不同位置發(fā)生故障時(shí)對(duì)原有配網(wǎng)電流保護(hù)的影響，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。上述文獻(xiàn)將光伏電站的短路計(jì)算模型單純的等效為傳統(tǒng)電源模型或者恒功率模型，未考慮實(shí)際光伏電站的故障特性，對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響多是定性分析，并且主要分析故障位置不同對(duì)配網(wǎng)電流保護(hù)的影響，光伏電站接入對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響有待進(jìn)一步研究。

文章首先探討了常規(guī)控制策略下光伏電站的短路計(jì)算模型，然后從短路點(diǎn)位置、光伏電站容量和光伏電站接入位置三方面，分析了光伏電站接入對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，最后在 DIgSILENT/Power Factory軟件平臺(tái)上仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 光伏電站短路計(jì)算模型

光伏逆變器是整個(gè)光伏電站的核心，光伏電站的故障特性和短路計(jì)算模型主要取決于逆變器的控制策略。

光伏逆變器常規(guī)控制主要采用基于電網(wǎng)電壓定向矢量控制方法實(shí)現(xiàn)有功無功解耦控制［10］。一般情況下，外環(huán)為功率控制，內(nèi)環(huán)為電流控制，有功功率為最大追蹤控制，無功功率控制為0。實(shí)際運(yùn)行中，為了保護(hù)逆變器的安全，一般對(duì)光伏逆變器輸出電流進(jìn)行限幅，通常為1.2～1.5倍額定電流［11］。

發(fā)生不嚴(yán)重故障時(shí)，端口電壓降低不嚴(yán)重，光伏逆變器的功率外環(huán)控制起決定性作用，有功電流增大，但增大后的電流幅值仍在限幅門檻之內(nèi)。此時(shí)經(jīng)過一個(gè)短暫的過渡過程后，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率仍然等于故障前的輸出功率，光伏發(fā)電系統(tǒng)等效于一個(gè)恒功率源。

發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，由于端口電壓降低，為了保持功率恒定，將輸出較大電流，由于受電流內(nèi)環(huán)限幅限制，功率外環(huán)將失去作用，雙環(huán)控制變成了純電流控制。此時(shí)光伏系統(tǒng)的輸出電流將變?yōu)楣夥孀兤鞯南薹?，等效為一個(gè)恒電流源。

綜上兩種情況，發(fā)生故障時(shí)，常規(guī)控制策略下的光伏發(fā)電系統(tǒng)可以等效為一個(gè)受控電流源進(jìn)行分析。

2 光伏電站接入對(duì)電流保護(hù)影響分析

選取如圖1所示的典型配電網(wǎng)模型作為研究對(duì)象，推導(dǎo)出不同情況下流過保護(hù)裝置的短路電流計(jì)算公式，并分析光伏電站接入對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)產(chǎn)生的影響。

圖1 光伏電站接入配電網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of PV power station connecting to distribution network

光伏電站接入配電網(wǎng)等效電路圖見圖2，系統(tǒng)電源電壓為 ES，等效阻抗為 ZS，ZAB、ZBC、ZAC、ZCD和 ZAE分別為線路AB、BC、AC、CD和AE的阻抗。按圖1中所述，將光伏電站等效為壓控電流源模型。

圖2 光伏電站接入配電網(wǎng)等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of PV power station connecting to distribution network

假設(shè)α表示線路短路點(diǎn)距離各自系統(tǒng)側(cè)母線的距離占該段線路總長的百分比。另外假設(shè)下述故障均考慮為金屬性短路，光伏電站接入對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)影響分析如下。

2.1 短路點(diǎn)位置對(duì)電流保護(hù)的影響

假設(shè)光伏電站接入點(diǎn)C母線和光伏電站的容量固定，短路點(diǎn)位置對(duì)電流保護(hù)的影響理論分析如下：

（1）下游線路CD故障

流過保護(hù)1和保護(hù)2處電流為：

上式分為兩部分，第一部分為不含光伏電站時(shí)流過保護(hù)1的短路電流大小，第二部分為因光伏電站接入后使流過保護(hù)1的短路電流的減少。所以，光伏電站的接入會(huì)降低上游線路保護(hù)1和保護(hù)2的靈敏度，甚至可能導(dǎo)致電流保護(hù)二段拒動(dòng)。

流過保護(hù)3處電流為：

上式也分為兩部分，第一部分為不含光伏電站時(shí)流過保護(hù)3的短路電流大小，第二部分為因光伏電站接入后使流過保護(hù)3的短路電流的增加（保護(hù)范圍增大）。所以，光伏電站的接入增大了保護(hù)3的靈敏性，甚至可能會(huì)引起下級(jí)線路故障時(shí)下游線路保護(hù)3的誤動(dòng)，從而失去選擇性。

（2）上游線路故障

（a）AB線路故障

流過保護(hù)2的短路電流為：

流過保護(hù)2處的電流為光伏電站的電流大小，所以可能引起上游線路保護(hù)2的反向誤動(dòng)作。

流過保護(hù)1處短路電流僅由系統(tǒng)電源提供，與光伏電站接入無關(guān)，所以不會(huì)對(duì)保護(hù)1產(chǎn)生影響。

（b）BC線路故障

流過保護(hù)1和保護(hù)2處短路電流僅由系統(tǒng)電源提供，與光伏電站接入無關(guān)，所以對(duì)保護(hù)1和保護(hù)2無影響。

可以看出，上游線路故障時(shí)，可能會(huì)引起光伏電站接入點(diǎn)到短路點(diǎn)之間的上游線路保護(hù)反向誤動(dòng)。

（3）相鄰線路AE故障

相鄰線路AE故障系統(tǒng)等效電路圖如圖3所示。流過保護(hù)1和保護(hù)2處電流僅由光伏電站提供，其大小為：

圖3 相鄰線路AE故障系統(tǒng)等效電路圖Fig.3 System equivalent circuit diagram with fault in the adjacent line AE

流過保護(hù)1和保護(hù)2處的電流為光伏電站的電流大小，所以可能引起上游線路保護(hù)1和保護(hù)2的反向誤動(dòng)作。

流過保護(hù)4處電流為：

上式也分為兩部分，第一部分為不含光伏電站時(shí)流過保護(hù)4的短路電流大小，第二部分為因光伏電站接入后使流過保護(hù)4的短路電流的增加。所以，光伏電站的接入增大了保護(hù)4的靈敏性，甚至可能會(huì)引起下級(jí)線路故障時(shí)相鄰線路保護(hù)4的誤動(dòng)，從而失去選擇性。

2.2 光伏電站容量對(duì)電流保護(hù)的影響

假設(shè)光伏電站接入點(diǎn)和故障發(fā)生點(diǎn)的位置是固定的，且光伏電站均為額定出力。以下游線路CD故障為例，其等效電路圖如圖4所示。

圖4 下游線路CD故障系統(tǒng)等效電路圖Fig.4 System equivalent circuit diagram with fault in the downstream line CD

假設(shè)：光伏逆變器輸出電流未達(dá)到限幅，其為恒功率模型且只輸出有功功率，即＝P＋j Q≈P，由節(jié)點(diǎn)電壓法可得：

式中 A0＝αZCD＋ZS＋ZAC；B0＝αZCDEScosδ；C0＝αZCD（ZS＋ZAC）。

流過保護(hù)3的電流大?。?/p>

流過保護(hù)1和保護(hù)2的電流大?。?/p>

假設(shè)光伏逆變器輸出電流達(dá)到限幅，設(shè)限幅k倍額定電流，由節(jié)點(diǎn)電壓法有：

式中 A1＝（αZCD＋ZS＋ZAC）UNcosγ；B1＝αZCDESUNcosθ；C1＝kαZCD（ZS＋ZAC）。

流過保護(hù)3的電流大?。?/p>

流過保護(hù)1和保護(hù)2的電流大小：

由式（10）、式（11）、式（15）和式（16）可知，光伏電站容量越大，不論光伏逆變器輸出電流是否達(dá)到限幅，流經(jīng)其下游線路保護(hù)3的電流越大，流經(jīng)其上游線路保護(hù)1和保護(hù)2的電流越小。當(dāng)光伏電站達(dá)到一定容量時(shí)，可能會(huì)對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的配合產(chǎn)生一定影響。

2.3 光伏電站接入位置對(duì)電流保護(hù)的影響

假設(shè)光伏電站容量和故障發(fā)生點(diǎn)的位置是固定的，下面研究光伏電站接入位置對(duì)電流保護(hù)的影響，同樣以下游線路線路CD故障為例，其等效電路圖如圖5所示。其中β為光伏電站接入位置占線路AC總長的百分比。

圖5 下游線路CD故障系統(tǒng)等效電路圖Fig.5 System equivalent circuit diagram with fault in the downstream line CD

假設(shè)光伏逆變器輸出電流未達(dá)到限幅，同理可得流過保護(hù)3的電流大?。?/p>

流過保護(hù)1和保護(hù)2的電流大小：

假設(shè)光伏逆變器輸出電流達(dá)到限幅，流過保護(hù)3的電流大?。?/p>

流過保護(hù)1和保護(hù)2的電流大小：

式中 Z（1－β）和Z（β）分別為1－β和 β的一次函數(shù)，Z（1－β）＝（1－β）ZAC＋αZCD，Z（β）＝ZS＋βZAC。受篇幅限制，式（17）～式（20）推導(dǎo)不再給出。

由式（17）～式（20）可知，當(dāng)光伏電站接入位置越靠近系統(tǒng)，即β越小，不論光伏逆變器輸出電流是否達(dá)到限幅，流過下游線路保護(hù)3的電流越小，然而，流過上游線路保護(hù)1和保護(hù)2的電流不限幅時(shí)的電流越大，限幅時(shí)存在最小值。

3 仿真分析

配電網(wǎng)電壓等級(jí)35 kV，系統(tǒng)短路容量為1 000 MW，阻抗比 R/X＝0.1；架空線路 AB、BC、CD和 AE長度分別為20 km、20 km、20 km和30 km，線路單位阻抗為 R＝0.132Ω/km，X＝0.389Ω/km；負(fù)荷 LD1、LD2均為10 MW；光伏逆變器限幅1.2倍。采用瞬時(shí)電流速斷保護(hù)和限時(shí)電流速斷保護(hù)構(gòu)成的兩段保護(hù)。其中，瞬時(shí)電流速斷保護(hù)可靠系數(shù)取1.2，限時(shí)電流速斷保護(hù)可靠系數(shù)取1.1。具體各個(gè)保護(hù)整定值和動(dòng)作時(shí)間見表1。

表1 配電網(wǎng)各保護(hù)整定值和整定時(shí)間Tab.1 Setting value and setting time of distribution network protection

（1）光伏電站容量和短路點(diǎn)位置對(duì)電流保護(hù)的影響

（a）CD線路末端發(fā)生三相短路故障

由表2，光伏電站容量越大，流經(jīng)其下游線路保護(hù)3的電流也就越大，流經(jīng)其上游線路保護(hù)1和保護(hù)2的電流越小。光伏電站并網(wǎng)位置下游線路故障時(shí)，接入點(diǎn)到故障點(diǎn)之間的下游線路，線路保護(hù)3流過電流增大，保護(hù)范圍增大，當(dāng)其容量超過一定值時(shí)（表中30 MW），甚至引起了保護(hù)3誤動(dòng)，使保護(hù)失去了選擇性；接入點(diǎn)上游線路保護(hù)1和保護(hù)2流過電流減小，靈敏度減小，有拒動(dòng)的可能。

表2 隨光伏電站容量變化各保護(hù)流過短路電流Tab.2 Short circuit current of the protection varies with PV power station capacity

（b）AE線路末端發(fā)生三相短路故障

由表3，相鄰線路故障時(shí)，接入點(diǎn)上游線路保護(hù)1和保護(hù)2流過電流與光伏電站送出電流相等，有反向誤動(dòng)的可能；相鄰線路保護(hù)4流過電流增大，保護(hù)范圍增大，有誤動(dòng)的可能。

表3 隨光伏電站容量變化各保護(hù)流過短路電流Tab.3 Short circuit current of the protection varies with PV power station capacity

（c）AB線路末端發(fā)生三相短路故障

由表4，上游線路線路故障時(shí)，接入點(diǎn)到故障點(diǎn)之間的上游線路保護(hù)2流過電流與光伏電站送出電流相等，有反向誤動(dòng)的可能。

表4 隨光伏電站容量變化各保護(hù)流過短路電流Tab.4 Short circuit current of the protection varies with PV power station capacity

（2）光伏電站接入位置對(duì)電流保護(hù)的影響

光伏電站固定30 MW，CD線路末端發(fā)生三相短路故障。

表5 隨光伏電站接入位置變化各保護(hù)流過短路電流Tab.5 Short circuit current of the protection varies with PV power station connecting location

由表5可知，光伏電站接入位置越靠近系統(tǒng)側(cè)，下游保護(hù)2（接入位置在AB線路上）和保護(hù)3故障電流越小，上游線路保護(hù)1和保護(hù)2（接入位置在BC線路上）不限幅時(shí)的電流越大，限幅時(shí)出現(xiàn)最小值。

4 結(jié)束語

從短路點(diǎn)位置、光伏電站容量和接入位置三個(gè)方面分析了對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響，得到如下結(jié)論：

（1）短路點(diǎn)位置在接入點(diǎn)上游，可能引起接入點(diǎn)下游線路保護(hù)靈敏度增加甚至誤動(dòng)，接入點(diǎn)上游線路保護(hù)的靈敏性降低甚至拒動(dòng)；短路點(diǎn)位置在接入點(diǎn)下游，可能引起接入點(diǎn)到短路點(diǎn)之間的上游線路保護(hù)反向誤動(dòng)；短路點(diǎn)位置在相鄰線路，可能引起相鄰線路保護(hù)的靈敏度增加甚至誤動(dòng)，引起接入點(diǎn)上游線路保護(hù)的反向誤動(dòng)；

（2）接入位置下游線路故障時(shí)，光伏電站容量越大，不論光伏逆變器輸出電流是否達(dá)到限幅，流經(jīng)其下游線路保護(hù)的電流越大，流經(jīng)其上游線路保護(hù)的電流越小。當(dāng)光伏電站達(dá)到一定容量時(shí)，可能會(huì)對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的配合產(chǎn)生一定影響；

（3）下游線路故障時(shí)，接入位置越靠近系統(tǒng)，不論光伏逆變器輸出電流是否達(dá)到限幅，流過下游線路保護(hù)電流越小，流過上游線路保護(hù)不達(dá)到限幅時(shí)越大，達(dá)到限幅時(shí)在某一接入位置時(shí)有最小值。