分布式光伏電源并入配電網(wǎng)的故障探析

顏 慧 胡宏波

徐州供電公司 江蘇 徐州 221005

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)與用戶連接的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠的程度直接影響用戶電能質(zhì)量。近年來(lái),隨著分布式光伏電源技術(shù)的迅猛發(fā)展和國(guó)家新能源優(yōu)先調(diào)度政策的執(zhí)行,尤其是大量逆變型分布式光伏電源接入配電網(wǎng),它對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃、仿真、調(diào)度、控制的影響也引起人們極大關(guān)注。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)慣量、調(diào)速器及勵(lì)磁系統(tǒng),不具備調(diào)壓、調(diào)頻以及調(diào)峰能力。受其發(fā)電特性影響,出力變化大,電壓控制困難,對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生一定程度的諧波污染。逆變型分布光伏電源接入配電網(wǎng)后,系統(tǒng)的故障特性與傳統(tǒng)配電網(wǎng)不同,原有保護(hù)配置方案也不再適用。當(dāng)線路發(fā)生故障后,線路保護(hù)的靈敏度下降,導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)、相鄰線路的瞬時(shí)速斷保護(hù)失去選擇性。同時(shí),逆變型分布式光伏電源接入配電網(wǎng),使傳統(tǒng)配電網(wǎng)由單電源變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu),配電網(wǎng)中的潮流方向及短路水平等均發(fā)生改變。因此,必須重新評(píng)估分布式電源對(duì)配電網(wǎng)電壓和保護(hù)的影響,研究新的保護(hù)策略。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電原理

1.1 光伏發(fā)電原理 太陽(yáng)能電池組件中的半導(dǎo)體光電二極管為光伏發(fā)電的核心,是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)換為電能,當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí),光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能,產(chǎn)生電流。電力系統(tǒng)光伏并網(wǎng)發(fā)電采用光-電直接轉(zhuǎn)換方式。

1.2 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng) 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示,主要包含太陽(yáng)能光伏電池組件、功率跟蹤器、蓄電池組、逆變器、控制器和交流電網(wǎng)。不論是獨(dú)立光伏發(fā)電還是并網(wǎng)光伏電,逆變器是核心,直接影響入網(wǎng)電能質(zhì)量。

2 含逆變型分布式光伏電源的故障特性

2.1 含逆變型分布式光伏電源的控制 逆變型光伏電源的故障特性與其采取的控制策略密切相關(guān)。相關(guān)研究表明,逆變型分布式光伏電源的非低壓穿越控制系統(tǒng)的控制方程如下列公式所示。

式中:Imax為逆變型分布式光伏電源輸出電流的限值；Id 為故障電流。

這種控制方式對(duì)于配電網(wǎng)非對(duì)稱故障來(lái)說(shuō),因分布式光伏電源并網(wǎng)點(diǎn)負(fù)序電壓分量的存在而無(wú)法起作用,必須采用正、負(fù)序dq電流控制技術(shù)。

逆變型分布式光伏電源容量較電網(wǎng)而言非常小時(shí),當(dāng)發(fā)生故障時(shí)不采取低壓穿越進(jìn)行控制,對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的電壓質(zhì)量影響較小。但是,隨著逆變型光伏電源容量不斷增加,對(duì)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響逐步凸顯,必須采取低壓電壓穿越控制。

2.2 含逆變型分布式光伏電源的穩(wěn)態(tài)故障電流特性 對(duì)非低電壓穿越的逆變型光伏電源故障,當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生對(duì)稱故障,Id＜Imax時(shí),逆變型分布式光伏電源恒功率輸出,短路電流I與并網(wǎng)點(diǎn)電壓U 成反比；當(dāng)Id=Imax時(shí),逆變型分布式光伏電源恒流輸出,輸出功率P隨并網(wǎng)點(diǎn)電壓U降低而減小。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生非對(duì)稱故障時(shí),因并網(wǎng)點(diǎn)存在電壓負(fù)序分量,逆變型分布式光伏電源輸出含有負(fù)序分量和諧波分量。

對(duì)具有低電壓穿越的逆變型分布式光伏電源故障,當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱故障,Id＜Imax時(shí),輸出功率保持不變,短路電流出現(xiàn)躍變；當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生非對(duì)稱故障時(shí),輸出的三相對(duì)稱短路電流,且沒有諧波分量。

3 含逆變型分布式光伏電源的配電網(wǎng)保護(hù)配置

分布式光伏電源并入配電網(wǎng)后,將配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由放射狀單電源變?yōu)槎嚯娫?配電網(wǎng)潮流分布發(fā)生變化,傳統(tǒng)的三段式保護(hù)配置方案不能適應(yīng)系統(tǒng)要求。為保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),能夠快速恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行,國(guó)內(nèi)外專業(yè)技術(shù)人員提出兩種辦法加以解決:①當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)迅速切除逆變型分布式光伏電源,然后通過(guò)傳統(tǒng)三段式保護(hù)恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行,但這種“被動(dòng)式退出方式”不利于分布式電源的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。②提供適合含逆變型分布式光伏電源的保護(hù)策略,系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)允許逆變型分布式光伏電源在線運(yùn)行；為此,依據(jù)逆變型分布式光伏電源故障電流特性,重新構(gòu)建配電網(wǎng)保護(hù)配置,以適應(yīng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

3.1 含逆變型分布式光伏電源的配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu) 我國(guó)傳統(tǒng)配電網(wǎng)為輻射狀結(jié)構(gòu),除城市配電網(wǎng)外均為單電源。分布式光伏電源從點(diǎn)D 并入電網(wǎng),形成雙電源結(jié)構(gòu),從而改變配電網(wǎng)的功率分布、節(jié)點(diǎn)電壓特性和故障電流特性。

3.2 含逆變型分布式光伏電源的配電網(wǎng)保護(hù)整定與校驗(yàn) 限制逆型分布式光伏電源接入容量,選擇合適接入點(diǎn)能減小或消除逆變型分布式光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響。通過(guò)對(duì)各點(diǎn)的故障仿真分析,含逆變型分布式光伏電源的配電網(wǎng)發(fā)生相間故障時(shí),流過(guò)保護(hù)的Imax隨接入容量S的增大而出現(xiàn)先增后減特性。

因此,根據(jù)故障的電流特性為保證含有逆變型分布式光伏電源的配電網(wǎng)保護(hù)的選擇性和靈敏性,逆變型分布式光伏電源上游保護(hù)所在饋電線路處于接入電源上游時(shí),按照傳統(tǒng)速斷電流保護(hù)進(jìn)行整定計(jì)算；若處在接入電源下游時(shí),取逆變型分布式光伏電源額定功率PN 輸出和0功率輸出時(shí)兩者短路電流較大者進(jìn)行斷流速斷保護(hù)和限時(shí)電流速斷保護(hù)的整定計(jì)算。同時(shí),根據(jù)逆變型分布式光伏電源實(shí)際功率與額定功率PN 之間的大小關(guān)系進(jìn)行整定校驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述,逆變型分布時(shí)光伏電源的接入,使配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的輻射狀單電源結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu),從根本上改變了配電網(wǎng)的潮流分布和故障電流特性,造成配電網(wǎng)傳統(tǒng)保護(hù)策略失效,保護(hù)裝置的選擇性降低甚至拒動(dòng)或誤動(dòng)。