基于零序電壓相位變化的分布式光伏發(fā)電孤島保護方法

孫文文 ，張 君 ，張祥成 ，張桂紅 ，王宇波

(1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 海淀區(qū) 100192;2.國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，青海省 西寧市 100045;3.北京德意聯(lián)科技有限公司，北京市 昌平區(qū) 102299)

0 引言

“3060”雙碳目標(biāo)是我國積極響應(yīng)全球氣候變化、踐行能源安全新戰(zhàn)略的重要舉措。在雙碳目標(biāo)下，我國將會加速能源供給側(cè)清潔低碳化轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展新能源，堅持新能源集中式和分布式開發(fā)并舉格局，推動構(gòu)建新型電力系統(tǒng)[1-2]。2021年，我國光伏新增裝機5 488萬kW，其中，光伏電站2 560萬kW、分布式光伏2 928萬kW[3]，分布式光伏新增裝機首次超過光伏電站，在政策、市場和技術(shù)進步等多重利好因素驅(qū)動下，我國分布式光伏仍將繼續(xù)高速增長。

分布式光伏主要接入35 kV 及以下低壓配電網(wǎng)[4]，電網(wǎng)故障主要以單相接地故障為主，約占70%以上。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，分布式光伏與下游負荷形成非計劃孤島運行[5-6]，由于電網(wǎng)無法感知其當(dāng)前運行狀態(tài)，孤島運行對檢修人員的人身安全造成危險，同時，也易引起線路重合閘失敗，擴大事故范圍。

常規(guī)分布式光伏孤島保護方法主要包括主動式和被動式方法。主動式孤島保護方法即分布式光伏以一定時間間隔向電網(wǎng)注入擾動功率，通過監(jiān)測分布式光伏并網(wǎng)點電壓、頻率等電氣量是否越過孤島保護閥值，從而實現(xiàn)分布式光伏的孤島保護。常見的主動式孤島保護方法有有功功率擾動法[7-8]、無功功率補償法[9-10]和有源頻率偏移法[11-12]等。主動式孤島保護方法的缺點是向大電網(wǎng)注入了大量諧波，對于分布式光伏占比高的局部電網(wǎng)，大量諧波注入會造成電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴(yán)重不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，影響電網(wǎng)用戶的可靠用電。被動式孤島保護方法即通過實時監(jiān)測分布式光伏并網(wǎng)點電壓、頻率等電氣量是否異常來識別孤島。常見的被動式孤島保護方法有過電壓保護[13-14]、過電流保護[15-16]、過頻保護[17-18]以及頻率變化率保護[19-21]等。當(dāng)配電網(wǎng)高壓側(cè)發(fā)生單相故障時，電網(wǎng)線電壓仍然不變，低壓側(cè)電氣設(shè)備可以繼續(xù)運行1～2 h，由此我們可以得出這樣的結(jié)論，即“單相接地故障不影響電網(wǎng)功率正常輸送，功率大小對電網(wǎng)單相接地故障特征幾乎無影響”。因此，傳統(tǒng)基于功率變化的被動式孤島保護方法，在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時存在2個不足。(1)分布式光伏無法感知電網(wǎng)故障。其一，故障期間電網(wǎng)輸送總功率與正常運行時相等或有微小變化，此時孤島保護參量仍在閥值范圍內(nèi)，分布式光伏處于孤島識別盲區(qū)，仍然判別系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，直到故障線路被切除引起電網(wǎng)功率不平衡時，分布式光伏此時才會識別故障并退出運行;其二，故障線路切除后，若分布式光伏與負荷功率匹配，則孤網(wǎng)電壓和頻率基本不變，基于電壓、頻率等電氣量的孤島保護方法失效。(2)分布式光伏誤動作退出運行。故障線路切除后，由于分布式光伏無法識別是本線路還是相鄰線路發(fā)生故障，導(dǎo)致不加區(qū)分退出運行，如果是相鄰線路發(fā)生故障，則非故障線路分布式光伏退出會加劇整個電網(wǎng)功率不平衡，連鎖故障風(fēng)險增大。

通過推導(dǎo)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時的零序電壓表達式，對比分析電網(wǎng)中性點不接電和經(jīng)消弧線圈接地兩種方式下，電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時的零序電壓大小和相位變化規(guī)律，而且該規(guī)律具有普適性，即該規(guī)律與分布式光伏接入數(shù)量、接入容量、故障發(fā)生位置等因素?zé)o關(guān)。在此基礎(chǔ)上，本文提出一種基于零序電壓相位變化的分布式光伏孤島識別方法，并通過算例分析對該方法進行驗證。

1 單相接地故障后零序電壓表達式

電網(wǎng)主站中性點經(jīng)消弧線圈接地，A 相發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地等效電路如圖1所示，在計算零序電壓時，作以下假設(shè):

圖1 電網(wǎng)A相發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of grid phase A occurs via transition resistance grounding

(1) 電網(wǎng)每相對地存在著分布式電容和分布絕緣電阻，在計算零序電壓時，將其統(tǒng)一用集中參數(shù)來表示。

(2) 電網(wǎng)正序和負序阻抗是電網(wǎng)線路與電網(wǎng)對地阻抗的并聯(lián)，其值很小，均可忽略。電網(wǎng)零序阻抗是電網(wǎng)線路阻抗與電網(wǎng)對地阻抗的串聯(lián)，在低壓配電網(wǎng)中，電網(wǎng)線路阻抗遠小于電網(wǎng)對地阻抗，因此電網(wǎng)零序阻抗近似等于電網(wǎng)對地阻抗。

圖1中:GA、GB、GC分別為三相對地電導(dǎo)，CA、CB、CC分別為三相對地電納，YN為電網(wǎng)主站中性點接地導(dǎo)納;Rf為過渡電阻為三相對地電壓。

根據(jù)對稱分量法的原理，當(dāng)電網(wǎng)A 相經(jīng)過渡電阻接地時，則故障點處的三相對地電壓可分解成正序電壓，負序電壓和零序電壓因此，故障點處的三相對地電壓為

可以得出:

在故障點處存在正序電壓和零序電壓，負序電壓約等于0。根據(jù)基爾霍夫定律有:

將式(2)代入式(3)，可得:

當(dāng)電網(wǎng)A 相經(jīng)過渡電阻Rf發(fā)生單相接地故障時，那么A 相對地電導(dǎo)就會增加Gf(Gf=1/Rf)，此時，YA變?yōu)?/p>

將A、B、C三相和中性點對地導(dǎo)納參數(shù)帶入式(6)，可以得到:

式(7)分子分母同時除以j（BA+BB+BC），則公式(7)可簡化為

式中:k、v、d0和dn分別為電網(wǎng)對地不對稱度、脫諧度、三相對地自然阻尼率和電網(wǎng)中性點對地阻尼率。k、v、dn和d0的表達式為

此外:

則式(8)可簡化為

通過對比式(11)和式(12)可知，過渡電阻Rf影響了系統(tǒng)不對稱度k和阻尼率d，而故障前后脫諧度v不變。

當(dāng)中性點為不接地方式時:dn=0，v=1，對應(yīng)式(11)和式(12)為

當(dāng)中性點為諧振接地時，設(shè)定v=-5%，則:

對比式(13)和式(15)可知，同一個電網(wǎng)中性點分別經(jīng)消弧線圈和不接地2種不同接地方式，不對稱度k相同，分母中除了脫諧度v不同，阻尼率d也有區(qū)別。中性點經(jīng)消弧線圈接地時電網(wǎng)對地阻尼率為dn和d0之和，而中性點不接地方式下只有d0，即三相對地自然阻尼率。

2 算例分析

以上述公式為基礎(chǔ)，結(jié)合10 kV 配電網(wǎng)典型參數(shù)(見表1)，分析電網(wǎng)故障期間和故障線路切除后，零序電壓的變化規(guī)律，如圖2所示。

表1 電網(wǎng)參數(shù)Table 1 Grid parameters

圖2 故障期間和故障切除后零序電壓Fig.2 Zero sequence voltage during and after fault removal

圖2 中曲線L1為電網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈接地，A 相發(fā)生單相經(jīng)過渡電阻Rf接地時的零序電壓，當(dāng)過渡電阻等于0，表示電網(wǎng)發(fā)生金屬性接地故障，此時零序電壓幅值等于A 相電壓幅值，相位相差180°。隨著過渡電阻從零開始逐漸增大，零序電壓分布曲線為L1，當(dāng)過渡電阻無窮大時，零序電壓則跳變?yōu)殡娋W(wǎng)正常運行狀態(tài)下的零序電壓。當(dāng)下游接有分布式光伏的故障線路切除后，電網(wǎng)故障由轉(zhuǎn)移到由分布式光伏帶負荷獨立運行的電網(wǎng)上，同時接地方式由中性點經(jīng)消弧線圈接地轉(zhuǎn)變?yōu)椴唤拥胤绞?，隨著過渡電阻從零開始逐漸增大，零序電壓分布曲線為L2。同樣地，當(dāng)過渡電阻無窮大時，零序電壓則跳變?yōu)殡娋W(wǎng)中性點不接地，正常運行狀態(tài)下的零序電壓。

圖中P1、P2和P3、P4分別為電網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈和不接地2種方式下，過渡電阻等于500Ω和3 000Ω 時的零序電壓。當(dāng)過渡電阻等于500Ω時，故障期間的零序電壓大于故障切除后的值，但是，需要特別說明的是，電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，其接地過渡電阻在故障期間并不是保持不變，往往是逐漸惡化，即過渡電阻變小，從而引起零序電壓變化，因此，從零序電壓的幅值變化趨勢無法可靠地判別到底是故障線路切除還是過渡電阻惡化，因此不能作為孤島檢測方法。

對比L1和L2曲線可知，電網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈接地，A 相發(fā)生單相經(jīng)過渡電阻接地時，故障期間零序電壓分布在下半圓，相位在180°～270°內(nèi)，而故障切除后的零序電壓分布在上半圓，相位在90°～180°內(nèi)，也就是說180度線是L1和L22條曲線的分界線。由此可知，對于中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，過渡電阻惡化時，故障期間零序電壓相位永遠大于180°，而故障切除后的零序電壓相位永遠小于180°，因此，通過對比故障期間和故障切除后零序電壓的相位大小就能可靠地判別是否發(fā)生孤島。

如果電網(wǎng)主站含有多回出線，當(dāng)故障線路切除后，電網(wǎng)主站減少一回出線，對電網(wǎng)參數(shù)影響較小，即k、v、dn和d0不變，電網(wǎng)主站接地方式仍然是消弧線圈接地，零序電壓基本不變，因此，非故障線路的分布式光伏不會保護脫網(wǎng)。

3 結(jié)論

(1) 本文提出了一種基于零序電壓相位變化的分布式光伏孤島保護方法，該方法具有普適性，與分布式光伏接入數(shù)量、接入容量、故障發(fā)生位置等因素?zé)o關(guān)，通過該方法，分布式光伏能夠可靠識別單相接地故障并退出運行。

(2) 本文提出的孤島保護方法實際應(yīng)用中需具備2個條件:一是電網(wǎng)中性點接地方式必須為消弧線圈接地;二是分布式光伏高壓側(cè)需增加零序電壓測量點。

(3) 實際工程應(yīng)用中，為了能夠預(yù)估電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，零序電壓相位的變化規(guī)律和范圍，需要精準(zhǔn)測量電網(wǎng)對地不對稱度、脫諧度和阻尼率等參數(shù)。