并網光伏電站對配電網保護影響的研究

張愛蘭

（武漢大學電氣工程學院，湖北武漢 430072）

1 引言

光伏電源的接入對配電網的故障電流以及故障切除時間產生影響，其主要與光伏電源的容量和接入地點有關［1］。與同步發電機的故障電流不同，光伏電源提供故障電流取決于光伏逆變器的最大電流和持續時間限制，其大小一般為1.2到1.5倍的逆變器額定負載電流。光伏電壓故障電流持續時間與逆變器的換流方式相關，采用自換流的光伏逆變器其故障電流持續時間長于電網換流光伏逆變器。而且光伏電源的接入地點不同，對保護裝置的影響也不同，下面針對單個光伏電源接入配電線路不同位置時，對配電網保護動作的影響進行分析。

由于分布式電源接入點不同，對各處保護的影響將不同，分布式電源接入點的情況可以分為饋線始端母線上、饋電線路中間母線上和饋電線路末端母線，光伏電源對配電網保護的影響可歸納為以下幾點［2］：

（1）相鄰饋線故障時，反向故障電流可能導致本饋線保護誤動。

（2）光伏電源下游故障時，流過光伏電源下游保護的故障電流增加，有利于保護的動作，但可能使下游保護的電流速斷保護范圍延伸下一條線路，使電流速斷保護失去選擇性。

（3）光伏電源上游故障時，流過光伏電源上游保護的故障電流只由系統提供，此時光伏電源的接入不對上游保護構成影響。

受光照強度和溫度的影響，光伏電源的輸出功率并不是始終恒定的，而是隨時變化的［3］。光伏逆變器在白天直流母線滿足并網要求時，輸出功率按最大功率點跟蹤（MPPT）輸出，其在夜間一般處于停運狀態。光伏電站的輸出功率隨機變化，外部故障時其提供的故障電流，故障電流大小都被限制在2倍的額定電流以內，因此當配電網中有多個光伏電站或者其他分布式電源接入時，可以考慮采用距離保護或是基于通信的縱差保護等其他保護原理，從而有效地判別電網故障。

2 配電網算例模型

通過查資料可知，光伏電站所在饋線及相鄰饋線發生故障時，其對各饋線保護的選擇性、靈敏性、可靠性及自動重合閘裝置的正確動作都有較大的影響［4］，因此本文利用 PSCAD／EMTDC 建立一個10kV配電網算例模型如圖1所示，為研究相鄰饋線發生故障時光伏電站對所在饋線及相鄰饋線的保護的影響，所建立的配電網模型由多條饋線構成，圖1中饋線3為無故障線路，用于等效于該配網的其他正常并聯運行的饋線［5］。

圖1 配電網算例模型

為進行繼電保護整定計算，需要了解10kV母線的系統等效阻抗，由于中壓配電網經過輸電網、高壓配電網連接到發電廠，距離系統電源的電氣距離比較遠，因此考慮最大運行方式和最小運行方式下的短路容量時沒有太大變化，以并網光伏電站接入的某變電站為例，其最大運行方式和最小運行方式的系統阻抗值分別為Xsmax＝0.4248Ω，Xsmin＝0.5100Ω；線路的單位阻抗參數為 z＝0.27+j0.35Ω／km。如表1所示為配電網每段線路的阻抗值，其中線路AG等效于10條并聯運行的12km饋線；光伏電站的容量為1MW；仿真中負荷為恒阻抗模型，最大負荷時每條饋線均帶有3MVA功率因數為0.9（滯后）的等效負荷。

表1 配電網線路參數

3 光伏電站對配電網保護的影響

下面將對距離光伏電站較遠處發生故障時光伏電站公共接入點電壓不低于50%，仿真時認為光伏電站在故障前后的光照強度不變，而且取光照強度為1000W／m2故障電流最大的情況進行研究，此時光伏逆變型的控制策略是維持故障前后輸出的有功功率和無功功率（無功為0）不變。圖2至圖4分別為光伏電站相鄰饋線10km處發生三相短路故障時，光伏電站的輸出有功功率、公共接入點電壓、公共接入點電流的波形。從圖中可以看到距光伏電站電氣距離較遠處發生三相故障時，電站公共接入點電壓下降為額定電壓的0.86倍，光伏電站輸出功率僅有2.5%的略微減小，此時光伏電站的輸出電流上升到額定電流的1.15倍左右。

圖2 遠處三相短路時光伏電站輸出有功功率（1000W／m2）

圖3 遠處三相短路時光伏電站公共接入點電壓（1000W／m2）

圖4 遠處三相短路時光伏電站公共接入點電流（1000W／m2）

通過大量仿真可以得出結論，當距光伏電站較遠處發生故障且電網電壓下降小于50%時，由于光伏逆變器的快速響應，將使故障發生瞬間光伏電站的輸出功率基本保持不變，故障導致光伏電站公共接入點電壓下降后，其供出的電流將與電壓成反比增加，電網電壓降幅小于50%，因而逆變器的輸出電流被限制在2倍的額定電流以內。為了計算配電網不同地方發生短路故障時，光伏電站提供的故障電流大小，以分析其對配電網的短路電流分布做出新的改變，對配電網原有的繼電保護方案產生的影響。

由上述分析可知，光伏電站接入對配電網保護的影響程度主要由光伏電站的容量和接入點與故障點的距離決定。因此下面將針對不同接入點情況，在光伏電站的容量發生改變的時候，對不同的故障點位置系統最大運行方式下發生三相短路的情況分別進行短路電流計算［6］。

3.1 光伏電站的下游發生故障對保護2的影響

如圖1所示，選取線路CD段距離C母線5%處K3點發生故障時，由于光伏電站對故障電流起到助增作用，保護2的電流速斷保護范圍會增加，有可能延伸到下一段線路從而失去選擇性。表2是利用PSCAD／EMTDC計算得到光伏電站不同容量時流過保護2的電流以及光伏電站的故障電流。

圖5所示為K3處發生故障流過保護2的故障電流、光伏電站的故障電流和保護2的電流速斷保護動作電流，可以看出線路CD的5%處K3點故障時，當光伏電站未接入饋線時，則保護2的保護范圍未超過BC線路全長，故障位于保護2電流速斷保護范圍外。但光伏電站接入母線C之后，隨著注入容量S的增加，流過保護2的故障電流增大，當光伏電站容量大于15.51MW時，流過保護2的故障電流超過其電流速斷整定值。此時若K3處發生故障，保護1、2都將瞬時動作切除線路BC和CD，饋線保護失去選擇性。

表2 光伏電站下游CD線路5%處發生故障

圖5 光伏電站下游發生故障流過保護2和光伏電站的故障電流

3.2 光伏電站的下游發生故障對保護3的影響

同樣算例中保護3的電流速斷保護范圍為31.9%的CD線路，當保護范圍外發生故障（CD線路的70%處）時，經過仿真計算得到結果如圖6所示，當光伏電站容量大于6.93MW時，流過保護3的故障電流會超過保護3電流速斷的整定值，而當光伏電站容量大于35MW時流過保護2的故障電流大于保護2的限時電流速斷保護整定值，使保護2的電流二段保護和保護3失去選擇性。表3所示為光伏電站下游CD線路70%處發生故障的電流。

圖6 光伏電站下游發生故障流過保護3和光伏電站的故障電流

表3 光伏電站下游CD線路70%處發生故障

3.3 光伏電站的下游發生故障對保護1的影響

故障點K2在距母線C為線路BC全長的25%處，故障時流過保護1的故障電流以及光伏電站故障電流有效值如圖7所示。表4為其故障電流。保護1的限時電流速斷作為保護2的遠后備保護，應在保護2不能瞬時切除故障時動作，但是光伏電站接入后隨電站容量的增加，流過保護1的故障電流不斷減小，當光伏電站容量超過5.73MW時，流過保護1的故障電流將小于保護1的限時速斷整定值，此時保護1可能無法作為保護2的后備保護。

圖7 光伏電站下游發生故障流過保護1和光伏電站的故障電流

4 結論

光伏電源（FV）發電作為一種新興的高效、環保的發電技術，近年來獲得飛速發展。然而大量FV的并網運行，將深刻影響配電網絡結構以及配電網中短路電流的大小和流向，給配電網的繼電保護帶來諸多不利影響。

表4 光伏電站下游BC線路25%處發生故障

本文結合相關理論并通過仿真驗證，分析了光伏電站下游發生故障時對饋線1各個保護的影響，光伏電站下游的電流速斷保護的保護范圍會增大，嚴重時會延伸到下一條線路上，與下一條線路的電流速斷保護沖突，失去選擇性；限時電流速斷保護和下級線路保護的過流保護可能失去選擇性。

同時可以看出，FV對配電網影響與FV容量大小有關，并入系統的FV容量不宜過大，在FV容量較大時，為盡量避免這種不良影響，可以事先校驗各極端情況下的電流保護定值等，必要時還可以考慮為電流保護加設方向元件，有益于分布式發電在電力系統中的推廣和應用。

［1］趙 彥，程 虹，羅路平.光伏電源接入配電網對饋線繼電保護的影響［J］.江西電力，2010，（3）.

［2］周 衛，張 堯，夏成軍，王 強.分布式發電對配電網繼電保護的影響［J］.電力系統保護與控制，2010，2（1）.

［3］張琪祁.大型光伏電站接入電網的技術和特性研究［D］.浙江大學碩士學位論文.2011.

［4］趙 平，嚴玉廷.并網光伏發電系統對電網影響的研究［J］.電氣技術，2009，（3）.

［5］鐘慧榮，蔣秀潔.PSCAD在電力系統分析實驗教學中的應用［J］.實驗科學與技術，2008：72-75.

［6］曹景亮.分布式電源對配電網繼電保護的影響研究［D］.華中科技大學碩士學位論文.2008.