大規模光伏發電對新疆電網繼電保護影響的研究

贠 劍 常喜強 魏 偉 牛嘉鑫 王 琛

（1. 國網新疆電力科學研究院，烏魯木齊 830011；2. 國網新疆電力公司電力調度控制中心，烏魯木齊 830002）

新疆太陽能資源豐富，其水平表面太陽輻射度年總量為 5×105～6.5×105J/（cm2·a），年平均為5.8×105J/（cm2·a），年總輻射量比同緯度地區高10%～15%，比長江中下游15%～25%，僅次于青藏高原，位居全國第二位。由于新疆其獨特的地理優勢，再加上近幾年來政府對新能源發電尤其是光伏發電的政策經濟扶持，截止2013年底，新疆電網光伏發電裝機容量達 277.1萬千峰瓦，占全網總裝機容量6.8%。

隨著光伏發電站在電力系統中裝機容量所占的比例越來越大，光伏電站對電力系統規劃、仿真、調度、控制的影響也引起了廣泛的關注。隨著光伏電站的大規模接入，很有可能會改變故障電流的方向、大小和時間等，會導致繼電保護的誤動或拒動，其對電網的影響無論從深度還是廣度而言都將是深遠而巨大的。因此，非常有必要深入研究光伏接入對電網繼電保護產生的影響。本項目通過中國電力科學研究院“PSD電力系統軟件工具”對光伏接入進行了詳細的計算及仿真，著重分析研究光伏接入對繼電保護的影響。為后續光伏接入選擇合理的繼電保護配置及運行方式，對保證電網安全、穩定、可靠運行具有非常積極的意義。

1 仿真研究工具

本文主要采用的仿真軟件為中國電力科學研究院“PSD電力系統軟件工具（PSD Power Tools）”的PSD-BPA程序和PSCAD電磁暫態分析軟件，主要有：

1）PSD-BPA潮流計算程序（4.1版）。

2）PSD-BPA暫態穩定程序（4.0版）。

3）PSD-CurveMaker穩定曲線繪制程序。

4）PSCAD電磁暫態分析軟件（4.2版）。

研究遵循如下導則、規程等：

1）GB/T 14285—2006繼電保護和安全自動裝置技術規程。

2）DL/T 559—2007 220～750kV電網繼電保護裝置運行整定規程。

3）DL/T 584—2007 3～110kV電網繼電保護裝置運行整定規程。

4）國家電網公司十八項電網重大反事故措施。

2 光伏電站的模型介紹

2.1 光伏電池組件的基本模型

控制器、光伏電池板和逆變器是構成光伏電站最為主要的部分。光伏電站并網后，將光能轉化為電能儲存在光伏電池中，光伏電池發出直流電能，通過逆變器轉化為與電網相同頻率的交流電能。光伏電站可以為電網提供有功和無功，同時也可以從電網吸收有功或無功，通常將光伏電站等效為電流源或電壓源的型式接入電網。傳統的離網型光伏電站需要蓄電池來儲存光能轉換的電能，而并網型光伏電站不需要蓄電池，直接降低了光伏電站運行成本，同時還提高了電網的運行和供電可靠性。基于光伏電池精確等效電路模型，這里用式（1）表示光伏電池輸出電流I。

式中，K代表玻爾茲曼常數，且K=1.38×10-23J/K；A是二極管的理想因子，通常在1～2之間變化；T是絕對溫度，單位K；λ是光照強度，單位kW/m2；q是電子電荷，且q=1.6×10-19C；ISC表示光照強度為1kW/m2，環境溫度為298K的標準測試條件下所產生的光生電流，且有Iλ=ISC。

在大部分工程中，光伏電池供應廠商通常僅提供Um、Im、UOC、ISC等重要技術參數。

1）在通常情況下，由于（U+IRS）/Rp值遠小于光生電流，所以可忽略該項。

2）在通常情況下，由于RS遠小于二極管正向導通電阻，所以可設定短路電流等于光生電流。

根據以上兩點，并基于光伏電池供應廠商所提供的技術參數，通過近似后，可以建立光伏電池實用近似工程模型。

在標準測試條件下（光照強度為1kW/m2，環境溫度為 298K），一般用式（2）～式（4）表示光伏電池輸出電壓與電流的關系。

通過抽樣測試證實，式（2）的精確度在6%以內，能夠滿足一般工程對光伏電池模型精度的需求。同時，開路狀態下有I=0，U=UOC；最大功率點時有I=Im，U=Um。將以上等式帶入式（2）可得C1、C2的等式，分別為

可見，C1和C2的值在已知光伏電池供應商所提供的Um、Im、UOC、ISC這4個參數后可以求出。再將C1和C2代入式（2），得到光伏電池的輸出特性曲線（標準工作條件下）。

2.2 光伏方陣模型及其串并聯效率

光伏電站工程中，將光伏組件排列組合成方陣，由于輸出電壓電流有一定的損失，會導致輸出功率產生一定的損耗。通常將光伏方陣功率損失因子稱作組合因子η。n個光伏組件組成的光伏方陣的組合因子可以用以下等式表示：

式中，Pi代表n個光伏組件中第i個組件的輸出功率；P代表光伏方陣實際輸出功率。

光伏組件的特性不一致、串并聯二極管及接線損失等原因是光伏方陣功率損失的主要來源。根據經驗證明，實際工程中光伏方陣的功率無法達到100%（一般在 90%～99%之間），通常光伏電站的輸出電壓、輸出電流以及輸出功率可以直接用電壓值、電流值和功率值乘以組合因子η來表示：

式（6）至式（8）中，U、I分別代表單個光伏組件的出口電壓和出口電流；Np、Ns分別代表光伏電站方陣中光伏組件的串聯和并聯數目；Parray、Uarray、Iarray分別代表光伏方陣的輸出功率、電壓和電流。

2.3 DC/DC斬波電路數學模型

在大型光伏電站（兆瓦級以上）中，MPPT的理想選擇是 Boost電路，因為其能使輸入電流連續工作并具有電壓提升功能。Boost斬波電路的輸入電壓與輸出電壓關系如下：

式中，D為開關管占空比，Uarray為斬波電路交流輸入電壓，Udc為斬波電路直流輸出電壓。

考慮到斬波電路二極管VD和晶體管VT的本身損耗，其輸出電流Idc可表示為

式中，Pdcloss表示斬波電路的功率損耗；Pdc表示斬波電路的輸出功率。

光伏電站并入電網發電，需保證光伏逆變器輸出的交流電壓與電網電壓同頻同相，光伏逆變器通常采用三個單相全橋SPWM逆變電路。采用此種逆變電路的好處是可以使光伏電站輸出的功率達到最大（功率因數為1），同時能夠實時跟蹤電網的參數變化。

單相逆變器輸出相電壓基波有效值Uac為

式中，Udc代表逆變器輸出的直流電壓，m為正弦調制波與三角載波的幅值之比，稱作調制系數。單相逆變器輸出的相電壓基波幅值Uacm為

單相逆變器的輸出功率可表示為

式中，PNL表示單相逆變器輸出的無載功率；Pdc表示斬波電路的輸出功率；Bout是常數，表示單相逆變器輸入與輸出功率之間的關系，即

式中，ηR代表單相逆變器的效率；PRO代表單相逆變器的額定輸出功率。

綜上，逆變器的輸出電流為

式（11）至式（15）是單相逆變器的數學模型。

3 新疆某電網光伏電站基本情況

新疆某電網光伏電站主要通過匯集站方式接入電網，且主要有兩個光伏匯集站，即光伏匯集站 A和光伏匯集站B，光伏匯集站A有6個20MWp的光伏電站，然后通過兩臺容量為150MVA的升壓變接入某220kV電網，如圖1所示。

圖1 光伏匯集站A系統圖

光伏匯集站B有兩個20MWp的光伏電站，通過兩臺容量為20MWp、電壓為10.5/121kV升壓變T接到某線路上，如圖2所示。

圖2 光伏匯集站B系統圖

4 光伏電站對線路保護的影響分析

這里將以光伏匯集站A 35kV線路5，光伏匯集站B 110kV線路接入變電站A－變電站B為例來分析光伏電站對線路保護的影響。

4.1 光伏電站送出線路故障時電流與電壓的特性

仿真 1.2s時刻在光伏電站 5送出線路中點 K1處發生三相短路，分別獲得光伏電站側電流i2、母線電壓u2以及電力系統側電流i1、母線電壓u1，電流和電壓如圖3、圖4所示。

圖3 K1點故障時系統側電流與光伏側電流

由圖3可以看出，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。發生故障后，網側變流器將采取限流措施，進入低電壓穿越后，故障電流相對于正常工作時的電流減小。

為了分析光伏電站6對K1點故障時是否有助增電流情況，特別仿真當光伏電站6投入運行時K1點故障電流波形情況，如圖5所示。

對比圖 3和圖5可以看出，當線路 5中點K1處發生三相短路時光伏電站6對故障點的助增電流相對于系統短路電流較小，可以忽略不計。

圖4 K1點故障時系統側電壓與光伏側電壓

圖5 光伏電站6投入，系統側和光伏電站側電流

光伏電站具有弱電源接入特性。以光伏匯集站B到變電站A-變電站B的110kV線路為例，在t=2s時在線路中點發生單相接地故障，故障持續時間0.1s，得到線路兩側電流、電壓值如圖6、圖7所示。

4.2 光伏電站對35kV線路保護的影響分析

35kV線路5主保護采用比率差動保護，仿真計算不同類型（差動保護區內區外）的故障，差動元件均可以正確判斷故障屬于區內故障還是區外故障。

圖8為線路5 K1點發生三相短路故障時繼電保護差動電流和制動電流的變化情況，圖9為保護的動作軌跡。

圖6 單相短路時系統側電流與光伏側電流

圖7 單相短路時系統側電壓與光伏側電壓

圖8 線路5 K1點故障時的差動電流和制動電流

圖9 線路5 K1點短路故障時保護動作軌跡

當在送出線路K2點（線路5保護外）發生三相短路時差動電流與制動電流的情況如圖10所示。

圖10 送出線路K2點故障時差動電流與制動電流

從圖中可以看出在線路外側發生故障時保護可靠不動作。

4.3 光伏電站對110kV線路保護的影響分析

光伏匯集站B 110kV出線主保護采用比率差動保護，仿真計算不同類型（差動保護區內區外）的故障，差動元件均可以正確判斷故障屬于區內故障還是區外故障。

圖11為t=2s時在光伏匯集站B 110kV出線中點發生三相金屬性接地，故障持續時間 0.1s，繼電保護差動電流和制動電流的仿真結果，圖12為保護的動作軌跡。

圖11 110kV出線中點故障時差動電流和制動電流

圖12 110kV出現中點故障時保護的動作軌跡

選相元件是基于電流信息來判斷相別的，光伏電站送出線路發生區內故障時，差動元件的動作特性將會受到光伏電站故障電流變化特征的影響，這里將不同類型的故障仿真結果記錄在表1、表2中。

表1 對稱分量選相元件動作結果

表2 相電流差突變量選相元件動作結果

通過以上圖表可以發現，當送出線路發生接地故障時，電網側的故障電流要遠遠大于非故障相的相電流，然而光伏電站側的故障電流主要為零序電流，從而使三相電流的幅值比較相近，同時由于電網側與光伏電站側的電壓均為相電壓跌落，光伏電站的這種弱特性會使故障選相元件產生誤判。通過線路差動保護動作結果可以看出，光伏電站對線路縱差保護沒有影響，縱差保護元件能夠可靠動作。

5 光伏電站對變壓器保護的影響分析

以光伏匯集站A 2號主變為例，假設最惡劣的故障情況。即當光伏匯集站A 2號主變在t=1.2s時刻低壓側 K2點發生三相金屬性短路故障，故障持續時間為0.1s，得到此時變壓器兩側的三相電流（一次值）如圖13所示。

這里僅分析A相電流差動，其動作量與制動量如圖14所示，相電流差動的動作量與制動量不會出現過大的波動；差動保護動作特性如圖15所示；三相差動動作量中二次諧波所占的比例如圖16所示。

從圖16可以看出，在故障初始階段，差動保護二次諧波制動元件將會閉鎖差動保護約5～10ms一段很短的時間，因為這時電流中二次諧波含量較大。隨后，二次諧波制動特性將隨著故障電流的衰減而逐漸削弱，比率差動的動作結果也將落于保護動作區內，從而保證差動保護正確動作，通常一個周期后相量值差動保護就能夠可靠動作。

圖13 系統側電流與光伏電站側電流

圖14 差動保護動作量與制動量

圖15 相量值差動保護動作結果

圖16 差動電流2次諧波所占比率

當變壓器保護區外故障時，A相電流差動保護動作特性如圖17所示，可見此時保護可靠不動作。

圖17 區外故障時差動保護動作軌跡

6 結論

從本文仿真分析中可以看出，光伏電站對線路縱差保護沒有影響，縱差元件能夠可靠動作。由于光伏電站弱電源特性使線路保護的故障選相元件產生誤判，在保護配置中應注意。對于光伏電站變壓器內部故障而言，在故障初期，差動保護二次諧波制動元件會閉鎖差動保護約5～10ms一段很短的時間，因為這時電流中二次諧波含量較大。隨后，二次諧波制動特性將隨著故障電流的衰減而逐漸削弱，比率差動的動作結果也將落于保護動作區內，從而保證差動保護正確動作，通常一個周期后相量值差動保護就能夠可靠動作。

本文針對大規模光伏電站接入，以新疆某電網為研究基礎，通過中國電力科學研究院“PSD電力系統軟件工具”對光伏接入進行了詳細的計算及仿真，著重分析研究光伏接入對繼電保護的影響。本文研究內容可以為后續光伏接入選擇合理的繼電保護配置及運行方式，對保證電網安全、穩定、可靠運行具有非常積極的意義。

[1] 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): 41-44.

[2] 劉東冉, 陳樹勇, 馬敏, 等. 光伏發電系統模型綜述[J]. 電網技術, 2011, 35(8): 47-52.

[3] 焦陽, 宋強, 劉文華. 光伏電池實用仿真模型及光伏發電系統仿真[J]. 電網技術, 2010, 34(11):198-202.

[4] 陳勇, 魏金成. 獨立光伏發電系統仿真研究[J]. 電氣技術, 2013(1): 9-13.

[5] 丁明, 王偉勝, 王秀麗, 等. 大規模光伏發電對電力系統影響綜述[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(1):1-14.

[6] 陳云鋒, 丁寧. 光伏電站接入區域電網的影響分析[J]. 電氣技術, 2013(2): 54-57, 63.

[7] 李建寧, 劉其輝, 李贏, 等. 光伏發電關鍵技術的研究與發展綜述[J]. 電氣應用, 2012, 31(5): 70-76.

[8] Villalva M G, Gazoli J R, Ruppert Filho E.Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(5/6): 1198-1208.

[9] 郭琦, 趙子玉. 光伏發電系統建模及關鍵技術分析[J]. 電氣技術, 2012(3): 20-24.

[10] Alquthami T, Ravindra H, Faruque M O. Study of photovoltaic integration impact on system stability using custom model of PV arrays integrated with PSS/E[C]. North American Power Symposium (NAPS),Arlington, 2010.

[11] 李晶, 許洪華, 趙海翔, 等. 并網光伏電站動態建模及仿真分析[J]. 電力系統自動化, 2008, 32(24):83-87.

[12] 楊國華, 姚琪. 光伏電源影響配電網線路保護的仿真研究[J]. 電力系統保護與控制, 2011, 39(15):75-79.

[13] 中國電力科學研究院, 等. GB/T 1996—2012. 光伏發電站接入電力系統技術規定[S]. 北京: 中國標準出版社, 2013.

[14] 劉東斌. 大型并網光伏發電項目接入系統的分析研究[J]. 電氣技術, 2012(8): 132-135.

[15] 王賢立, 劉桂蓮, 江新峰. 分布式光伏電站接入配電網繼電保護配置研究[J]. 電氣應用, 2014(17):38-41, 49.

[16] 雷一, 趙爭鳴. 大容量光伏發電關鍵技術與并網影響綜述[J]. 電力電子, 2010(3): 16-23.

[17] 劉利紅, 陳啟正. 基于 BOOST電路光伏電池的MPPT仿真研究[J]. 電氣技術, 2011(9): 10-13.

[18] 劉健, 林濤, 同向前, 等. 分布式光伏電源對配電網短路電流影響的仿真分析[J]. 電網技術, 2013, 37(8):2080-2085.

[19] 張超, 計建仁, 夏翔, 等. 分布式發電對配電網繼電保護及自動化的影響[J]. 華東電力, 2006, 34(9):23-26.

[20] 羅維平, 吳雨川, 薛勇. 光伏并網發電系統中的諧波測量及分析[J]. 中國電力, 2009, 12(12): 11-14.