光伏電站接入對距離保護和重合閘的影響

郭金學 南東亮 郝紅巖 張 鋒 張 祎

（1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102;2. 國網新疆電力公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011;3. 國網新疆電力公司調度控制中心，烏魯木齊 830011）

光伏電站接入對距離保護和重合閘的影響

郭金學1南東亮2郝紅巖3張 鋒3張 祎1

（1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102;2. 國網新疆電力公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011;3. 國網新疆電力公司調度控制中心，烏魯木齊 830011）

本文首先分析了距離保護基本原理，并討論了光伏電站接入對送出線路距離保護、配電網距離保護、配電網重合閘和選相元件的影響。進而，以光伏電站表現出的故障特性為依據，同時本著工程應用方便且誤差允許的前提，提出了光伏電站類比常規電源的短路計算模型，即電壓源串聯阻抗的形式，并針對光伏電站不同的故障特性給出了二者各序阻抗的計算公式。將給出的計算模型加入到常規電網短路電流計算模型中，分析了計及光伏電站的電網短路電流計算模型及故障特性，研究了規模化光伏接入后對地區電網短路水平的影響。通過距離保護建模、阻抗整定值設定、電流起動門檻值設定等，建立了算例模型，仿真驗證了送出線路在不同位置、不同類型故障下保護的動作情況，得出了光伏并網對距離保護配置、重合閘配置、選相元件的若干建議。

光伏電站；距離保護；重合閘；選相元件

根據光伏電站接入電網相關規定，光伏電站的110kV專用并網線路配置一套光纖縱聯電流差動保護裝置，保護裝置除光纖縱聯電流差動主保護，還具備階段式相間和接地距離保護、零序電流保護作為后備保護以及重合閘[1-2]。已有的研究指出：當光伏發電并網時，其特有的故障特征和短路特性易造成接地距離保護分支系數不確定，進而導致保護拒動或誤動，降低重合閘成功率[3-6]。

文獻[5]研究了基于自適應原理的接地距離保護整定判據。文獻[6]指出基于相電流差突變量和基于序分量的選相元件的動作性能會受到光伏電站的嚴重影響。文獻[7-8]分析了光伏并網發電重合閘的影響，提出了光伏電站LVRT與前加速自動重合閘的配合方案。文獻[8]、文獻[9-10]提出一種基于過渡電阻傾斜角估計的自適應距離保護和自適應接地距離保護方案，以處理過渡電阻的影響。文獻[11]研究了弱電源特性對送出線路電流差動保護和距離保護的影響。現有文獻的研究重點關注了光伏發電接入對繼電保護的影響，但對光伏電站接入時帶來的新的短路計算模型、故障特性的探討較少，尤其缺乏規模化光伏接入后對地區電網短路水平影響、選相元件的影響分析。

為了滿足重合閘、距離保護故障判相等需要，線路保護一般應具備故障選相的能力，對此，本文在文獻[11]的基礎上，針對性地分析了光伏電站送出線路對距離保護、重合閘和選相元件的影響等內容，并基于算例仿真驗證所提出模型和方法的有效性。

1 對距離保護的影響研究

1.1 距離保護基本原理

接地、相間距離保護阻抗繼電器的測量阻抗可表示為

式中，φ為發生接地短路的故障相，0I˙為零序電流，K為零序電流補償系數，K=(z0-z1)/(3z1)，z1、z0分別為單位長度被保護線路的正序、零序阻抗。

1.2 對配電網距離保護的影響

圖1為光伏電站接入配電網的典型示意圖。

當f1故障時，保護1處測量阻抗為

圖1 光伏電站接入配電網示意圖

式中，Zk為測量阻抗，Rg為過渡電阻，θ 為兩側故障電流的相角差，pvI˙為光伏電站的電流，sI˙為電源的電流。

f2故障時，保護1測量阻抗為

式中，ZNK為母線N到短路點的阻抗，ZMN為母線M和母線N之間的阻抗。

由式（2）和式（3）可知，因θ 不確定，當發生經 Rg的短路故障時，保護 1的 Zk可能增大或減小，導致保護1的保護范圍縮小或者無選擇性動作。

2 光伏電站對重合閘的影響

2.1 送出線路重合閘配置

實際的光伏電站送出線路，大電源側一般選用“檢線路無壓”、小電源側選用“檢同期”方式[12]，但是這種配置方式未考慮到光伏電站特殊性，因此實際中可能會產生重合不成功現象。例如，配電網原有的前加速自動重合閘僅僅是針對單電源供電結構而設計的，光伏電站的接入使得配電網變成了雙端供電網絡，這將造成前加速自動重合閘適應性不足。故障后，光伏電站是否退出，會對前加速自動重合閘產生影響。光伏電站并網聯絡線發生瞬時性故障，兩側開關跳閘后，光伏電站過/欠電壓、過/欠頻率孤島保護退出運行的概率很高，因背側電源退出運行，故光伏電站側重合閘“檢同期”不會成功，重合閘也不會成功。

如果光伏電站發出功率和負荷不匹配，就構不成形成孤島的必要條件，不會形成孤島；如果此時發出功率與負荷匹配，孤島系統的頻率由負荷諧振頻率、光伏電站發出有功、無功和品質因數決定，就可能會引起并網點頻率顯著變化，會有高/低頻動作切機；光伏逆變器不具備頻率自動調節能力，即使形成頻率偏移不大的孤島系統，系統負荷也是隨時變化的，即此時的平衡點是極不穩定的。當光伏電站發生概率極低的孤島運行時，光伏電站側檢測到光伏電站仍并網運行，即“母線有壓”，則重合閘將不會動作，重合閘過程中不會對光伏電站造成非同期沖擊。

2.2 光伏電站對選相元件的影響

基于對稱分量法和相電流差突變量的選相原理，保護安裝處兩相電流差的變化量幅值為[13]式中，C1、C2分別為保護側的正序、負序電流分支系數；If1、If2分別為故障處的正序、負序故障分量電流。

光伏電站阻抗的正、負序阻抗在幅值和相位上均不相等，會導致C1和C2不等，進而單相接地（AG）故障時，。因此，當有光伏電站接入時，單相接地短路時無法選出故障相。

3 光伏電站的短路計算模型及故障特性

3.1 光伏電站的短路計算模型

IEC 60909標準中對變頻器有兩種處理方式：①不考慮靜止變頻器的貢獻；②靜止變頻器驅動電動機，在三相短路時進行反饋制動，提供短路電流。其阻抗為

DIgSILENT/PowerFactory對光伏逆變器的模型進行了擴展，經過逆向分析來解析模型，通過最大短路電流（容量）水平確定正序阻抗大小，然后根據R/X′′的值分別求解R和 X′′，即

由式（6）和式（7）便可計算光伏逆變器阻抗。由逆變器的限制可知最大短路初始值kI′′為額定電流的k倍。短路容量與容量的關系為

R/X′′參考IEC 60909處理靜止變頻器驅動電動機短暫逆變運行情況，值為0.1。

由式（8）和式（9）便可求取相關參數。

另外，結合故障特性可知，常規控制策略下逆變器負序電流很小，且通過不對稱控制，會出現負序電流為零的故障特性，故近似處理為光伏逆變器負序阻抗無窮大。

3.2 光伏模型短路計算的實現方法

光伏發電系統的正序模型可等效為電壓源與阻抗的串聯，如圖2所示。

圖2 光伏發電系統的正序等效模型

假設光伏電站中有i臺容量為S1的逆變器，電流限值倍數均為k1；有j臺容量為S2的逆變器，電流限值倍數均為k2，k1和k2計算同式（10），則

短路容量kS為

短路容量標幺值kS′′為

光伏電源阻抗標幺值（逆變器側）計算式為

式中，Cmax為電壓系數，380V/400V系統Cmax取值為1.05，其他電壓等級Cmax均取1.10；為阻抗比，默認取值為0.1；kS′′為光伏電站短路容量標幺值。

光伏電源阻抗標幺值（基準側，考慮電壓折算）計算式為

3.3 光伏電站的故障特性分析

圖3在DIgSILENT/PowerFactory中搭建了一個由光伏電源、儲能系統和負荷組成的并網型微網模型[14]。

圖3 搭建微網模型

光伏電站額定功率、輸出有功、無功分別設定為 100MW、76MW、0；儲能系統額定功率、輸出有功、無功分別設定為 30MW、0MW、0；負荷有功為 90MW，無功功率為 0，外網最大短路容量為1000MW，送出線為架空線，長度為10km。0時刻發生三相短路故障，故障位置為距并網點位置10%，過渡電阻為12Ω，仿真結果如圖4所示。

從圖4可以看出，送出線路發生三相對稱短路故障時，光伏發電系統出口電壓對稱跌落，輸出電流不超過逆變器限幅 1.2倍，呈現恒流源特性。儲能系統出口電壓對稱跌落，輸出電流不超過額定電流，也呈現恒流源特性，這是由于儲能系統的逆變器的限幅控制作用。并網點電壓發生對稱跌落，微網側送出的短路電流三相對稱，且增幅很大，這是因為雖然光伏逆變器已經將輸出電流限制在1.2倍，但故障前儲能系統的輸出電流為零，故障后儲能系統提供無功用以支撐電壓增大了故障電流。

圖4 光伏電站交流側電壓和電流

4 規模化光伏接入后對地區電網短路水平影響研究

新能源發電的接入對電網的繼電保護整定計算產生了影響，主要體現在故障發生后，光伏電源對故障點提供短路電流。繼電保護整定計算人員關注的是新能源廠站能夠提供多少水平的短路電流。本文以新疆巴州 220kV且末變供電片區的光伏站為例，建模分析光伏接入后對短路水平的影響。圖 5所示為巴州且末片區的電網接線圖，其中 35kV光伏電站通威且末、裕天且末、若羌海為的容量分別為20MW、6MW、20MW。

圖5 巴州電網且末片區一次接線圖

光伏電站模型的參數見表1。

首先在新建的光伏和風場近處設置故障：

在 110kV恰爾羌變 35kV I母線上設置相間故障，故障點信息及新能源電廠提供電流見表2。

220kV且末變I母線上發生故障，故障點信息及新能源電廠提供電流見表3。

表1 光伏電站參數

表2 短路計算結果

表3 短路計算結果

由表 2、表 3可知，光伏的大規模接入，導致巴州且末變片區的短路水平會發生變化。而光伏電源的短路阻抗和容量直接相關，可以看出，在35kV通威且末和35kV裕天且末（分別為20MW和6MW）近處（110kV恰爾羌變35kV母線）發生故障時，光伏電源提供的短路電流并不大，差異最大的三相短路提高了25%；而當上級220kV且末變220kV母線故障時，受新光伏廠站的影響，短路電流水平提高了10%。

5 繼電保護算例仿真分析

5.1 算例仿真模型

1）距離保護模型

在 DIgSILENT/PowerFactory中建立了包含 30個光伏逆變器的光伏電站詳細時域仿真模型，如圖6所示。圖6中，單個光伏電池板的容量為0.5MW，出口電壓為0.4kV，匯集母線電壓為35kV，光伏電站并網點電壓為110kV。

圖6 光伏電站的詳細時域仿真模型

圖6中送出線路參數為正序電阻為0.132Ω/km，正序電抗為0.389Ω/km，零序電阻為0.396Ω/km，零序電抗為1.167Ω/km，長度為20km。在送出線路光伏側加入方向圓動作特性的距離保護，其Ⅰ段整定值為3.95Ω、角度為71.26°。送出線路發生各種類型短路故障的仿真結果見表4、表5。

由表 4、表 5可知，光伏側距離保護的耐受過渡電阻能力在接地故障時強于相間故障時，但仍然比系統側距離保護弱。

2）距離I、Ⅱ段阻抗整定值

設定 TV和 TA的變比分別為 110kV/110V、400A/1A。線路正序電阻為0.177Ω/km，正序電抗為0.402Ω/km，零序電阻為 0.354Ω/km，零序電抗為1.022Ω/km，長度為50km，距離保護整定值計算見表6。

表4 區內故障時送出線路光伏側距離Ⅰ段動作情況

表5 區內故障時送出線路系統側距離Ⅰ段動作情況

表6 距離保護整定值

3）電流起動門檻值

送出線路末端三相金屬性接地故障后 CT二次側的電流波形如圖7所示。由圖7可知，為保證保護的靈敏性，電流起動值應當小于短路電流值，當設定相電流起動值為 0.4A時，零序電流起動值為0.1A。

5.2 繼電保護動作情況

1）送出線路不同位置不同類型故障相電流及保護起動情況

送出線路末端發生A相接地、AB兩相接地、AB相間故障下CT二次側的電流及RMS如圖8所示，相電流及起動情況見表7。

送出線路50%不同故障下的相電流及起動情況整理見表8。

觀察表7和表8可知：單相、兩相接地故障，零序電流很大，遠大于正負序電流，造成三相電流相位幅值基本一致，相電流過流起動元件很難選出故障相；兩相相間故障，相電流較小，以此數據作為起動電流門檻值過低，造成其他類型故障下三相均起動。

2）當選相正確時，不同位置不同類型故障下距離保護的動作情況

當送出線路95%處發生三相金屬性短路，不同類型故障下距離保護的動作情況統計見表9。

綜合以上仿真可知，假設故障發生時起動元件能及時起動并選出故障相，則相間和接地阻抗元件均能正確動作，不考慮實際現場及其他的干擾，在整定范圍附近（5%±）幾乎不會發生拒動或誤動。

圖7 末端三相金屬性接地故障后CT二次側的電流

圖8 末端A相接地故障后CT二次側的電流及RMS

表7 網側母線（送出線路末端）不同故障下的相電流及起動情況

表8 送出線路50%不同故障下的相電流及起動情況

表9 送出線路95%位置不同故障下相電流及起動情況

6 結論

通過以上分析，本文得出了如下主要結論：

1）送出線路故障時，表現出的故障特性是正負序阻抗不相等和弱電源特性。

2）光伏電站送出線路發生接地故障時，故障電流以零序分量為主，發生相間故障時，故障電流會受逆變器限幅的限制，其數值遠小于接地故障電流；通過控制可以實現故障電流中不再存在負序分量等故障特性。

3）當光伏電站與系統相連的惟一一條送出線發生故障時，從故障發生到光伏電站側重合閘動作前，光伏電站退網運行的概率遠大于并網運行的概率，因此送出線重合閘配合方式應按照光伏電站退網運行的情況來考慮。

4）光伏電站相對于大電網是弱饋電源，選相起動元件應以電壓及其變化量為判定標準，如采用低壓起動、電壓突變量起動等。另外，在弱饋電源發生接地故障后，零序電流一般都非常大，可以將零序電流與電壓綜合作為起動選相依據，以提高正確率。

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Effects of PV Power Station on Distance Protection and Automatic Reclosing

Guo Jinxue1Nan Dongliang2Hao Hongyan3Zhang Feng3Zhang Yi1
(1. NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102;2. State Grid Electric Power Research Institute of Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830011;3. Xinjiang Electric Power Dispatching and Communication Center, Urumqi 830011)

The basic principle of distance protection is analyzed firstly. And the effect on transmission line, distance protection in distribution networks and automatic reclosing by PV power station are discussed. Based on the fault characteristics of PV power station and in the premise of convenient project application with allowable error, a model of PV power station short circuit is presented. The model is in voltage source impedance in series form. The fault characteristics of PV power station with different calculation formula of two different sequence impedance is given. The calculation model is added to the conventional grid short-circuit current calculation model. The short circuit current of power system with photovoltaic power station calculating is completed in the model.Based on the segment impedance sets setting of distance, the setting of current starting threshold value,the simulation model is set up. The influence of large-scale photovoltaic access on the short circuit level of regional power grid is studied. The protection starting of transmission lines with different positions and different types of fault phase current is verified. Also the distance protection starting with different positions and different types of faults is verified. Finally, some suggestions are given for the distance protection configuration, reclosing configuration and phase selection element of the grid connected photovoltaic system.

PV power station；distance protection；automatic reclosing；phase selection element

郭金學（1974-），男，江蘇省南京市人，本科，工程師，主要從事電力系統繼電保護工作。