分布式光伏接入配電網繼電保護的解決方案

崔查秀

內蒙古電力（集團）有限責任公司阿拉善電業局，內蒙古 阿拉善 750306

0 引言

近年來，經濟發展帶來的環境問題日益加重，為此我國提倡加大新型清潔能源的開發與應用，以風電與光伏發電為代表的新發電技術獲得迅速發展，使能源問題得到有效改善。結合分布發電與大電網，以節約更多的資本與能耗投入，提升電力系統的靈活性和可靠性。為了避免分布光伏接入配電網后對繼電保護產生的影響，可對保護配置進行改進，使分布發電的應用問題得到妥善解決。

1 配電網繼電保護裝置

1.1 無時限電流速斷保護（Ⅰ段保護）

在短路故障保護范圍內，保護裝置在符合常規要求情況下，可以通過增加負荷電流的方式為短路電流提供保護依據，并能夠隨時切斷短路電流。由于其具有無時限保護的特點，動作時間為零，可使保護裝置更具選擇性。在大部分情況下，保護范圍不涵蓋該條線路末端。在短路狀態下，依靠保護裝置的最大短路電路，可對三相短路電流進行整定，整定公式如下：

式中：I1為保護動作電流；K1為可靠系數，取值范圍為1.2～1.3；Imax為短路電流最大值。

其中，K1指標的引入可使速斷保護區間內保護裝置能夠靠動作，使短路故障被有效切除。在電力系統中，無論是硬件設備還是軟件計算期間均可能產生不同誤差，導致實際短路電流超過理論值，同時需要分析必要的裕度，有必要引入可靠系數[1]。

1.2 限時電流速斷保護（Ⅱ段保護）

通常情況下，無時限電流速斷保護適用于主保護中，但無法對線路全長進行保護，需要與其他方式配合使用。限時電流速斷保護可使整段線路得到保護，還可在Ⅰ段保護拒動情況下進行近后備保護，依靠較短的延時將線路中任意位置的故障切除。要想提高整條線路的保護效果，要求保護范圍超過該條線路直到線路末端。當該線路起始位置發生故障時，線路中的限時電流速斷保護便會開啟。為了確保繼電保護選擇性，可在限時電流保護延遲后再動作，需盡量減少延時，以滿足裝置的速動要求。該保護模式的整定公式為

式中：Iop1為該線路中動作電流；K1為可靠系數，取值范圍為1.1～1.2；Iop2為電流Ⅰ段的動作電流。

為了保障不同段之間的合理保護，限時電流保護動作應超過Ⅰ段的時限，其表達式為

式中：t1為限時速斷保護動作時限；t2為電流Ⅰ段動作時限，通常為0 s；Δt為時限階段。

1.3 過電流保護（Ⅲ段保護）

過電流保護的原理是根據線路選擇性要求，當電流發生故障時可通過保護裝置，將故障線路切除。此類電流可分為兩種：一種是以動作時間為定值進行保護；另一種是動作時間與短路電流為反比時的保護，但動作整定值均相同，即超過線路正常運輸電流時，應對繼電器中的自啟動電流進行復位。整定公式如下：

式中：Ire為返回系數，通常取0.85；Krel為可靠系數，取值范圍為1.15～1.25；Kss為自起動系數，取值范圍為1～3；ILmax為被保護線路中負荷電流最大值。

為了確保電流的選擇性，對動作時間進行分析。該項保護為第三段保護，在每組電流保護中，過電流動作時間均為最長。

2 分布式光伏接入配電網保護的影響

傳統配電網結構以放射狀為主，在設置保護裝置時，可通過三段式電流保護方式，簡單高效地完成線路保護工作。但是，分布式光伏與配電網相連后，將對輻射型配電網繼電保護產生較大影響，如保護裝置拒動、勿動，重合閘不順利等，在并網后為系統帶來的影響較大。以帶有單一分布式電源的配網系統為例進行分析，配網系統如圖1所示。圖1中，QF0～5均為繼電保護開關，將分布式電源連接在饋線上[2]。

圖1 配網系統圖

（1）如果在AB線路中的K1位置發生短路，在QF0斷開前，短路電流從電源、分布電源一同傳入K1點，在QF1上只流過電源中的短路電流，與K1位置的短路電流相比較短，QF1保護靈敏度減少。此外，在QF1發生動作后，因分布式電源仍然向K1位置傳輸短路電流，容易將K1位置的瞬時故障變為永久性。

（2）如果在BC線路中的K2位置發生短路，在QF1正式斷開前，短路電流從電源與分布電源一同流入K2位置，此時QF2的靈敏度提升。

（3）如果在K3位置出現短路情況，短路電流則從電源、分布電源的位置向故障點K3位置流動，此時QF3上的短路電流值提升，靈敏度也會隨之增加。值得注意的是，當短路電流增加到一定值后，容易引發BC線路中的QF2動作，擴大故障范圍。

（4）如果在AD線路中的K4位置出現短路，保護動作與K2處的故障相似，短路電流從電源與分布電源一同從超過K4的位置流入，此時QF4位置的靈敏度提高。

（5）如果在K5位置出現短路，保護動作與K2位置相識，短路電流從電源與分布電源一同流入故障位置，此時靈敏度會提升。當短路電流達到一定程度后，也可能造成一級線路保護動作，使故障范圍擴大[3]。

3 分布式光伏接入配電網保護方案具體實施

當前，光伏并網系統利用孤島檢測策略，包括電壓、電流、頻率、相位等方面，均嚴格按照特定時間間隔進行采集，其中逆變器、光伏列陣輸出之間存在緊密聯系，可忽視控制器與逆變器間的損耗，使光伏輸出與并網間的功率相同。對此，可采取以下措施進行光伏接入配電網保護。

（1）在等功率策略中，光伏輸出與用戶端負載的消耗基本相同，即光伏并網并不向配電網中傳輸電能。在此情況下，如果線路出現短路情況，只需判斷是否出現孤島即可。

（2）在欠功率策略中，光伏輸出低于用戶負載消耗，即光伏并網需要配電網運送給用戶端的電能。當線路出現短路故障時，將降低用戶端電能輸入，即光伏輸出難以為用戶端提供充足的電能供應，導致電壓或電流值發生巨大變化。

（3）在過功率策略中，光伏輸出超過用戶負載消耗，即光伏并網對配電網傳輸的部分電能。當線路處于短路狀態時，光伏并網側的電流會瞬間提升，電流變化主要受故障點與線路起始端距離的影響，如果距離較遠，則變化相對較小。同時，因分布光伏通常在最大功率點周圍分布，即輸出功率達到最大。當短路故障發生后，輸出功率無法繼續增加時，并網電流的增加勢必會導致并網電壓降低；如果光伏陣列輸出電壓、電流發生改變，導致光伏并網一側輸出突變則將其忽視。在孤島檢驗方面，可對光伏并網側電壓、電流變化原因進行判斷，檢驗其是否因光伏陣列而突然改變，由此可知保護裝置是否發生動作。如果并網電流、電壓均突然發生變化，則可判定并非由光伏陣列中輸出功率突變導致，需要對故障電流、故障區間進行計算，如果Ik＞KkIset（Ik為故障電流，Kk為可靠系數，Iset為設定動作電流），則為保護動作，反之則為并網狀態。

在光伏并網電路的DC/DC變換器位置采集光伏輸出等數據，在逆變器與電網并聯網址采集并網電流、并網電壓、配電網傳入用戶端電能等數據。可見，在孤島檢測過程中，依靠電壓、電流、相位等信息便可準確判斷配電網線路運行狀態，如果判定為故障狀態，則可對故障位置進行確定，具體解決方案如下。在正式開始后采集光伏輸出電流、電壓值，采用最大功率跟蹤與并網策略，采集并網電流、并網電壓，利用孤島檢測策略，在光伏輸入與用戶端負載相同的情況下，只保留重要負載，將剩余負載剔除。如果二者并不相同，前者小于后者，則電能值急速降低，光伏切換到孤島運行模式，將非重要負載剔除，只保留重要負載即可；如果前者大于后者，則并網電流值急速提升，光伏輸出增加，對故障電流與位置進行確定，如果光伏輸出超過設定電流值，則開始保護動作。

4 結束語

綜上所述，在分布電源與配電網相連后，電網內原本的單側電源輻射變成多側電網，使繼電保護難以滿足電網的要求，由此導致電壓波動、繼電保護、安全控制等影響電網的穩定運行，需要采取有效的解決措施。為此，文章通過分析光伏輸出特性，在孤島檢測的基礎上對光伏并網端的電壓、電流變化情況進行控制，使配電網繼電保護要求得到充分滿足，順利實現配電網保護的目標，確保電網與設備的穩定運行。