含分布式光伏電源配電網(wǎng)故障分析和保護(hù)研究

2023-08-22 01:23:20王坤

通信電源技術(shù) 2023年13期

王坤

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司德陽(yáng)市鎣華供電分公司，四川德陽(yáng) 618000）

0 引言

目前，我國(guó)電力行業(yè)面臨著資源和環(huán)境問(wèn)題，采用清潔能源發(fā)電已是當(dāng)務(wù)之急。分布式光伏發(fā)電因其靈活、高效以及低占地等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，其裝機(jī)容量通常為數(shù)十千瓦至數(shù)百千瓦，因其分布較為分散且容量不大，需將大量的分布式光伏發(fā)電接入中、低壓配電網(wǎng)[1]。光伏（Photovoltaic，PV）電源接入配網(wǎng)后，傳統(tǒng)配網(wǎng)變成了含有PV的有源配網(wǎng)，其潮流方向、電壓分布以及短路電流等均會(huì)發(fā)生變化。

一方面，光伏是一種典型的逆變型分布式能源，由于其運(yùn)行方式不同，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，光伏發(fā)電的輸出特性也不同于傳統(tǒng)的單機(jī)電源。首先，光伏并網(wǎng)電壓決定光伏并網(wǎng)電流，兩者呈非線性關(guān)系；其次，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)采用的是正序電壓控制，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)不對(duì)稱或?qū)ΨQ故障時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生三相對(duì)稱電流。由于電力系統(tǒng)的功率特性與一般的單機(jī)型電源有很大的區(qū)別，常規(guī)的電力系統(tǒng)故障分析方法在電力系統(tǒng)中已不再適用[2]。

另一方面，分布式電源（Distributed Generator，DG）的接入，使得配電網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生故障時(shí)的短路電流分布發(fā)生變化。在配電系統(tǒng)中，線路保護(hù)作為一種主要的保護(hù)方式，其主要功能為過(guò)流保護(hù)，因此，在電力系統(tǒng)中，PV 的接入量將會(huì)對(duì)過(guò)流保護(hù)產(chǎn)生很大影響。若光伏接入點(diǎn)在下游出現(xiàn)短路，則流經(jīng)下游保護(hù)裝置的短路電流增加，而流經(jīng)上游保護(hù)裝置的短路電流減少；在光伏接入點(diǎn)的上游出現(xiàn)故障時(shí)，將有一條與系統(tǒng)供給的短路電流方向相反的故障電流流入接入點(diǎn)的下游線路；同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以在一定程度上提高故障點(diǎn)的短路電流，對(duì)配電網(wǎng)的故障診斷具有重要意義。另外，光伏系統(tǒng)具有隨機(jī)性和間歇性，使得常規(guī)的光伏電流保護(hù)難以實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)光伏配電系統(tǒng)中的線路保護(hù)進(jìn)行研究是非常有意義的[3]。

1 含PV 配電網(wǎng)的故障分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)有很大區(qū)別，因此首先對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行故障建模[4]。其中，電力系統(tǒng)的光伏發(fā)電采用的是PQ 控制模式。在系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，光伏電源僅向電網(wǎng)提供有功，使分布式電源得到最大限度的利用；在電網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)向電網(wǎng)輸出無(wú)功來(lái)支持電網(wǎng)運(yùn)行。PV 無(wú)功電流注入特性如圖1 所示。光伏無(wú)功電流注入特征可用公式表示為

圖1 PV 無(wú)功電流注入特性

式中：UN和UDG分別為基準(zhǔn)電壓和光伏電源并網(wǎng)點(diǎn)電壓；α為電壓跌落系數(shù)。

將并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的PQ 控制特點(diǎn)與低壓穿透力控制策略相結(jié)合，并將其等值化為一種受壓控的電流源，即

式中：Imax為光伏電源最大輸出電流，考慮限流策略Imax=1.5IN；IN為光伏電源額定電流；i1DG和U1DG分別為光伏電源輸出電流和并網(wǎng)點(diǎn)電壓的正序分量；θ為光伏電源并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓相角。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流與接入點(diǎn)電壓之間存在非線性的耦合關(guān)系，通常采用分段線性等效法對(duì)其進(jìn)行建模[5]。光伏發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功電流可以表示為

2 含PV 不對(duì)稱配電網(wǎng)的故障分析

通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)中各相組元的歸一化處理，本文提出了一種電力系統(tǒng)中含有光伏的不對(duì)稱配電系統(tǒng)的故障分析方法。由于光伏發(fā)電的控制方式及低壓穿越的特點(diǎn)，可用迭代法解決，即

式中：λ+1 為迭代次數(shù)；Ua,b,c(λ+1)和分別為考慮光伏電源輸出電流的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓和端口補(bǔ)償電流。

算法流程如圖2 所示。

圖2 算法流程圖

算法步驟如下：第一，將電網(wǎng)中的分支參數(shù)和三相電流的計(jì)算結(jié)果輸入到電網(wǎng)中，然后對(duì)發(fā)生故障的線路進(jìn)行起始、終點(diǎn)及故障點(diǎn)的設(shè)定；第二，將光伏額定電流作為初始值，計(jì)算出系統(tǒng)中的諾頓等效結(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，并將故障端口觀察到的端口電流進(jìn)行計(jì)算；第三，計(jì)算補(bǔ)償后的故障電路三相節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣ΔYFa,b,c；第四，對(duì)發(fā)生故障后的3 個(gè)結(jié)點(diǎn)的三相電壓進(jìn)行計(jì)算；第五，計(jì)算結(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算值與上一次計(jì)算值之間的差分，直至滿足收斂要求。

3 含PV 配電網(wǎng)的線路保護(hù)研究

光伏電源產(chǎn)生的短路電流非常小，使得常規(guī)的光伏電源過(guò)流保護(hù)難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求[6]。一方面，光伏并網(wǎng)時(shí)，由于電壓等因素的影響，光伏電源產(chǎn)生的短路電流通常都是常規(guī)電流的1.5 ～2.0 倍。短路電流越小，常規(guī)電流保護(hù)的靈敏度就越低。另一方面，由于配電網(wǎng)絡(luò)與用戶直接接觸，供電半徑小，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，其上、下級(jí)饋線的短路電流相等[7]。傳統(tǒng)的基于電流值的電流保護(hù)很難保證其具有一定的選擇性。另外，由于光伏發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性，配網(wǎng)運(yùn)行模式的不確定等因素，使得常規(guī)電流保護(hù)難以實(shí)現(xiàn)。

目前已有的以阻抗為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)繼電保護(hù)，大多沒(méi)有考慮PV 跨區(qū)時(shí)對(duì)繼電保護(hù)的要求[8]。在此基礎(chǔ)上，將饋線測(cè)得的阻抗值與逆時(shí)延保護(hù)的動(dòng)作特征關(guān)系式結(jié)合，并結(jié)合光伏系統(tǒng)的故障穿越性，提出了一種基于固有時(shí)間尺度分解（Intrinsic Time-Scale Decomposition，ITD）的配電系統(tǒng)饋線保護(hù)新方法。

反時(shí)限保護(hù)特性的特點(diǎn)是保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，它與故障點(diǎn)的位置有關(guān)，與供電點(diǎn)距離愈近，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間愈短。本文根據(jù)故障后饋線路測(cè)得的阻抗值降低的特點(diǎn)，將測(cè)得的阻抗值引入逆時(shí)間限制的動(dòng)作特性方程，并將ITD 部分的保護(hù)特性設(shè)定為

式中：tI為ITD 保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；A為時(shí)間相關(guān)系數(shù)；k為可靠系數(shù)；ZI為保護(hù)范圍內(nèi)的饋線正序阻抗；Zm為保護(hù)安裝處測(cè)得的阻抗值。

式（5）中的測(cè)量阻抗為相間測(cè)量阻抗，可由相間電壓、電流進(jìn)行計(jì)算，即

式中：Up-p和Ip-p分別為故障相間電壓和相間電流的有效值。

為保證下級(jí)饋線首端故障時(shí)保護(hù)具有選擇性，上下級(jí)饋線首端保護(hù)之間須通過(guò)時(shí)階進(jìn)行配合。時(shí)階一般設(shè)定為0.3 s，即

由式（5）和式（6）可得A為0.132，該系數(shù)與饋線長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。由此可得，當(dāng)Zm=87.5%ZI時(shí)，tI=0.15s。

4 結(jié) 論