張愛蘭

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072）

1 引言

光伏電源的接入對(duì)配電網(wǎng)的故障電流以及故障切除時(shí)間產(chǎn)生影響，其主要與光伏電源的容量和接入地點(diǎn)有關(guān)［1］。與同步發(fā)電機(jī)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(xù)時(shí)間限制，其大小一般為1.2到1.5倍的逆變器額定負(fù)載電流。光伏電壓故障電流持續(xù)時(shí)間與逆變器的換流方式相關(guān)，采用自換流的光伏逆變器其故障電流持續(xù)時(shí)間長于電網(wǎng)換流光伏逆變器。而且光伏電源的接入地點(diǎn)不同，對(duì)保護(hù)裝置的影響也不同，下面針對(duì)單個(gè)光伏電源接入配電線路不同位置時(shí)，對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作的影響進(jìn)行分析。

由于分布式電源接入點(diǎn)不同，對(duì)各處保護(hù)的影響將不同，分布式電源接入點(diǎn)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(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響可歸納為以下幾點(diǎn)［2］：

（1）相鄰饋線故障時(shí)，反向故障電流可能導(dǎo)致本饋線保護(hù)誤動(dòng)。

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

（3）光伏電源上游故障時(shí)，流過光伏電源上游保護(hù)的故障電流只由系統(tǒng)提供，此時(shí)光伏電源的接入不對(duì)上游保護(hù)構(gòu)成影響。

受光照強(qiáng)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(shí)變化的［3］。光伏逆變器在白天直流母線滿足并網(wǎng)要求時(shí)，輸出功率按最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）輸出，其在夜間一般處于停運(yùn)狀態(tài)。光伏電站的輸出功率隨機(jī)變化，外部故障時(shí)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(nèi)，因此當(dāng)配電網(wǎng)中有多個(gè)光伏電站或者其他分布式電源接入時(shí)，可以考慮采用距離保護(hù)或是基于通信的縱差保護(hù)等其他保護(hù)原理，從而有效地判別電網(wǎng)故障。

2 配電網(wǎng)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(fā)生故障時(shí)，其對(duì)各饋線保護(hù)的選擇性、靈敏性、可靠性及自動(dòng)重合閘裝置的正確動(dòng)作都有較大的影響［4］，因此本文利用 PSCAD／EMTDC 建立一個(gè)10kV配電網(wǎng)算例模型如圖1所示，為研究相鄰饋線發(fā)生故障時(shí)光伏電站對(duì)所在饋線及相鄰饋線的保護(hù)的影響，所建立的配電網(wǎng)模型由多條饋線構(gòu)成，圖1中饋線3為無故障線路，用于等效于該配網(wǎng)的其他正常并聯(lián)運(yùn)行的饋線［5］。

圖1 配電網(wǎng)算例模型

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

表1 配電網(wǎng)線路參數(shù)

3 光伏電站對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響

下面將對(duì)距離光伏電站較遠(yuǎn)處發(fā)生故障時(shí)光伏電站公共接入點(diǎn)電壓不低于50%，仿真時(shí)認(rèn)為光伏電站在故障前后的光照強(qiáng)度不變，而且取光照強(qiáng)度為1000W／m2故障電流最大的情況進(jìn)行研究，此時(shí)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(fā)生三相短路故障時(shí)，光伏電站的輸出有功功率、公共接入點(diǎn)電壓、公共接入點(diǎn)電流的波形。從圖中可以看到距光伏電站電氣距離較遠(yuǎn)處發(fā)生三相故障時(shí)，電站公共接入點(diǎn)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(shí)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(yuǎn)處三相短路時(shí)光伏電站輸出有功功率（1000W／m2）

圖3 遠(yuǎn)處三相短路時(shí)光伏電站公共接入點(diǎn)電壓（1000W／m2）

圖4 遠(yuǎn)處三相短路時(shí)光伏電站公共接入點(diǎn)電流（1000W／m2）

通過大量仿真可以得出結(jié)論，當(dāng)距光伏電站較遠(yuǎn)處發(fā)生故障且電網(wǎng)電壓下降小于50%時(shí)，由于光伏逆變器的快速響應(yīng)，將使故障發(fā)生瞬間光伏電站的輸出功率基本保持不變，故障導(dǎo)致光伏電站公共接入點(diǎn)電壓下降后，其供出的電流將與電壓成反比增加，電網(wǎng)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(nèi)。為了計(jì)算配電網(wǎng)不同地方發(fā)生短路故障時(shí)，光伏電站提供的故障電流大小，以分析其對(duì)配電網(wǎng)的短路電流分布做出新的改變，對(duì)配電網(wǎng)原有的繼電保護(hù)方案產(chǎn)生的影響。

由上述分析可知，光伏電站接入對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響程度主要由光伏電站的容量和接入點(diǎn)與故障點(diǎn)的距離決定。因此下面將針對(duì)不同接入點(diǎn)情況，在光伏電站的容量發(fā)生改變的時(shí)候，對(duì)不同的故障點(diǎn)位置系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下發(fā)生三相短路的情況分別進(jìn)行短路電流計(jì)算［6］。

3.1 光伏電站的下游發(fā)生故障對(duì)保護(hù)2的影響

如圖1所示，選取線路CD段距離C母線5%處K3點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，由于光伏電站對(duì)故障電流起到助增作用，保護(hù)2的電流速斷保護(hù)范圍會(huì)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(jì)算得到光伏電站不同容量時(shí)流過保護(hù)2的電流以及光伏電站的故障電流。

圖5所示為K3處發(fā)生故障流過保護(hù)2的故障電流、光伏電站的故障電流和保護(hù)2的電流速斷保護(hù)動(dòng)作電流，可以看出線路CD的5%處K3點(diǎn)故障時(shí)，當(dāng)光伏電站未接入饋線時(shí)，則保護(hù)2的保護(hù)范圍未超過BC線路全長，故障位于保護(hù)2電流速斷保護(hù)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(hù)2的故障電流增大，當(dāng)光伏電站容量大于15.51MW時(shí)，流過保護(hù)2的故障電流超過其電流速斷整定值。此時(shí)若K3處發(fā)生故障，保護(hù)1、2都將瞬時(shí)動(dòng)作切除線路BC和CD，饋線保護(hù)失去選擇性。

表2 光伏電站下游CD線路5%處發(fā)生故障

圖5 光伏電站下游發(fā)生故障流過保護(hù)2和光伏電站的故障電流

3.2 光伏電站的下游發(fā)生故障對(duì)保護(hù)3的影響

同樣算例中保護(hù)3的電流速斷保護(hù)范圍為31.9%的CD線路，當(dāng)保護(hù)范圍外發(fā)生故障（CD線路的70%處）時(shí)，經(jīng)過仿真計(jì)算得到結(jié)果如圖6所示，當(dāng)光伏電站容量大于6.93MW時(shí)，流過保護(hù)3的故障電流會(huì)超過保護(hù)3電流速斷的整定值，而當(dāng)光伏電站容量大于35MW時(shí)流過保護(hù)2的故障電流大于保護(hù)2的限時(shí)電流速斷保護(hù)整定值，使保護(hù)2的電流二段保護(hù)和保護(hù)3失去選擇性。表3所示為光伏電站下游CD線路70%處發(fā)生故障的電流。

圖6 光伏電站下游發(fā)生故障流過保護(hù)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(fā)生故障

3.3 光伏電站的下游發(fā)生故障對(duì)保護(hù)1的影響

故障點(diǎn)K2在距母線C為線路BC全長的25%處，故障時(shí)流過保護(hù)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(hù)1的限時(shí)電流速斷作為保護(hù)2的遠(yuǎn)后備保護(hù)，應(yīng)在保護(hù)2不能瞬時(shí)切除故障時(shí)動(dòng)作，但是光伏電站接入后隨電站容量的增加，流過保護(hù)1的故障電流不斷減小，當(dāng)光伏電站容量超過5.73MW時(shí)，流過保護(hù)1的故障電流將小于保護(hù)1的限時(shí)速斷整定值，此時(shí)保護(hù)1可能無法作為保護(hù)2的后備保護(hù)。

圖7 光伏電站下游發(fā)生故障流過保護(hù)1和光伏電站的故障電流

4 結(jié)論

光伏電源（FV）發(fā)電作為一種新興的高效、環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，近年來獲得飛速發(fā)展。然而大量FV的并網(wǎng)運(yùn)行，將深刻影響配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及配電網(wǎng)中短路電流的大小和流向，給配電網(wǎng)的繼電保護(hù)帶來諸多不利影響。

表4 光伏電站下游BC線路25%處發(fā)生故障

本文結(jié)合相關(guān)理論并通過仿真驗(yàn)證，分析了光伏電站下游發(fā)生故障時(shí)對(duì)饋線1各個(gè)保護(hù)的影響，光伏電站下游的電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍會(huì)增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)延伸到下一條線路上，與下一條線路的電流速斷保護(hù)沖突，失去選擇性；限時(shí)電流速斷保護(hù)和下級(jí)線路保護(hù)的過流保護(hù)可能失去選擇性。

同時(shí)可以看出，F(xiàn)V對(duì)配電網(wǎng)影響與FV容量大小有關(guān)，并入系統(tǒng)的FV容量不宜過大，在FV容量較大時(shí)，為盡量避免這種不良影響，可以事先校驗(yàn)各極端情況下的電流保護(hù)定值等，必要時(shí)還可以考慮為電流保護(hù)加設(shè)方向元件，有益于分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)中的推廣和應(yīng)用。

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

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