光伏發電系統并網時對配電網保護的影響

張澤云，黃家棟，段曉波

(1．華北電力大學，河北 保定 071003；2．河北省電力研究院，石家莊 050021)

近年來，隨著光伏發電系統并網技術的深入研究和設備成本的不斷降低，其在電力系統中的應用逐漸增加。當配電網接有多個光伏電源時，短路電流將會增大，這可能導致電流保護之間的配合出現問題，可能使某些保護出現拒動或誤動，而且過大的短路電流還會影響熔斷器的正常工作。另外，未接入光伏發電系統之前的配電網一般是輻射狀的網絡，其保護不具有方向性，而接入光伏發電系統以后，整個配電網從無源網絡變成有源網絡，網絡潮流的流向具有不確定性。因此，有必要研究光伏發電系統并網對配電網保護的影響。

1 配電網保護的配置

配電網的保護相對于高壓大電網的繼電保護而言，保護不是很復雜。在配電網中常用的繼電保護有電流保護、電壓保護和距離保護等。由于放射式配電網的潮流是單向流動的，且考慮到80%～90%的故障都是瞬時性故障，所以為了簡化保護配置，傳統配電網主饋線保護一般采用電流速斷保護和過電流保護組成的兩段式保護，并配置三相重合閘裝置。傳統的配電網電流保護依賴于當地信息及預設整定值，以時限配合來完成主、后備保護功能，其靈敏性、選擇性及速動性都很難滿足運行方式靈活多變的光伏發電并網配電系統的要求。其中電流速斷保護按照最大運行方式下躲開本線路末端發生短路時的最大短路電流的方法整定，不能保護線路全長；過電流保護不僅可以保護本線路的全長，而且可以保護相鄰線路的全長，起到遠后備保護的作用；而對分支線路則采用高壓熔斷器保護。

2 光伏發電系統并網時的保護配置

光伏發電并網系統一般由光伏陣列、并網逆變器和控制器組成。 光伏發電并網系統通過并網逆變器直接把電能送入電網。逆變器是光伏發電并網系統的核心，因此，需要各種完善的保護措施,除了應具有基本的保護功能(如短路、過壓、過流、欠頻、過頻、過熱等)以外,還應具有預防孤島效應的特殊功能。逆變器的故障電流取決于電流限制器的最大電流水平和持續時間。光伏并網保護裝置，一方面對光伏發電系統進行保護，防止孤島效應等發生；另一方面防止線路事故或功率失穩。

光伏系統輸出和并網點之間的并網保護裝置，用以保證在光伏逆變系統發生異常時，光伏系統不對電網產生較大的不良影響，還可以保證在電網發生故障時，電網不對光伏系統產生損壞，常用的并網保護功能有低電壓保護、過電壓保護、低頻率保護、過電流保護和孤島保護等。

3 光伏發電系統并網時對配電網保護的影響

3.1 光伏發電系統對配電網電流保護的影響

3.1.1 影響狀況

光伏發電系統一般通過10 kV饋線接入配電系統，當故障發生時，接入光伏電源的配電網，其故障電流的大小和分布明顯與不接光伏電源時不同。當光伏電源容量與配電網系統容量相比足夠大時，將會影響配電網原有繼電保護裝置的正常運行。由于光伏電源對故障電流的助增或者分流作用，流過保護裝置的故障電流可能增大也可能減小，它將改變保護的范圍和靈敏度，給各個保護裝置的相互配合帶來問題。結合圖1所示的典型配電網進行分析,光伏電源對配電網電流保護的影響主要在以下幾個方面：

圖1 光伏發電系統與配電網典型接線示意

a. 光伏發電系統所在饋線上游發生故障時，可能導致光伏電源所在饋線保護誤動作。如圖1所示，如果在饋線BC段接入PV1，當AB段任意點k3發生故障時，保護R2將感受到由PV1提供的反向故障電流。由于保護R2沒有判斷電流方向的元件，若PV1容量足夠大時，反向故障電流將可能超過保護R2處的電流速斷保護的整定值,保護R2就會誤動作。而保護R3的故障電流僅由系統側電源提供，與不接PV1時的情況一樣，其動作不受PV1接入的影響。

b. 相鄰饋線故障時，反向故障電流可能導致本饋線保護誤動。如圖1所示，如果在饋線BC出口處接入PV2。當相鄰饋線AE上的k4點發生故障時，保護R4感受到由系統側電源、PV1和PV2共同提供的故障電流，其電流值大于未接入PV1、PV2時的值，保護R4的靈敏性將提高。而保護R3將感受到由PV1和PV2共同提供的反向故障電流，保護R2將感受到由PV提供的反向故障電流，當PV1和PV2容量較大時，反向電流有可能超過電流速斷保護的整定值，使保護R2或R3誤動作。

c. 不同容量的光伏發電系統或故障點位置不同時，導致本饋線部分保護靈敏度降低甚至拒動，而部分保護靈敏性增加。如圖1所示，當饋線BC段k2處發生故障時，按照保護的選擇性原則應由保護R2動作切除故障。故障點k2的故障電流由系統側電源和PV1共同提供，大于接入PV1前的故障電流，而保護R2僅僅感受到由系統側電源提供的故障電流，同時由于PV1的分流作用使得保護R2感受到的故障電流減小，這將影響保護R2的靈敏性，如果PV1的容量很大，保護R2甚至會拒動。如果是k1點發生故障，則保護R1感受到由系統側電源和PV1共同提供的故障電流，由于PV1的助增電流作用，使保護R1的靈敏性增加。

d. 光伏發電系統并網后可能使某些配電網電流保護的范圍擴大或縮小。如圖1所示，按照繼電保護配置的選擇性原則，在未接入任何光伏電源時，當k2點故障時，應由保護R2動作切除故障饋線，如果出現R2拒動時，應由R2的遠后備保護R3動作切除故障。假設只有PV2接入配電網，在k2點故障時，流過保護R2的故障電流隨著PV2容量的增大而增大，而流過保護R3的故障電流卻因PV2的分流作用而小于未接PV2時的值。與接入PV2之前相比，對于k2點的故障，保護R2感受到的故障電流增加，保護R3感受到的故障電流減小，這將使得保護R2的保護范圍增大，而保護R3(作為保護R2的遠后備保護)的保護范圍減小。

e. 當僅10 kV母線A出口接入PV3時，由母線A引出的各饋線發生故障時，PV3的作用相當于增大系統的容量，在一定程度上增大短路電流，提高各饋線電流保護的靈敏性。

f. 隨著PV容量的增大，可能導致保護失去選擇性。如圖1所示，僅有PV2接入配電網時，當饋線CD的出口發生故障時，應由保護R1動作切除故障饋線。但是當PV容量足夠大時，保護R2的保護范圍將可能延伸到CD段。在這種情況下，如果饋線CD的出口發生故障，保護R2、R1感受到的故障電流都達到甚至超過其各自的整定值，2個保護都動作，繼電保護失去了選擇性。

3.1.2 解決方案

綜上所述，當光伏電源接入位置或接入容量不同時，對配電網保護的影響程度不同。如果光伏電源的容量相對配電網容量來說很大時，它提供的短路電流足以使某些保護拒動或誤動，不能滿足繼電保護的靈敏性、選擇性要求。針對上述情況，文獻[1]提出利用電抗器高阻抗值的特性,來限制分布式電源提供的短路電流,有效地解決分布式電源與保護之間的協調性問題,但高阻抗電抗器會對正常運行時的電壓產生影響。文獻[2]還提出采用故障限流器來解決分布式電源助增電流對保護選擇性的影響。文獻[3]提出了2種含分布式電源(DG)的配電網饋線保護新方案，一種方案是在DG所在線路上游的兩端加裝方向元件,并借助兩端通信的方法來滿足選擇性；另一種方案是只在DG上游第1條饋線的始端裝設一套電流保護,同時,在上游每條饋線末端都加裝方向元件。發生故障時,利用廣域網將方向元件檢測到的功率方向信息,與始端饋線上裝設的那套電流保護的判別結果結合起來,可精確區分出故障區段,保證選擇性和全網保護的速動性。文獻[4]提出將配電網中的分布式發電系統分成不同的功率帶，采用自適應方法進行保護配合，但這樣需要分布式發電容量大于本地負荷容量，而且需要配備功率控制裝置。在光伏并網系統中，可以采用反應兩端電氣量比較的光纖縱聯差動保護等，來避免頻繁改變保護整定值， 滿足繼電保護的選擇性、速動性。

3.2 光伏發電系統對自動重合閘的影響

自動重合閘(AAR)是當線路斷路器因事故跳閘后，立即使斷路器自動再次合閘的一種保護裝置。如果線路為非全電纜線路，為了能夠在線路發生瞬時性故障時，快速恢復對負荷的供電，保護通常投入重合閘保護功能。標準IEEE 1547規定，分布式電源在電網電源失去后，必須跳離線路。在重合閘前加速方式下，任何位置的故障都必須跳開光伏發電系統，增加了線路恢復運行時的工作復雜度和工作量，延長了對用戶的停電時間。否則，重合閘動作時，故障點由于去游離時間不足，電弧可能重燃，使得重合閘動作不成功，擴大故障范圍。

因此，在含有光伏發電系統的配電網系統側的斷路器跳閘后，必須保證有充分的時間使故障點的電弧熄滅，才能保證重合閘成功。光伏發電系統和瞬態重合閘之間存在著明顯的沖突，系統側宜延長重合閘時限，以便保證光伏發電系統在重合時間內已退出運行，光伏發電系統側需裝設低周、低壓解列裝置。同時為避免非同期合閘給配電網和光伏發電系統帶來致命沖擊，系統側重合閘繼電器宜檢線路無壓，光伏發電系統側檢同期[5]。同時，解列后再連接時的判斷同期問題成為減少對配電網的沖擊所必須考慮的重要問題，應有一定的控制策略和保證手段。

3.3 光伏發電系統保護與配電網保護的配合

10 kV以下光伏發電系統的特點是可以直接掛接在380 V配電網上，光伏發電系統與本地負載相連，再通過斷路器連接到配電網上。當光伏發電系統接入點附近發生故障時，存在著光伏發電系統側斷路器和系統側斷路器動作時限配合的問題。在自動重合閘斷開時間間隔內，應確保光伏發電系統快速有效地切斷，但當有多個光伏發電系統接入系統時，并不是所有的光伏發電系統都會對線路保護和重合閘產生影響，這與光伏發電系統接入點和故障之間的距離長短有關，還與光伏發電系統的容量大小有關，特別是配電網80%的故障都是瞬時性的，不加選擇地切除光伏發電系統，會極大地降低光伏發電系統的利用效率，而且經常起停光伏發電系統設備，會使設備的使用壽命降低。另外，故障發生時，電力電子設備中的過渡過程可能擊穿大功率半導體器件等。為此，有必要研究當配電網線路發生故障時，配電網保護和光伏發電系統保護之間的配合問題。尤其是在光伏發電系統接入點附近發生故障時，它們之間的動作時限配合問題。

4 結束語

當今能源匱乏，光伏發電作為高效、環保的新能源，其應用前景正日益得到社會的普遍認同，光伏發電并網技術的應用推廣也更具有現實意義。然而，光伏發電并網運行將深刻影響配電網中短路電流的大小、流向及分布。另外，要使已有的繼電保護系統有效地保護含光伏發電的配電系統，還有許多經濟技術方面的問題需要解決。

參考文獻：

[1] 王希舟,陳 鑫.分布式發電與配電網保護協調性研究[J].繼電器,2006,34(3):15-19.

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[3] 分布式電源及其并網時對電網的影響[J]．高電壓技術,2007,33(1)：33-40.

[4] Brahma S M,Girgis A A.Development of Adaptive Scheme for Distribution System with High Penetration of Distributed Generation[J].IEEE Trans on Power Delivery,2004,19(1)：56-63.

[5] 張 超,計建仁,夏 翔,等.分布式發電對配電網饋線保護的影響[J].繼電器,2006,34(13):9-12.