淺談光伏發電系統并網對距離保護的影響

張子杰等

摘 要：隨著能源和環境問題越來越突出，光伏發電作為一種戰略性新興產業，得到了快速發展。由于光伏發電的成本不斷降低，并網型光伏系統逐步成為光伏產業的主流。為了保證電網安全穩定運行，文章分析了光伏發電系統（Photovoltaic power system，簡稱PV系統）并網對電網原有的距離保護的影響。

關鍵詞：光伏發電；距離保護；影響

引言

在可利用資源日益緊張的今天，太陽能作為一種無污染、可再生的能源在全球被人們大范圍的加以利用。許多國家已經開展并實施對光伏電源系統的研究及建設，從設計研究、設備研發及制造以及施工實施等一系列流程上都取得了一定的成果，但光伏電源系統投運后對電網的影響研究尚不夠成熟，還需加強研究的力度。光伏電源系統接入單電源變電站使原有的單電源網絡變成了至少雙電源網絡，使原來的中、低壓繼電保護不能滿足改變后電網運行的要求，文章主要闡述目前光伏發電系統并網后對原電網系統距離保護的影響。

1 光伏系統對電網的影響

（1）光伏發電系統出力具有波動性和間歇性，另外光伏發電系統通過逆變器將太陽能電池方陣輸出的直流轉換成交流供負荷使用，含有大量的電力電子設備，將會產生諧波、導致電壓偏差，電壓波動和閃變、電壓不平衡和直流分量等電能質量問題。接入配電網會對電網的電能質量產生一定的影響。（2）目前光伏發電系統一般接入110kV以下配電網中，且它在電網低電壓等級。若電網110kV電壓等級發生故障時，光伏電源系統向110kV系統反向供電，故障點的電流及電壓會產生一定的影響，短路電流同時由系統電網及光伏電源提供。當光伏電源容量較大時，其負荷電流不斷流向故障點，達到保護的整定值時會使保護出口誤動或拒動；當光伏容量較小時，短路點的故障電流主要由系統電網提供，光伏系統提供的短路電流相對較小，對110kV保護的影響也較小，甚至無影響。當光伏電源系統下一級電壓等級故障時，其下級的速斷保護靈敏度和保護范圍會隨著電流的增加而變大，保護范圍延伸至下一級，嚴重影響保護裝置的選擇性。綜上所述，PV系統的容量大小、接入電壓等級及故障點的不同直接或間接影響著繼電保護裝置的可靠性、選擇性、速動性及靈敏性四大因素。

2 光伏系統對電網距離保護的影響

目前電流速斷保護、過電流保護等普遍應用于35kV及以下電壓等級的簡單電網系統中，隨著電壓等級的升高，電網越加復雜，選擇更加完善可靠的繼電保護裝置就成為重中之重，距離保護就是其中的一種。它普遍應用在66kV及以上、110kV及以下的電壓等級中，并將其作為輸電線路的主保護。

距離保護是反映故障點至保護安裝點之間的距離（或阻抗），并根據距離的遠近而確定動作時間的一種保護裝置，距離保護具有三段式階梯特性，分別為距離Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保護。

當系統電源饋線側發生故障時，流入短路點的故障電流是由系統電源和未解列的PV系統共同提供。故障點的短路電流值會變大，增加的電流大小取決于光伏電源系統的容量大小。因此，PV系統的并網有可能促使原系統距離保護誤動或拒動，主要如下：（1）距離保護Ⅰ段對應于瞬時電流速斷保護，瞬時動作，為保證動作的選擇性，距離保護Ⅰ段不可能保護線路的全長，一般僅對線路全長的80%～85%進行保護。系統運行方式的變化不會影響到它的測量阻抗，運行方式的變化，使得保護裝置檢測到的電壓和電流以正向線性方式變化，線路阻抗基本保持不變，基本不會影響距離Ⅰ段保護。（2）距離保護Ⅱ段用以彌補保護Ⅰ段的不足，盡快切除本線路末端15%～20%范圍間的故障，其保護范圍可延伸至下一段線路，其動作時間比下一線路距離Ⅰ段高出一個時限，其定值按照躲過相鄰線路速動段保護來整定。以圖1所示，某一光伏電源系統接入110kV變電站A的10kV電壓等級，110kV變電站A以110kV線路連接110kV變電站B，110kV線路均配置距離保護。當110kV變電站A的其他10kV線路K1點發生故障時，電網系統與PV系統會同時向K1故障點注入短路電流，由于PV系統的分流作用會減小110kV線路距離保護處（保護1）的故障電流，致使110kV線路距離Ⅱ段保護測量阻抗變大，保護范圍變小，同時可能降低保護的靈敏性和速動性，最終導致保護裝置的拒動或誤動。此時需要根據光伏系統的容量、接入方式重新整定保護定值，并做相應的試驗以保證保護裝置的安全可靠運行。若整定調試后仍無法滿足要求，則需考慮更換保護，重新配置光纖電流差動保護。（3）距離保護Ⅲ段是作為本線路距離Ⅰ、Ⅱ段保護的近后備、相鄰下一級線路保護的遠后備和反向母線保護的后備保護，動作時限比其他各保護最大動作時限高出一個時限，以保證選擇性。其定值按照與相鄰下級線路距離保護Ⅱ或Ⅲ段配合整定。當在K1點發生故障時，此時110kV線路保護處（保護1）距離Ⅲ段保護檢測到的阻抗可能會減小，甚至小于距離Ⅲ段保護啟動的門檻值，但由于距離段Ⅲ保護的動作時限一般較長，需要和下級線路距離保護Ⅱ或Ⅲ段配合，遠遠長于PV系統的失穩時間。因此，它能夠躲開PV系統提供的短路電流干擾，避免受到影響。

3 結束語

在全球能源形勢緊張、全球氣候變暖嚴重威脅經濟發展和人們生活健康的今天，世界各國都在實施以尋求新的能源替代的戰略，以求得可持續發展和在日后的發展中獲取優勢地位。光伏發電作為一種新型可持續發展的能源，對節能與環保意義重大。隨著光伏發電的不斷發展，在并網后保證電網與光伏發電系統安全、可靠的運行成為最關鍵的問題。但光伏發電系統對電網系統的影響還有待深入研究，并完善相關保護配置的方案。在此倡議各界加大光伏發電大規模并網相關問題研究的力度，充分發揮可再生、清潔能源的優勢，實現電網與光伏發電系統的可持續健康發展。

參考文獻

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作者簡介：張子杰（1984-），男，工程師，主要從事電力系統繼電保護、電氣二次和調度自動化方面的設計工作。