光伏電站接入對送出線路繼電保護的影響

張東明1，連 婷1，王 東1，賈中義1 任 華1，王海云

(1.國網新疆電力公司巴州供電公司，新疆 庫爾勒 841000；2.教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

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光伏電站接入對送出線路繼電保護的影響

張東明1，連 婷1，王 東1，賈中義1任 華1，王海云2

(1.國網新疆電力公司巴州供電公司，新疆 庫爾勒 841000；2.教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

針對大量光伏電站接入電網，重點從光伏電站的電源特性對現有繼電保護的動作特性方面展開研究。在綜合穩定程序(PSASP)中建立了光伏電站系統暫態模型以及送出線路模型，分析了光伏電站發電系統的故障電流特征。在此基礎上分析了光伏電站發電系統對送出線路光伏側繼電保護動作特性的影響，并提出了相應的保護配置建議。為分析和預測在現有大系統中增加光伏發電系統后對電網的影響等提供了有力的技術支持。

光伏電站；電源特性；送出線路；繼電保護

0 引 言

隨著光伏(photovoltaic，PV)發電系統大規模并入電網，其對電網的安全穩定運行造成不可忽略的影響，因此光伏并網發電系統在自身故障期間的保護措施，成為電網安全運行的關鍵因素之一。光伏受到不同日照條件以及不同溫度條件的影響，輸出功率存在間歇性和波動性，對光伏送出線路繼電保護造成誤動、拒動或者靈敏度下降等問題。由于光伏電站的故障電流受到光伏逆變器低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)控制的限制，且單個光伏電站的容量占所接入系統容量的比例很低，光伏側的故障電流受限是該線路不同于常規線路的最大特性，該特性會對送出線路現有繼電保護的動作特性產生嚴重影響。國內外很多學者研究了光伏發電系統的暫態模型及其故障特性，并有一定的認識，但很少有人分析與研究光伏故障特性對送出線路繼電保護的影響。針對風能、太陽能等新能源接入電網引起的電網特性問題的分析還有待進一步完善。

因此，分析光伏發電系統送出線路繼電保護的動作性能以及送出線路故障特性對電流差動保護、距離保護等典型保護的影響，分析現有保護配置存在的問題，并利用光伏發電系統電磁暫態模型進行仿真驗證，提出保護配置的建議，具有一定的實際意義。

1 系統建模與分析

1.1 光伏發電系統模型

根據中國光伏發展現狀，中小型屋頂光伏電站多采用兩級式光伏發電系統，而對于大型沙漠光伏電站，單級式光伏發電系統以其結構簡單、成本低等諸多優點成為大型光伏電站的首選，應用廣泛。

下面主要針對單級式光伏發電的結構特點，分別對光伏陣列、功率變換器、并網連接轉換等部分進行建模，并實現最大功率跟蹤控制、逆變器并網控制等功能，能夠很好地反映實際光伏發電系統的機電暫態特性。單級式光伏發電系統模型的總體結構圖如圖1所示。

圖1 單級式光伏發電系統模型結構圖

此模型通過輸入任意時刻的光照強度和實際溫度值，能夠準確地模擬出此情況下的光伏陣列輸出功率、端口電壓、輸出電流以及整個光伏發電系統的并網電流、電壓和功率等，為分析和預測在現有大系統中增加光伏發電系統后對電網的影響等提供了有力的技術支持。此模型具有普遍適用性，對于目前中國大型光伏發電系統所采用的單級式不可逆光伏發電形式，可以很好地進行仿真模擬。

1.2 送出線路故障特性分析

電網故障期間，為保證光伏逆變器具備LVRT 能力，控制環節必須對電流進行限幅，以保護電力電子開關器件不過流。限制故障時電流的大小一般不超過逆變器額定負載電流的1.1倍，即故障期間電流不會顯著增大，這會對依靠電流大小門檻值來識別故障的保護造成嚴重的影響。當送出線路故障時，流過光伏送出側保護安裝處的故障電流與故障前的正常電流接近，故電流保護Ⅰ、Ⅱ段元件不能正常動作，電流保護Ⅲ段元件按常規方法整定也難以可靠動作，而流過系統側保護安裝處的故障電流與光伏電源特性無關，故系統側電流保護可以正常動作。因此，送出線路的光伏側電流保護在區內故障時拒動，而系統側電流保護可以正常動作。

一般情況下，光伏電站所接入系統的短路容量至少為光伏電站額定容量的20～30 倍，故送出線路故障時系統提供的短路電流一般至少為額定負荷電流的20～30 倍。因此，系統與光伏電站提供的故障電流大小相差懸殊，光伏電站的弱電源特性十分顯著。

圖2為某110 kV 光伏電站送出線路故障示意圖，保護1和保護2分別為光伏側和系統側的距離保護，Rg為過渡電阻，IPV和IS分別為光伏電站和系統提供的故障電流。

圖2 光伏電站送出線路故障示意圖

設IS滯后IPV的相位角θ[-180°，180°]，兩者倍數比N為

N=︳IS/IPV︳

θ與光伏逆變器的LVRT 控制方式和故障嚴重程度密切相關。

1)當逆變器在故障期間發送無功(規程要求光伏電站在故障期間提供無功支撐)時，一般有θ<0°。發送的無功功率越多，IPV的無功電流分量越大，則IPV的相位越滯后，θ越小。

2)當逆變器在故障期間僅發送有功(實際運行的光伏電站在故障期間往往無功支撐能力不足)時，一般有θ>0°。這是由于光伏電站的送出變壓器和各光伏發電單元的升壓變壓器都要消耗無功，而光伏電站的無功補償裝置(電容器、動態無功補償裝置等)受母線電壓下降和裝置響應速度不夠快的影響，在故障期間補償的無功功率不足，光伏電站要從外界吸收一定的無功。光伏電站從系統吸收的無功越多，則IPV的相位越超前，θ越大。

3)故障后IPV的相位變化要經歷一個暫態過程，導致θ變化不定。這是由于逆變器的控制器中鎖相環的響應有暫態過程。鎖相環的作用是提取逆變器出口處的電壓相位作為控制器的參考信號。故障越嚴重，鎖相環的暫態響應波動越劇烈；當故障特別嚴重時，逆變器出口電壓降得很低，鎖相環的輸入信號太小，其響應難以達到穩態，θ在-180°～180°范圍內變化。故障的嚴重程度受過渡電阻、故障點位置和故障類型的影響。

2 光伏送出線路保護動作特性仿真分析

2.1 電流差動保護仿真分析

用圖1所示的模型對光伏電站送出線路的保護動作性能進行仿真驗證。光伏側和系統側距離保護Ⅰ段均為方向圓特性，定值均為線路阻抗的85%(5.189∠71.1°Ω)。設定圖1中光伏電站模型的逆變器的LVRT控制策略為故障期間發送一定無功功率的方式。

送出線路電流差動保護的動作情況見表1。在不同的故障類型和過渡電阻下，區內故障時均可靠動作，區外故障時均可靠不動作，動作的準確性完全不受光伏故障電流特性的影響。

表1 送出線路電流差動保護動作情況

當光伏送出線路故障時，電流差動保護所采用的兩端故障電流分別由光伏電站和系統提供。光伏電站送出線路配置的是分相電流差動保護，采用兩端電流的相量和作為動作量，在理論上不受電源類型、過渡電阻和運行工況的影響，可瞬時切除區內故障。

當送出線路發生區內故障時，由于光伏電站的弱電源特性，系統側故障電流幅值IS遠大于光伏側故障電流幅值IPV，IPV幾乎可以忽略。送出線路的故障類似于單端電源線路故障，差動保護的靈敏度(差動電流與制動電流的比值)很低，故光伏電站的接入降低了電流差動保護的靈敏度。

2.2 距離保護仿真分析

由表2和表3可知，當無過渡電阻時，測量阻抗準確反映了保護安裝處到故障點K1的線路阻抗ZK，兩側距離保護元件均正確動作。當過渡電阻為0.5Ω時，系統側的測量阻抗幾乎未發生偏移，而光伏側測量阻抗偏移到了動作區外。當過渡電阻為5Ω時，系統側的測量阻抗在某些類型的故障下也偏移到了動作區外。由此可見，光伏側距離保護元件在區內故障時耐受過渡電阻能力極差，很小的過渡電阻便會引起很大的測量誤差，造成保護拒動。系統的距離保護耐受過渡電阻能力較強，在送出線路全長阻抗只有6.105Ω的情況下仍可耐受幾歐姆的過渡電阻。

表2 區內故障時送出線路光伏側距離Ⅰ段動作情況

表3 區內故障時送出線路系統側距離Ⅰ段動作情況

需要特別指出的是，弱電源特性對距離保護元件耐受過渡電阻能力的影響問題在光伏送線路上表現得尤為突出，但其影響不僅僅限于光伏送出線路，而是涉及到所有的弱電源送出線路。一側故障電流受限會極大地降低距離保護的耐受過渡電阻能力。

3 保護配置建議

上述分析揭示了光伏電站送出線路現有保護受光伏電源特性的影響性能下降的問題，需要改進保護配置方案，以滿足送出線路安全運行的要求。送出線路的主保護仍應采用電流差動保護。由于電流差動保護在光伏電站送出線路上可正確動作，故除了110kV送出線路之外，現有規程要求在10kV或35kV的低壓光伏電站送出線路上也要配備電流差動保護，以取代不能正確動作的電流保護和距離保護作為主保護。唯一需要注意的是，光伏電站故障特性降低了差動保護的靈敏度，因而應按單電源線路對送出線路差動保護進行整定。

送出線路的后備保護應重新配置如下：對于接地故障，仍采用現有的零序電流保護。從圖2可以看出，零序網絡僅包含送出變壓器高壓側和送出線路，零序電流保護與光伏電站的電源特性無關，仍然可正確動作。對于相間故障，系統側仍可采用電流保護，而光伏側可考慮配置低電壓保護。由于光伏電站為電網的弱電源端，當故障發生時，相應故障回路的電壓顯著降低。低電壓保護的配置原則是：當送出線路發生區內故障時，應動作于跳閘；當電網或光伏電站內部故障時，應可靠不動作。低電壓保護的時間整定值應能躲過系統中發生的區外故障。當系統中發生區外故障時，其動作延時應與下級線路后備保護的動作時間相配合。此外，光伏側保護應加裝方向元件，避免光伏電站集電線路或送出變壓器故障時發生反方向誤動。

4 結 論

就弱電源特性對光伏電站送出線路繼電保護的影響進行了詳細的分析和仿真驗證，得出以下結論：

1)光伏電源特性使光伏送出側電流保護在區內故障時不可用。

2)光伏電源特性不影響電流差動保護的正確動作，但降低了差動保護的靈敏度。

3)光伏電源特性使相間距離元件耐受過渡電阻能力極差，在實際中不可用；接地距離元件耐受過渡電阻能力也較差。

4)建議光伏電站送出線路以電流分相差動保護作為主保護，零序電流保護作為接地故障的后備保護，低電壓保護作為相間短路的后備保護。

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For a large number of photovoltaic (PV) power stations connected to power grid, the action features of the current relay protection are mainly studied as viewed from the characteristics of power supply of PV power station. The transient model of PV power station system and the model of transmission lines are established in the comprehensive stability program (PSASP), and the fault current characteristics of PV power generating system are analyzed. On this basis, the influence of PV power generating system on the action features of relay protection in PV side of transmission lines is analyzed, and some suggestions for the corresponding relay protection allocation are proposed, which provides a strong technical support for analyzing and predicting the impact on power grid after increasing PV power generating system in the existing system.

photovoltaic power station; characteristics of power supply; transmission lines; relay protection

教育部創新團隊項目(IRT1285)；國家自然科學基金項目(51267017)

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A 文章編號：1003-6954(2016)06-0001-04

2016-08-16)

張東明(1987)，碩士研究生，研究方向為電力系統穩定與控制；

王海云(1973)，副教授、碩士研究生導師，研究方向為可再生能源發電與并網技術。