光伏發電并網對配電網繼電保護的影響分析

王娟

摘要： 光伏發電（PV）系統并入配電網后，必定會改變原來配電網的拓撲結構。傳統配電網的繼電保護已不能滿足要求。因此，研究光伏并網對配網繼電保護的影響對推動光伏系統并網有十分重要的意義。利用PSCAD/EMTDC軟件建立光伏發電模型，分析了光伏發電接入不同位置和容量的情況下，對配網繼電繼電保護的影響。仿真結果表明，光伏發電接入配網始端時，對配電網的短路電流有助增作用，接入末端時，對本饋線故障處上游短路電流沒有影響，但會造成下游形成孤島效益。當光伏發電容量較大時，可能會造成繼電保護產生誤動。

關鍵詞：光伏發電；配電網；繼電保護

中圖分類號：TM61 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0000-00

0 引言

自建國以來，全國以經濟建設為中心，大力發展生產力，人民生活水平顯著提高。但到2000年開始環境問題成為焦點。如今霧霾、二氧化碳排放過多導致全球變暖等等環境問題更是數不勝數。近年來，我國能源需求持續快速增長，特別是石油資源的大量消耗，不僅對生態環境造成嚴重影響，而且隨著石油對外依存度的不斷增加，給國家能源安全帶來潛在風險。固然，能源對于一個國家的安全、穩定、發展和人民生活水平提高有著極其重要的作用。我們在經濟發展的同時，不能只想以經濟發展為主要的目標。用犧牲環境來取得相應的成就，這樣只會適得其反。國家相關部門也提出了相應的問題對于電力行業的全面認識。《中國電力與能源》中指出，中國能源危機、經濟瓶頸應該以電力為核心。尋找新的電力資源，發掘電力潛能，提高電力技術水平是把電力作為中心的指導方向，只有這樣我國在能源危機以及經濟被能源所遏制的情況才能改善[1-2]。

我國能源分布極為不均，西部可利用的新能源蘊含總量遠超我國沿海及中東部。光能，風能，地熱能等西部儲量統計為東部5倍以上。然而我國需求能源也極為不均，東部及東部沿海為能耗最多的地區，而西部工業少需求量小。能源的傳輸十分重要。故并網發電是符合我國特點的發電方式。

上述問題新能源的開發利用可以很好地解決。水利發電不會排放有害氣體，但水利發電占地大，至今沒有論證它是否對生態環境有影響。并且水利發電投資大，建設期長。核電發電效率高，占地相對較小，但核廢料至今沒有很好地處理辦法，其中核輻射也會造成環境污染，一旦核電站出問題還會危及地域安全。風電占地大，風能地域分布不均，維護經費高。最適合發展的是并網式光伏發電，其發電系統靈活性高，建設周期短，擴展容量方便；光能可利用蘊含地廣，不受地域限制；污染小，由于發電是電力電子器件不涉及氣體污染，工作運行時聲音較小；維護費用低，運行可靠，工作方式簡單。

隨著光伏發電的成熟，成本越來越低，我國又是光伏板出產大國，光伏系統并網成為利用這一資源的最好方式。然而，光伏發電有其自己的特點。并且配電網各不相同，光伏發電并網后接入容量、接入位置，勢必會影響配電網的拓撲結構，改變系統的潮流分布[3-4]。這樣的改變一定會對配電網繼電保護有十分大的影響。為了保證光伏發電接入后的電網安全與穩定，也為了完善光伏發電技術、減少新能源發電的推行阻力。研究光伏發電并網對配網繼電保護的影響至關重要。

1 光伏發電數學建模

在不考慮光照溫度的情況下，電池板產生的電流Iph的大小受內外影響不大。這樣的情況下可以把電流Iph理想化為一個恒流源與二極管并聯。由于光伏電池的構造原因，橫向必定有電流。這樣會使有電能的消耗。我們可以加一個電阻Rs來等值，以減少模型的誤差。再加以考慮漏電流Ish，可等值其并聯一電阻Rsh，其等效圖由圖1所示[5-6]。

圖1光伏發電等效電路

在光伏模型中負載處電流方程為：

（1）

PV電源出口處電壓方程為：

（2）

UJ—為光伏電池不計橫向電阻出口處端電壓；

UL—為負荷 兩端電壓；

IL—為負荷電流。 （3）

—為一定值（PN結材料特性有關系數）；

—為一定值（PN結材料特性有關系數）；

K—為波茲曼系數；

T—為絕對溫度；

2 光伏發電對配電網繼電保護的影響分析

2.1 配電網參數

配電網接線圖如圖2所示。

圖2 配電網接線圖

1、線路參數

架空線路選擇LGJ-120/25，數據如下：r=0.223Ω，x=0.348Ω，具體參數如下表。

2、變壓器的選型

S7-6300/110，本變壓器采用降壓變壓器，額定容量6.3MVA，電壓等級變比為110kV/10.5kV，接線采用Yd11型，額定短路百分比為10.5。

3、配電系統電源參數

額定電壓為115kV，系統的電源阻抗為0.6Ω，電抗為3.9Ω。頻率為50Hz，系統容量為1.4MVA。

設系統容量為SS，系統電壓為ES，系統電抗XS，光伏發電系統容量為SE，光伏發電系統電壓為EP，等效阻抗為XP。各線路電抗值為X1、X2、X3、X4、X5、X6。K1、K2、K3、K4、K5、K6分別為本段末端發生三相接地短路。

2.2 PV接入位置對配電網繼電保護的影響

1、PV電源接在配電網始端

具體接線圖如圖3所示。

通過計算分析， PV電源在始端接入會使保護的范圍擴大、降低保護的靈敏性。當短路電流增大到一定值時，會使I段保護和下級的I段保護失去選擇性。情況嚴重時還會波及下級線路II段保護的選擇性。

2、PV電源接在配電網中端

如圖3中的C、D、F、G母線上，通過計算分析，PV可使相鄰饋線保護的范圍擴大、降低保護的靈敏性。當短路電流增大到一定值時，會使I段保護和下級的I段保護失去選擇性。情況嚴重時還會波及下級線路II段保護的選擇性。

2、PV電源接在配電網末端

如圖3中的E、H母線上，通過計算分析，當相鄰饋線發生故障時，由于PV電源增加了相鄰饋線的短路電流，會使相鄰饋線的保護裝置的保護范圍變大，靈敏性降低，并有可能使相鄰饋線的保護失去選擇性。

2.3 PV接入容量對配電網繼電保護的影響

1、PV電源接在配電網始端

接入容量分別為1、2、3MWp時，計算結果如表2所示。

當K2發生故障時，相比與未接入PV系統時短路電流增大。當K4發生故障使，相比與未接入PV系統時短路電流增大。并且隨容量的增加短路電流值隨著增加。

2、PV電源接在配電網中端

PV接入饋線中端時，接入容量分別為1、2、3MWp時，數據如表3所示。

當K2發生故障時，相比于未接入PV電源的情況，保護2處的短路電流增大，保護4處為反向電流。當K4發生故障時，流經保護4短路電流變化不大。當K5發生故障時，流經保護5處的短路電流增加。

3、PV電源接在配電網末端

接入容量分別為1MW、2MW、3MW時，數據如下表4。

當K2發生故障，相比未接入PV電源時流經保護2的短路電流升高，并隨著容量的上升短路電流增加的越多。流經保護4處的短路電流大小，不隨容量的變化而變化。

3 結論

PV電源接在配電網的始端時，其對配電網的短路電流有助增作用。PV電源接在配電網的末端時，當故障是發生在本饋線上時，其對本饋線故障處上游短路電流沒有影響，但故障點下游處會由PV電源提供反向的短路電流，由于在故障段只有上游有保護裝置，所以下游會形成孤島效應。當PV電源接在配電網的中端時，當故障發生在本饋線PV電源上游時，PV電源接入對相鄰饋線不會產生影響，對本饋線故障處保護的短路電流也不會產生影響。

參考文獻

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[2] 周志敏，紀愛華.太陽能光伏發電系統設計與應用實例[M]，北京：電子工業出版社，2010：14-17.

[3] 周衛，張堯.夏成軍.分布式發電對配電網繼電保護的影響[J]，電力系統保護與控制，2010，38（3）：1-5.

[4] 張弘鵬，余貽鑫.配電網拓撲結構概念聚類及其在優化規劃中的應用[J]，電力系統自動化，2003，27（22）：31-35.

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