考慮低電壓穿越的光伏電站對并網(wǎng)線路差動保護影響研究

趙天樂

南京理工大學 江蘇 南京 210094

0 引言

近幾年來，光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展使其成為電力系統(tǒng)發(fā)展的“主力軍”。特別是自2010年底國網(wǎng)公司出臺了《光伏電站接入電網(wǎng)技術規(guī)定》，其中明確提出對光伏電站低電壓穿越(Low Voltage Ride-Through，LVRT)的技術要求，進一步完善了我國光伏發(fā)電技術。與傳統(tǒng)雙端電源網(wǎng)絡不同，光伏并網(wǎng)技術目前多依賴于電力電子裝置，且不具有旋轉(zhuǎn)慣性，導致含光伏發(fā)電系統(tǒng)的雙端網(wǎng)絡甚至多端網(wǎng)絡復雜程度增加。且由于光伏電站自身的特性及受到LVRT等多種控制策略的影響，在日常頻發(fā)的短路故障后，其表現(xiàn)出來的故障特性不同于常規(guī)發(fā)電方式，勢必會對電網(wǎng)傳統(tǒng)的繼電保護方式帶來一定的影響，導致現(xiàn)行的繼電保護配置及靈敏度不能完全適應光伏電站的要求。特別是當并網(wǎng)線路發(fā)生故障時，如果不能及時采取適當?shù)谋Ｗo措施，將會導致光伏電站脫網(wǎng)，對整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成嚴重威脅。

線路差動保護是利用故障發(fā)生時輸電線路兩端電流和的特征來區(qū)分區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障從而快速、準確切除保護區(qū)內(nèi)故障，常作為輸電線路的主保護。而含有光伏電站的系統(tǒng)中，當并網(wǎng)線路發(fā)生故障時，需要比較的兩側(cè)“同時刻”電流信息由于受到LVRT的電流限幅控制策略的影響，導致與傳統(tǒng)輸電線路不同。由于光伏電站的弱電源特性會造成送出線路的光伏側(cè)電流保護不能啟動，電流差動保護靈敏度雖下降但仍正常動作。因此，本文著重分析光伏電站對并網(wǎng)線路差動保護產(chǎn)生的影響并提出一種采用浮動門檻的比率制動式分相差動保護。

1 光伏電站LVRT控制策略

大型光伏電站的發(fā)電原理是利用“光生伏特效應”，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，但太陽能電池發(fā)出的電為直流電，需要通過逆變器轉(zhuǎn)換為滿足電網(wǎng)要求的交流電。大型并網(wǎng)光伏電站由光伏電池陣列、直流變換器、逆變器組成，其中最關鍵的部分就是逆變器，因此光伏電站的故障特性和短路計算模型主要取決于逆變器的控制策略。

近幾年來隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量的增加，若在故障發(fā)生的第一時刻直接選擇將光伏發(fā)電切除，將會造成電網(wǎng)電壓、頻率振蕩，危害電能質(zhì)量，因此在新的技術規(guī)定中對故障期間的電壓穿越作出了新的要求。LVRT是指當電網(wǎng)擾動或故障引起逆變器并網(wǎng)點（Point of Common Coupling，PCC）電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠不間斷的并網(wǎng)運行，并根據(jù)電壓跌落的程度，為電網(wǎng)提供一定的無功支撐。在對稱短路故障中為了能夠?qū)崿F(xiàn)LVRT，一是要限制交流側(cè)電流超過允許范圍以防止過電流現(xiàn)象的產(chǎn)生；二是要在限制電流的基礎上消耗或者存儲直流母線上積累的功率以防止直流電壓上升。而當電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，由于負序電壓的存在，將引起直流電壓出現(xiàn)震蕩，當震蕩幅度過高時也將引起過電壓，從而導致交流側(cè)電流過高。從兩種故障類型所導致的結果來看，LVRT技術的核心就是要限制逆變器交流側(cè)電流的大小，防止在故障發(fā)生時過電流保護或其他繼電保護方式動作將光伏電站切除，從而實現(xiàn)故障期間的光伏電站并網(wǎng)運行。考慮到這兩種類型的故障，本文提出了一種基于正序分量的控制策略，即提取并網(wǎng)點電壓的正序分量，與穩(wěn)態(tài)情況下的正序分量大小作比較，具體LVRT控制策略為：

與傳統(tǒng)電網(wǎng)雙端電源發(fā)生短路故障相比，由于光伏側(cè)提供的短路電流幅值大小受到限制，相位也與有功、無功電流有關，因此與電網(wǎng)側(cè)提供的短路電流相比，兩者之間存在顯著地差異。因此傳統(tǒng)電網(wǎng)繼電保護方式的判據(jù)也將會受到影響，可能會導致原有保護方式的失靈，引起保護的誤動或保護的靈敏度降低。

2 光伏電站對并網(wǎng)線路差動保護影響分析

電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下，光伏逆變器的常規(guī)控制采用的是基于電網(wǎng)電壓定向的雙閉環(huán)控制。而當并網(wǎng)線路發(fā)生短路故障時，并網(wǎng)點電壓將會發(fā)生較大程度的跌落，系統(tǒng)側(cè)將輸出較大的短路電流。而光伏側(cè)由于受到LVRT電流限幅控制策略的影響，將輸出與穩(wěn)態(tài)電流相差不大的短路電流，這將會對傳統(tǒng)輸電線路的差動保護產(chǎn)生影響。

在并網(wǎng)線路發(fā)生相間短路一瞬間，對于電流幅值大小來說，由于光伏電站逆變器采用LVRT控制策略，因此光伏側(cè)輸出的短路電流很小，其值只有1.1倍的額定電流。系統(tǒng)側(cè)由于并沒有采取控制策略，因此在并網(wǎng)線路發(fā)生故障時短路電流值與常規(guī)線路相比并無異常，故障相電流大小會發(fā)生較大的上升。而對于電流相位來說，光伏側(cè)由于受到LVRT控制策略的影響會產(chǎn)生無功電流，因此勢必會導致系統(tǒng)功率因數(shù)的改變。此時光伏側(cè)提供的短路電流相位超前于電壓，導致故障點兩側(cè)電流相位并不是完全反向，而是夾角小于180度。

差動保護的靈敏度定義為：

為提高含光伏電站的電網(wǎng)差動保護的靈敏度，本文差動保護的整定值采用根據(jù)短路電流的大小調(diào)整的浮動門檻。圖1給出了帶制動線圈的差動繼電器原理圖。這種原理的差動繼電器有兩組線圈，制動線圈流過兩側(cè)互感器的循環(huán)電流為，在正常運行和外部短路時制動功率增強，在動作線圈中流過兩側(cè)互感器的和電流，在內(nèi)部短路時制動功率減弱，而動作的功率極強。

3 仿真驗證

3.1 暫態(tài)故障模型

針對上文的分析，本小節(jié)將對含大型光伏電站的系統(tǒng)并網(wǎng)線路發(fā)生相間短路故障時，所提出的采用浮動門檻的比率制動式分相差動保護性能進行仿真驗證。

由于受到LVRT控制策略影響，在發(fā)生故障時若檢測到并網(wǎng)點正序電壓發(fā)生跌落，將立即斷開電壓外環(huán)，變雙閉環(huán)控制為單電流限幅控制，因此光伏電站在故障期間可用受控制的電流源來代替，并利用PSCAD軟件搭建了含光伏電站的暫態(tài)故障仿真模型。

3.2 仿真分析

比率式差動保護的動作條件為：

1.差動電流需大于最小動作電流；

主要分布在山間河谷漫灘中，含水層由第四系上更新統(tǒng)別拉洪河組沖積砂礫石組成，其中含約15%的黏性土，含水層厚度2.6～6.8 m，越向山間蔓延含水層越薄。單井涌水量為10 ～100 m3/d，滲透系數(shù) 5.0～10.0 m/d。

2.故障發(fā)生時的差動電流需大于此時的制動電流。

根據(jù)以上兩條動作條件在PSCAD軟件中搭建了差動保護模型，以并網(wǎng)線路發(fā)生AB兩相短路故障為例，對比率制動式差動保護的動作特性及靈敏度進行仿真驗證。

AB兩相短路時各相保護動作特性仿真結果如圖3所示。

圖2 AB兩相短路時各相制動/差動電流

通過分析圖3所示的仿真結果可以清楚的看到，當采用分相比率制動式差動保護時，當發(fā)生兩相相間短路故障，故障相的差動電流都大于此時的制動電流值，能夠可靠動作，而非故障相制動電流值大于差動電流，保護不動作。

為驗證研究采用的比率制動式差動保護能夠提升保護靈敏度，其故障相靈敏度仿真結果如圖8所示。

圖3 AB兩相短路時故障相靈敏度

對比帶有比率制動式差動保護及傳統(tǒng)保護的靈敏度可以看出，當采用傳統(tǒng)保護時，由于光伏電站的接入，保護靈敏度有一定程度的下降，故障相靈敏度約在1.4左右，而當采用比率制動式差動保護時，故障相的靈敏度并沒有受到光伏電站逆變器LVRT控制策略的影響，較傳統(tǒng)保護靈敏度有一定程度的提升，維持在2.1左右，符合差動保護靈敏度的要求。因此本文提出的在并網(wǎng)線路發(fā)生故障采用比率制動式差動保護的方法對提高含光伏電站的并網(wǎng)線路差動保護的靈敏度有較好的效果。

4 結論

本文考慮到最新的光伏電站接入電網(wǎng)的規(guī)定，對并網(wǎng)光伏電站的LVRT能力進行分析，在研究目前LVRT控制策略基礎上，考慮到不對稱故障提出了一種提取并網(wǎng)點電壓正序分量作為參考分量的方法，并基于此對光伏電站對并網(wǎng)線路的差動保護影響進行了研究。傳統(tǒng)差動保護由于光伏電站逆變器在故障時采用單電流限幅控制策略，造成流入差動繼電器的電流明顯減小，與網(wǎng)側(cè)短路電流大小、相位存在很大差異，因此導致傳統(tǒng)差動保護靈敏度降低。因此本文提出了一種采用浮動門檻的比率制動式分相差動保護，并通過仿真驗證該保護能夠在發(fā)生短路故障時保證故障相快速、可靠動作且非故障相不發(fā)生誤動，可選擇此保護作為并網(wǎng)線路的主保護。