分布式光伏電源接入對配電網保護的影響

柳想 王芳祿

摘要：階段式電流保護常用于配電網繼電保護中，但分布式電源接入配電網后，會改變其短路電流大小及方向，導致保護誤動拒動等。以ETAP軟件為平臺搭建含光伏電源的10 kV配電網模型，研究一定容量的光伏電源接入后對傳統電流速斷保護及反時限過電流保護動作配合的影響，并在不改變原有保護方案的基礎上，仿真并驗證限制光伏電源接入容量的保護策略。

關鍵詞：光伏電源;ETAP軟件;配電網保護;影響

中圖分類號：TM615? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2020）05-0037-04

分布式光伏發電具有不會對空氣造成污染、有太陽就能發電等優點，已成為重要的可再生能源之一。但是光伏發電接入配電網后，當線路發生故障時會改變短路電流的大小及方向，從而對配電網原有繼電保護的正常運行造成影響。隨著計算機仿真技術的發展，越來越多的軟件可以實現電力系統繼電保護計算及仿真。本課題利用ETAP 12.6.0建立光伏電源接入10 kV配電網的模型，對含光伏電源的配電網進行較為精確的仿真分析。

1 光伏電源接入對配電網保護的影響

1.1 仿真系統模型及參數

利用電力系統仿真軟件ETAP（Enterprise Software Solutions for Electrical Power Systems）對分布式光伏電源并入配電網進行建模仿真分析。結合東北電網具體情況，設計10 kV典型配電網仿真模型（如圖1所示）。

由圖1可以看出：該10 kV配電網仿真模型由兩線饋線組成，母線Bus3和母線Bus5分別位于饋線末端，直接與負荷相連。將等效電網系統容量設置為100 MVA，X/R設置為20，ETAP軟件直接計算出等效電網短路阻抗的正序阻抗、負序阻抗、零序阻抗數值。傳輸線Line的導體類型為AAAC，阻抗值為0.859 Ω/km，AB線路長2.641 km，BC線路長1.497 km，DE線路長2.815 km，EF線路長1.000 km。

繼電器Realy1～Relay4均選用ALSTOM的P121模型。電流互感器的變比均為2500/5。Iset′為電流速斷保護的整定值，t′為電流速斷保護的動作時間（0 s）;Iset′′′為反時限過電流保護的整定值，t′′′為其動作時間，動作時限滿足逐級配合關系。具體參數設置見表1。

ETAP軟件的光伏發電系統主要由光伏陣列和逆變器構成。根據實際太陽能電池陣列輸出的總功率，配置不同串并聯型式的光伏電池組合。設置光伏電源PVA1的容量為10.7 MW，逆變器直流額定電壓為220 V，將其通過BC線路上H點接入配電網。

1.2 不同線路故障時光伏電源對保護的影響

1.2.1 當BC線路末端K1點短路 如圖2所示，當BC線路上K1點發生三相短路故障時，流過保護Relay1的短路電流雖然僅由系統電源提供，但由于光伏電源的汲流作用，導致流過Relay1的短路電流值減小。由仿真結果可知，此時流過Relay1的短路電流為0. 685 kA，電流速斷保護不會動作，過電流保護也不會動作。而仿真PVA1未接入配電網時K1點短路時的故障電流情況，流過Relay1的短路電流為1.217 kA。說明光伏電源的接入使得流過Relay1的短路電流明顯減小，嚴重時Relay1甚至會拒動。

1.2.2 當AB線路中間位置K2點短路 如圖3所示，在PVA1的容量與接入點均不變的情況下，當AB線路上K2點發生三相短路故障時，Relay2與Relay1的電流速斷保護同時動作。流過Relay2的短路電流僅由系統電源提供，其并未受到光伏電源的影響，所以Relay2的電流速斷保護能夠正確動作。而此時光伏電源對Relay1提供了2.400 kA的反向故障電流，達到了Relay1電流速斷保護的整定值，所以Relay1與Relay2的電流速斷保護同時動作。說明光伏電源的接入導致保護Relay1誤動作。

1.2.3 當DE線路首端K3點短路 如圖4所示，在PVA1的容量與接入點位置均不變的情況下，當其他分支DE線路首端K3點發生短路故障時，流過Relay3的短路電流僅由系統電源流向故障點的電流所提供，所以Relay3的電流速斷保護能夠正常運行，切除故障。而此時在光伏電源的作用下，流過Relay1的反向故障電流突然增大，達到Relay1的電流速斷保護整定值，所以其電流速斷保護動作，使保護失去了可靠性。

2 改進方法

由以上分析可知，光伏電源接入配電網會使傳統電流保護發生拒動或誤動。在不改變原有電流保護方案的前提下，可以通過限制配電網中光伏電源接入容量來保證繼電保護裝置的可靠動作。為此，針對光伏電源接入后DE線路上K3點發生短路故障時的具體情況，仿真驗證減小光伏電源接入容量的保護策略。

DE線路上K3點發生短路故障時，PVA1提供的流過Relay1與Relay2的反向短路電流相同，而保護裝置越靠近線路末端，保護的整定值越小，保護越容易誤動，因此只需要考慮Relay1的動作情況即可。并且PVA1對流過Relay3的電流具有助增作用。K3點發生短路故障時，流過Relay1的短路電流值為IK3，其電流速斷保護整定值為Iset1′，只有當IK3

取原光伏電源容量的一半，將5.3 MW的光伏電源接入線路進行仿真驗證。首先將PVA1容量設置為5.3 MW，其他元件參數不變，再將PVA1接入原來的位置。如圖5所示，此時Relay3的電流速斷保護動作，切除故障。光伏電源提供的助增電流為1.100 kA，流過Relay1的短路電流值并未達到Relay1的電流速斷保護整定值，故Relay1不動作。繼電保護恢復了快速、準確動作，保護正常運行。

減少光伏電源的接入容量后，線路上發生三相短路故障時PVA1所提供的短路電流相應減小，未達到Relay1的電流速斷保護整定值，所以其不動作。而Relay3的電流速斷保護在t=0 s時動作，如果Relay3的電流速斷保護拒動，則由其反時限過電流保護在t=0.482 s時動作，切除故障，保護仍然可以可靠動作?？梢?，接入配電網的光伏電源的容量是影響保護裝置正常運行的重要因素之一。接入光伏電源的容量越大，線路上發生故障時由其提供的短路電流越大，保護裝置誤動作的風險也就越大。因此，適當限制光伏電源的接入容量，可以有效解決故障電流對保護裝置的影響。

3 結論

采用電力系統仿真軟件ETAP建立典型的配電網模型，對10.7 MW的光伏電源PVA1接入線路上同一位置而不同線路發生故障時光伏電源對短路電流的影響進行仿真。當故障發生在光伏電源接入點上游時，故障點距其接入點越近，其提供的短路電流越大，保護裝置越容易誤動。光伏電源接入配電網的容量越大，其對短路電流的影響越大，當其容量足夠大時，會引起保護誤動和拒動，對配電網帶來危害。以K3點短路時光伏電源對保護裝置的具體影響情況為例，在不改變原有保護方案的前提下，仿真驗證了限制光伏電源接入容量的保護策略，避免了保護誤動作，并且未對原有配電網保護做出改動，經濟性較好，是一種相對優化的方案。

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