分布式光伏短路特性對配電網保護的影響研究

喬 妮，史亞南，田振華

(烏海供電公司烏海電業局，內蒙古 烏海 016000)

0 引言

近年來，隨著能源危機、環境問題的日益突出和國家新能源優先調度政策的執行，電網逐漸向清潔化和智能化發展。新能源并網和分布式發電技術日益成為繼電保護人員研究的熱點。分布式光伏電源既可以向電網提供電能，也可以脫網獨立運行，實現分布式發電與電網的交互使用，提高了供電系統的可靠性和靈活性。

分布式光伏電源的接入使配電網結構由單電源輻射型網絡變為雙向的多電源網絡，電網潮流、系統短路電流發生了改變[1-4]；不同容量的光伏電源接入對地區電網短路水平的影響也各不相同，這給傳統的繼電保護帶來很多新的問題。

本文針對上述分布式光伏電源(以下簡稱PV)接入帶來的問題，對PV的不同短路故障特性進行詳細分析，并結合具體工程實例，研究了不同光伏接入容量對地區電網短路水平及配電網繼電保護的影響并提出應對策略。

1 分布式光伏電源故障特性

1.1 仿真模型的建立

1.1.1 詳細模型和等值模型

在DIgSILENT/PowerFactory中建立光伏電站詳細仿真模型，如圖1(a)所示。為了簡化分析，將光伏站等值為單個光伏逆變器，不考慮光伏電站內部集電線路的阻抗。光伏電站的等值仿真模型如圖1(b)所示。

圖1 光伏電站的仿真模型

1.1.2 詳細模型和等值模型的誤差分析

為檢驗詳細模型和等值模型的等值效果，分別從穩定狀態和暫態狀態下進行比較。圖2為穩態狀態時，相同光照和溫度條件下，光伏電站并網點無功功率、有功功率及A相電流、電壓波形的對比圖。

圖2 穩態運行下，光伏并網點功率及電壓、電流對比圖

可以看出，穩態狀態時，光伏電站的等值模型在光伏并網點無功功率、有功功率及A相電流、電壓波形與詳細模型完全吻合，驗證了所建立的等值模型的正確性與有效性。

圖3為光伏電站送出線路中間發生三相短路時的仿真對比結果，故障時刻設在0.1 s。

圖3 暫態運行下，光伏并網點功率及電壓、電流對比圖

可以看出，光伏電站送出線路發生三相短路時，光伏電站的等值模型在光伏并網點無功功率、有功功率及A相電流、電壓波形與詳細模型完全吻合，說明所建立的光伏電站等值模型能夠很好地擬合光伏電站的詳細模型，可用于研究光伏電站的不同故障特性。

1.2 不同短路故障的仿真分析

對所建立的光伏電站等值模型進行不同短路故障的仿真。假設故障位置在光伏電站送出線路中間，故障發生時刻為0.1 s。分別從三相電壓、三相電流波形和三序電壓、電流波形分析光伏側保護測到的故障電壓、電流的特征。

1.2.1 單相短路(以A相為例)

單相短路故障仿真結果如圖4所示。

圖4 單相短路時的仿真結果

從圖4(a)、(b)可以看出，單相短路時，光伏側故障相電壓降低，故障相電流升高，最大約為額定電流的5倍，非故障相電流與故障相電流在幅值和相位上基本接近。

從圖4(c)、(d)可以看出，故障時，光伏側保護感受到負序電流很小，零序電流占主導地位，最大約為正序電流的5倍；電壓各序分量無特殊分布。

1.2.2 兩相短路接地(以AB相為例)

兩相短路接地時仿真結果如圖5所示。

圖5 兩相短路接地時的仿真結果

從圖5(a)、(b)可以看出，兩相短路接地時，光伏側故障相電壓降低，故障相電流增大，最大約為額定電流的8倍，且三相電流會出現三相接近相同的情況。

從圖5(c)、(d)可以看出，故障時光伏側正序電流、負序電流很小，零序電流占主導地位，最大約為正序電流的4倍；而電壓各序分量無特殊分布。

1.2.3 兩相短路(以AB相為例)

兩相短路時仿真結果如圖6所示。

從圖6(a)、(b)可以看出，兩相短路時，光伏側故障相電壓降低，與兩相接地故障相比，降低幅度小，約為額定電壓的一半；故障相電流增大，但增大幅度不大，幾乎無暫態過程。非故障相電流基本不變；從圖6(c)、(d)可以看出，故障時正序電流約為負序電流的3倍，零序電流為0。

圖6 兩相短路時的仿真結果

1.2.4 三相短路

三相短路時仿真結果如圖7所示。

圖7 三相短路時的仿真結果

從圖7(a)、(b)可以看出，三相短路時，光伏側三相電壓降低；三相電流保持對稱，幅值不超過額定電流的1.5倍。從圖7(c)、(d)可以看出，三相短路時只有正序電流，負序和零序電流均為0。

由上述仿真結果總結光伏電站的故障特征：

1)光伏電站送出線路發生接地短路故障時，光伏電站側故障電流主要為零序電流，表現為三相故障電流幅值、相位相近；

2)光伏電站送出線路發生相間短路故障時，光伏電站側故障電流暫態過渡過程很短，且增幅遠小于接地故障時提供的故障電流；

3)光伏電站送出線路發生短路故障時，正序電流幅值受逆變器限制，一般不超過額定運行時正序電流的1.5倍，相比之下，負序電流很小。

由此可知，只有發生接地短路故障時，光伏電站側故障電流中才有零序電流分量。按照DL/T 584—2017《3 kV～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》，接地保護整定有其固有的整定原則，即：按躲過最大短路電流原則整定時取單相短路、兩相接地短路電流中的較大者。按保證靈敏度原則整定時取單相短路、兩相接地短路電流中的較小者。

2 分布式光伏對地區電網短路水平影響

PV接入對電網繼電保護整定計算的影響主要體現在故障發生后光伏電源對故障點提供短路電流[5-6]。繼電保護整定計算人員關注的是光伏電站能夠提供多少水平的短路電流。以某地區110 kV供電片區的光伏廠站為例，分析PV接入后對該供電片區短路水平的影響。如圖8所示為該供電片區的電網接線圖，其中110 kV五凌光伏為50 MW的光伏電站，參數見表1所列。故障點設置在五桃線送出線路50%處，分別以1倍、2倍、4倍的容量對五凌光伏電站進行不同類型的故障計算，考慮五凌光伏站升壓變壓器接地。

表1 光伏電站參數

圖8 某110 kV供電片區的電網接線圖

光伏容量50 MVA，110 kV五桃線50%處故障的短路計算結果見表2所列。

表2 光伏容量50 MVA故障點及系統側、光伏側提供的短路電流

光伏容量100 MVA，110 kV五桃線50%處故障的短路計算結果見表3所列。

表3 光伏容量100 MVA故障點及系統側、光伏側提供的短路電流

光伏容量200 MVA，110 kV五桃線50%處故障的計算結果見表4所列。

表4 光伏容量200 MVA故障點及系統側、光伏側提供的短路電流

由上述故障計算結果，總結如下：

1)當光伏站容量小于100 MVA時，對地區電網的短路水平影響有限，僅在相鄰的110 kV設備上故障時有一定的影響，而當220 kV設備故障時，基本上可以忽略掉PV的影響。

2)當光伏站的容量提升4倍時，對于110 kV的短路電流，光伏電站提供的短路電流約占21%。因此當光伏電站規模達到200 MVA及以上時，對主網的短路水平影響很大，繼電保護整定計算就不能單純把光伏電源當做負荷來考慮，必須要考慮其影響。

3 分布式光伏對配電網繼電保護的影響及應對策略

3.1 分布式光伏對配電網繼電保護的影響

一般情況下中低壓配電網配置三段式過流保護，其原理接線簡單，能快速可靠地切除故障，但受系統運行方式影響較大[7]。PV接入使配電網結構由單電源網絡變為多源網絡，且具有雙向潮流。根據上述對PV故障特性、短路水平的研究發現，當并網光伏容量達到一定規模時，對主網短路水平影響很大。圖9為光伏并網后電網接線圖，K1、K2、K3、K4為故障位置。

圖9 光伏并網接線圖

1)當PV K1處發生故障時，由保護動作的選擇性，應由保護DL1切除故障，K1處的故障電流由系統電源和PV共同提供，此時PV對保護DL1有汲出作用，使得DL1保護定值的靈敏度降低。

2)當PV K2處發生故障時，根據繼電保護的選擇性，應由保護DL2切除故障,K2處的故障電流由系統和PV提供，此時PV對保護DL1有助增作用，DL2保護定值的靈敏度提高。

3)若K3處發生故障，此時應由DL3切除故障，相鄰保護DL2應可靠不動作。但由于PV的接入，流過DL2的故障電流較PV接入前有所增加，且PV接入容量越大，DL2流過的電流越大，其II段保護范圍有可能伸出DL3的I段范圍，從而導致DL2保護誤動作。

4)當相鄰饋線K4發生故障時，由保護動作的選擇性，應由DL4切除故障。由于PV的接入，DL1有一個反向的故障電流，若電流值達到整定計算值則使DL1發生誤動作。

3.2 應對策略

在配電網繼電保護配置及整定計算方面提出以下建議：

1)PV接入配網，電流速斷有誤動風險，系統側考慮加裝方向元件以減少保護誤動的情況；

2)對于相間故障，送出線路光伏電站弱電源側可考慮配置低電壓啟動；

3)考慮到繼電保護應該反應不正常運行狀態和故障狀態，為了故障識別的需要，送出線路光伏側應該配置反映故障狀態的保護；

4)當原有保護無法滿足選擇性、靈敏性要求時，送出線路考慮裝設光纖差動保護，反應兩端電氣量的變化；

5)在PV直接接入電源側母線時，只對PV出口處的開關按照躲過最小運行方式下線路末端發生兩相短路時出口電流的整定原則進行整定即可；

6) PV接入配網在系統小方式、分布式電源最大出力時校驗線路末端故障出線保護的靈敏度；

7)具有防孤島保護的光伏電站出口線路重合閘。

配置原則為重合時間與斷路器動作時間之和必須大于防孤島保護的動作時間。

4 結語

本文研究了分布式光伏電源的不同短路故障特性及對配電網繼電保護的影響。研究表明：光伏送出線路短路時，正序電流由于受逆變器限制，一般不超過額定電流的1.5倍；當光伏容量達到一定規模時，整定計算人員不能單純將光伏電源當負荷考慮，應考慮其對主網短路水平的影響。分布式光伏接入配電網，系統側保護應考慮加裝方向元件，光伏側保護考慮配置低壓啟動元件，以保證繼電保護動作的可靠性。