分布式光伏接入配電網(wǎng)繼電保護(hù)研究

董玉輝

（華電山東新能源有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，發(fā)電給環(huán)境所造成影響變得更加直觀，為實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，政府提出應(yīng)大力開發(fā)并運(yùn)用清潔能源，包括光伏發(fā)電、風(fēng)電在內(nèi)的很多新技術(shù)均因此而得到了大范圍推廣，此舉可在一定程度上緩解能源緊張的局面。為實(shí)現(xiàn)控制能耗和節(jié)約資本的目標(biāo)，相關(guān)人員指出應(yīng)在配電網(wǎng)中接入分布光伏，希望能夠使配網(wǎng)的可靠性、靈活性得到提升。

1 什么是分布光伏發(fā)電

現(xiàn)階段，具有超高壓、遠(yuǎn)距離、大電網(wǎng)和大容量特點(diǎn)的集中發(fā)電系統(tǒng)，已在生產(chǎn)和分配電能的過程中得到了推廣。考慮到大電網(wǎng)發(fā)電往往要消耗大量能源，同時(shí)還會(huì)造成霧霾、氣候變暖等問題，有關(guān)人員指出應(yīng)對發(fā)電模式進(jìn)行升級，充分利用光伏、風(fēng)電等能源，彌補(bǔ)大電網(wǎng)發(fā)電所存在不足，在保證發(fā)電質(zhì)量及效率的前提下，控制能耗與投資，使電力系統(tǒng)的靈活性、可靠性達(dá)到預(yù)期。

分布光伏發(fā)電的特點(diǎn)是經(jīng)由光伏組件將太陽能盡數(shù)轉(zhuǎn)換成電能，并確保其得到充分利用，要求相關(guān)單位在用戶周圍對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)，由用戶自行發(fā)電并對其加以使用，同時(shí)對剩余電量做上網(wǎng)處理。與常規(guī)發(fā)電模式相比，該模式具有布局分散、因地制宜還有高效清潔的優(yōu)點(diǎn)，可利用太陽能替代不具備再生能力的傳統(tǒng)能源，符合當(dāng)今社會(huì)所提倡的節(jié)能減排理念。

2 光伏特點(diǎn)說明

光伏輸出往往具有極強(qiáng)的非線性特點(diǎn)，同時(shí)和光照強(qiáng)度密切相關(guān)，如果存在部分遮蔽的情況，輸出特點(diǎn)將變得更加復(fù)雜。研究表明，在外界溫度維持在35℃、光照強(qiáng)度變化處于100W/m~1000W/m時(shí)，光伏輸出所對應(yīng)功率最大點(diǎn)相同。研究表明，無論處在何種情況下，光伏均有功率最大點(diǎn)存在，但在光照強(qiáng)度相同的前提下功率最大點(diǎn)僅有一個(gè)，如果對其進(jìn)行部分遮蔽處理，則會(huì)獲得多個(gè)功率最大點(diǎn)。基于功率最大點(diǎn)所衍生出跟蹤策略，可使光伏輸出電能得到顯著提升。現(xiàn)階段，該策略已得到了十分廣泛的運(yùn)用。

2.1 建立模型

光伏電路的等效關(guān)系式如下。

式中：代表輸出電流；代表輸出電壓；I代表二極管內(nèi)所流過電流量，單位是A；I代表暗電流，即反向飽和電流，單位是A；I代表光生電流，單位同樣是A；R代表并聯(lián)電阻，單位是Ω；代表串流電阻，單位同樣是Ω；代表電子電荷，取值為1.6×10C。代表玻爾茲曼常數(shù)，其取值為1.38×10J/K；代表光伏溫度的絕對值，取值為+273，其中，為實(shí)際溫度。代表品質(zhì)因子。

由此可得出以下表達(dá)式。

式中：代表輸出電流。考慮到的數(shù)量級通常是mΩ，R數(shù)量級通常是Ω，可將上述表達(dá)式簡化為以下公式。

若光伏處于開路狀態(tài)，則的取值為0，此時(shí)，便可推測出以下公式。

式中：V代表開路電壓，代表電壓最大值，對應(yīng)的反向飽和電流取值如下。

如果光伏處于短路狀態(tài)，I往往可以忽略不計(jì)，則光伏短路電流與輸出電流值相等，簡單來說，就是I和的值相等。

式中：代表光伏輸出功率。一旦外界光照強(qiáng)度還有環(huán)境溫度發(fā)生變化，光伏所輸出功率就會(huì)發(fā)生變化。

2.2 特點(diǎn)說明

光伏輸出往往具有極強(qiáng)的非線性特點(diǎn)，同時(shí)和光照強(qiáng)度密切相關(guān)，如果存在部分遮蔽的情況，輸出特點(diǎn)將變得更加復(fù)雜。研究表明，當(dāng)外界溫度維持在35℃、光照強(qiáng)度變化處于100W/m2~1000W/m2時(shí)，光伏輸出所對應(yīng)功率最大點(diǎn)相同。如果對其進(jìn)行部分遮蔽處理，則會(huì)獲得多個(gè)功率最大點(diǎn)。

3 繼電保護(hù)裝置分析

3.1 無時(shí)限保護(hù)

除特殊情況外，保護(hù)裝置只需對負(fù)荷電流進(jìn)行增加，便可起到保護(hù)短路電流的作用，此外，該裝置還能夠突破外界因素所帶來制約，在任何時(shí)間做出切斷短路電流的動(dòng)作。由于該裝置滿足無時(shí)限保護(hù)的要求，同時(shí)其動(dòng)作時(shí)間是零，相關(guān)人員可酌情對保護(hù)范圍加以調(diào)整，一般來說，線路末端均不在受保護(hù)的范圍內(nèi)。如果出現(xiàn)短路情況，只需憑借短路最大電路，便可完成整定短路電流的工作，整定公式如下。

式中：代表保護(hù)電流。代表可靠系數(shù)，其取值往往在1.2~1.3。代表最大短路電流。

加入的目的，主要是保證保護(hù)裝置只需憑借常規(guī)保護(hù)動(dòng)作，便能夠快速且徹底的切除短路故障。對電力系統(tǒng)而言，軟件計(jì)算和硬件設(shè)備均有極大概率產(chǎn)生誤差，進(jìn)而出現(xiàn)實(shí)際電流較理論短路電流更大的情況，由此可見，對必要裕度進(jìn)行分析很有必要，引入可靠系數(shù)的重要性有目共睹。

3.2 限時(shí)保護(hù)

一般來說，無時(shí)限保護(hù)更適合主保護(hù)，而難以做到為線路全長提供保護(hù)，只有搭配其他保護(hù)方式共同使用，才能使保護(hù)效果達(dá)到預(yù)期。限時(shí)保護(hù)通常可為整段線路提供保護(hù)，同時(shí)保證在無時(shí)限保護(hù)沒有做出動(dòng)作時(shí)，通過提供后備保護(hù)的方式，快速排除線路故障。事實(shí)證明，要提升保護(hù)效果，關(guān)鍵是要將線路末端劃入保護(hù)范圍，保證保護(hù)裝置在起始點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)開啟，隨著延時(shí)得到控制，裝置所提出速動(dòng)要求自然可以得到滿足。對應(yīng)整定公式如下。

式中：I代表動(dòng)作電流。仍然是可靠系數(shù)，其取值在1.1~1.2。I代表無時(shí)限保護(hù)段電流。為確保各段均能夠得到有效保護(hù)，相關(guān)人員指出限時(shí)保護(hù)應(yīng)在無時(shí)限保護(hù)后開啟，對應(yīng)表達(dá)式如下。

式中：代表限時(shí)保護(hù)時(shí)限。代表無時(shí)限保護(hù)時(shí)限，除特殊情況外，其取值均為0。Δ代表時(shí)限所處階段。

3.3 過電流保護(hù)

該保護(hù)模式強(qiáng)調(diào)以線路所提出選擇性要求為依據(jù)，確保在故障出現(xiàn)時(shí)，保護(hù)裝置能夠盡快切除故障線路，以免給配網(wǎng)造成更嚴(yán)重的影響。一般來說，該電流均可以被分成以下兩類，一是將動(dòng)作時(shí)間作為定值并提供保護(hù)，二是在短路電流、動(dòng)作時(shí)間成反比時(shí)，為其提供相應(yīng)的保護(hù)。這里需要注意一點(diǎn)，上述兩類電流所對應(yīng)動(dòng)作整定值一致，簡單來說，就是在運(yùn)輸電流超過額定限值時(shí)，通過復(fù)位繼電器電流的方式，達(dá)到保護(hù)的目的。過電流保護(hù)的整定公式如下。

式中：I代表返回系數(shù)，其取值為0.85。K代表可靠系數(shù)，在該模式中，其取值在1.1~1.2。K代表自啟動(dòng)系數(shù)，對應(yīng)取值范圍是1~3。I代表被保護(hù)電流所能承受最大電流。I代表運(yùn)輸電流。

出于為電流所具有選擇性提供保證的考慮，相關(guān)人員決定深入剖析動(dòng)作時(shí)間，指出作為第三階段保護(hù)，該保護(hù)模式的動(dòng)作時(shí)間往往較上述保護(hù)模式更長，這點(diǎn)需要尤為注意。

4 接入分布光伏給配電網(wǎng)造成的影響

現(xiàn)階段，集群并網(wǎng)、DG單獨(dú)并網(wǎng)已成為配電網(wǎng)的固有特征，DG并網(wǎng)多被用于中低壓系統(tǒng)，其特點(diǎn)可被概括為損耗少、安裝分散，可為無功補(bǔ)償、電壓跌落處理等工作提供支持，確保集中發(fā)電所存在不足得到有效彌補(bǔ)。配電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以放射狀結(jié)構(gòu)較為常見，隨著科技的發(fā)展，配網(wǎng)結(jié)構(gòu)也較為往變得更加復(fù)雜，原有保護(hù)裝置所能發(fā)揮作用變得十分有限，鑒于此，配備保護(hù)裝置時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇三段式保護(hù)，該方法既能夠保證保護(hù)效果，又可降低保護(hù)成本，使線路保護(hù)更具有效性和經(jīng)濟(jì)性。考慮到接入分布式電源將使傳統(tǒng)配電網(wǎng)的繼電保護(hù)受到較為明顯的影響，并增加保護(hù)裝置拒動(dòng)、誤動(dòng)或是重合閘無法成功重合等問題發(fā)生的概率，相關(guān)人員應(yīng)對并網(wǎng)所帶來連鎖反應(yīng)引起重視。

一旦有故障發(fā)生，接入分布電源的配電網(wǎng)通常會(huì)出現(xiàn)為故障點(diǎn)提供故障電流的情況，這也是分布電源給其電流保護(hù)所造成的主要影響，這一情況又被稱為PV。在不更改PV接入位置以及容量的情況下，短路電流往往由短路位置所決定，由此可見，若線路發(fā)生短路情況，相關(guān)人員先要對PV所提供電流進(jìn)行分析。

該系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，主要包括以下幾類：1）若線路AB在處發(fā)生短路故障，斷開QF0前，電流將經(jīng)由分布電源到達(dá)，同時(shí)QF1僅有短路電流經(jīng)過且短路電流較更短，將使其保護(hù)靈敏度受到影響。另外，即使QF1給出了相應(yīng)的反饋，受分布電源影響，仍然需要承受大量短路電流，極易導(dǎo)致該位置所存在瞬時(shí)故障惡化成永久故障。2）若處發(fā)生短路故障，那么，在斷開QF1前，電流將經(jīng)由分布電源、電源到達(dá)，該點(diǎn)所具有靈敏度將因此而得到一定程度的提升。3）若處發(fā)生短路故障，電流將在分布電源、電源的影響下，快速流向點(diǎn)，QF3所承受短路電流值將有所提升，相應(yīng)地，其靈敏度也會(huì)出現(xiàn)變化。這里要注意一點(diǎn)，一旦短路電流達(dá)到限值，QF2將發(fā)生動(dòng)作，故障范圍也會(huì)有所擴(kuò)大。4）若處發(fā)生短路故障，系統(tǒng)通常會(huì)做出與短路故障相同的動(dòng)作，此時(shí)，電流將通過分布電源、電源流入，QF4所表現(xiàn)出靈敏度將有所提升。5）若處發(fā)生短路故障，系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作往往與、相同，電流將經(jīng)過分布電源、電源到達(dá)點(diǎn)，靈敏度隨之提升。如果短路電流超出其所能承受范圍，將使上級線路做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，故障范圍往往會(huì)出現(xiàn)較為明顯的擴(kuò)大。

圖1 分布電源配網(wǎng)系統(tǒng)

由此可見，接入分布電源將給配電網(wǎng)保護(hù)產(chǎn)生直接影響，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1）使上游線路對故障所具有靈敏度有所降低，同時(shí)會(huì)增加越級跳閘和保護(hù)延遲等情況出現(xiàn)的概率，若未能及時(shí)解決該問題，將導(dǎo)致故障范圍有所擴(kuò)大。2）使下游線路對故障所具有靈敏度大幅提升，但有較大概率使故障點(diǎn)做出越級的動(dòng)作，導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大。

5 如何在配電網(wǎng)保護(hù)中加入分布光伏

現(xiàn)階段，對光伏并網(wǎng)進(jìn)行檢測的方法以孤島檢測為主，強(qiáng)調(diào)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，分別采集相位、電壓和電流等參數(shù)。考慮到光伏列陣輸出與逆變器的聯(lián)系十分緊密，除特殊情況外，逆變器、控制器間所存在損耗均可忽略不計(jì)，此舉可確保并網(wǎng)、光伏輸出間具有完全相同的功率。相關(guān)人員以實(shí)踐所積累經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合光伏接入給配電網(wǎng)帶來的影響，提出了以下接入措施。欠功率的特點(diǎn)是光伏輸出未達(dá)到用戶端消耗值，光伏并網(wǎng)要聯(lián)合配電網(wǎng)向用戶端運(yùn)送其所需電能。一旦線路發(fā)生短路情況，將導(dǎo)致用戶端所輸入電能量快速減少，換言之，僅憑借光伏所輸出電能難以滿足用戶端需求，若不盡快解決該問題，將使電流值、電壓值出現(xiàn)變化。

等功率強(qiáng)調(diào)用戶端消耗和光伏輸出相同，此時(shí)，光伏并網(wǎng)無須向配電網(wǎng)提供電能。若線路發(fā)生短路故障，相關(guān)人員往往只需對線路是否存在孤島進(jìn)行判斷，便可得出準(zhǔn)確結(jié)論。

過功率的特點(diǎn)是光伏輸出在用戶端消耗上，需要光伏并網(wǎng)向配電網(wǎng)提供一定電能。若線路發(fā)生短路情況，光伏并網(wǎng)所承載電流量將快速增加，其提升速度和提升量往往取決于線路起始端、故障點(diǎn)間的距離，如果二者相距較遠(yuǎn)，電流量將增加緩慢，同時(shí)提升量相對較小。考慮到光伏分布多位于最大功率點(diǎn)附近，一旦有短路情況出現(xiàn)，導(dǎo)致輸出功率難以增加，并網(wǎng)電壓必然會(huì)隨著電流的增加而減少。若由光伏列陣所輸出電流及電壓均發(fā)生了明顯變化，極易導(dǎo)致相關(guān)人員忽略光伏并網(wǎng)某側(cè)的輸出變化。利用孤島檢測法對其進(jìn)行檢測，有助于相關(guān)人員快速判斷光伏并網(wǎng)電流及電壓發(fā)生變化的原因，明確其變化是否與光伏陣列相關(guān)，并由此確定保護(hù)裝置運(yùn)行情況。若并網(wǎng)電流及電壓變化速度極快，則表示問題成因與光伏列陣無關(guān)，此時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)逐一計(jì)算故障區(qū)間以及故障電流。如果計(jì)算結(jié)果為I>KI（I代表故障電流；K代表可靠系數(shù)；代表動(dòng)作額定電流），則表示保護(hù)裝置正常運(yùn)行，若計(jì)算結(jié)果為I≤KI，則代表配網(wǎng)處于并網(wǎng)的狀態(tài)。

孤島檢測強(qiáng)調(diào)從光伏并網(wǎng)電路所安裝變換器處對光伏輸出及其他相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從電網(wǎng)、逆變器的并聯(lián)網(wǎng)址處對配電網(wǎng)所提供電能、并網(wǎng)電流還有電壓進(jìn)行采集。由此可見，除特殊情況外，相關(guān)人員均可選擇以孤島檢測為核心，對所掌握相位、電壓以及電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的方式，明確配電網(wǎng)線路所處運(yùn)行狀態(tài)。若分析結(jié)果表明，配電網(wǎng)線路存在故障，則需要先確定故障所處位置，再通過以下方式加以解決：先對光伏所輸出電壓值還有電流值進(jìn)行采集，采用并網(wǎng)及最大功率跟蹤等策略，采集并網(wǎng)電壓和電流。隨后，對采集所得數(shù)據(jù)進(jìn)行孤島檢測，如果用戶端負(fù)載、光伏輸入一致，通常只需留下重要負(fù)載，同時(shí)剔除剩余負(fù)載。若二者數(shù)值存在明顯差異且用戶負(fù)載值較光伏輸入更大，表示電能值處于快速降低的狀態(tài)，此時(shí)，應(yīng)盡快對光伏運(yùn)行模式進(jìn)行切換，并剔除重要負(fù)載以外的其他負(fù)載。如果光伏輸入明顯大于用戶負(fù)載值，通常代表并網(wǎng)電流處于急速提升的狀態(tài)，光伏輸出隨之增加，相關(guān)人員須盡快確定故障電流所處位置，若光伏輸出已達(dá)到或超出額定限制，應(yīng)立即開啟保護(hù)，以免配網(wǎng)受到不必要的影響。

6 結(jié)論

在配網(wǎng)中接入分布電源，將使配網(wǎng)由單側(cè)電源輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫椿ヂ?lián)，原有繼電保護(hù)將難以發(fā)揮出應(yīng)有作用，一旦出現(xiàn)電壓波動(dòng)等情況，配網(wǎng)運(yùn)行所具有穩(wěn)定性和可靠性必然會(huì)受到影響。為解決該問題，相關(guān)人員選擇以光伏輸出特點(diǎn)為切入點(diǎn)，通過孤島檢測對光伏并網(wǎng)電流還有電壓加以控制，在保證繼電保護(hù)效果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行繼電保護(hù)。事實(shí)證明，該方法在提高電能質(zhì)量和配網(wǎng)有效性方面具有突出作用，可對其進(jìn)行推廣。