含分布式光伏電源配電網故障分析和保護研究

王 坤

（國網四川省電力公司德陽市鎣華供電分公司，四川 德陽 618000）

0 引 言

目前，我國電力行業面臨著資源和環境問題，采用清潔能源發電已是當務之急。分布式光伏發電因其靈活、高效以及低占地等優點而備受關注，其裝機容量通常為數十千瓦至數百千瓦，因其分布較為分散且容量不大，需將大量的分布式光伏發電接入中、低壓配電網[1]。光伏（Photovoltaic，PV）電源接入配網后，傳統配網變成了含有PV的有源配網，其潮流方向、電壓分布以及短路電流等均會發生變化。

一方面，光伏是一種典型的逆變型分布式能源，由于其運行方式不同，當系統出現故障時，光伏發電的輸出特性也不同于傳統的單機電源。首先，光伏并網電壓決定光伏并網電流，兩者呈非線性關系；其次，由于光伏發電系統采用的是正序電壓控制，當光伏發電系統出現不對稱或對稱故障時，光伏發電系統會產生三相對稱電流。由于電力系統的功率特性與一般的單機型電源有很大的區別，常規的電力系統故障分析方法在電力系統中已不再適用[2]。

另一方面，分布式電源（Distributed Generator，DG）的接入，使得配電網絡在發生故障時的短路電流分布發生變化。在配電系統中，線路保護作為一種主要的保護方式，其主要功能為過流保護，因此，在電力系統中，PV 的接入量將會對過流保護產生很大影響。若光伏接入點在下游出現短路，則流經下游保護裝置的短路電流增加，而流經上游保護裝置的短路電流減少；在光伏接入點的上游出現故障時，將有一條與系統供給的短路電流方向相反的故障電流流入接入點的下游線路；同時，光伏發電系統可以在一定程度上提高故障點的短路電流，對配電網的故障診斷具有重要意義。另外，光伏系統具有隨機性和間歇性，使得常規的光伏電流保護難以實現，因此對光伏配電系統中的線路保護進行研究是非常有意義的[3]。

1 含PV 配電網的故障分析

光伏發電系統的輸出特性與常規發電系統有很大區別，因此首先對光伏發電系統進行故障建模[4]。其中，電力系統的光伏發電采用的是PQ 控制模式。在系統正常運轉時，光伏電源僅向電網提供有功，使分布式電源得到最大限度的利用；在電網出現故障的情況下，光伏發電系統會向電網輸出無功來支持電網運行。PV 無功電流注入特性如圖1 所示。光伏無功電流注入特征可用公式表示為

圖1 PV 無功電流注入特性

式中：UN和UDG分別為基準電壓和光伏電源并網點電壓；α為電壓跌落系數。

將并網型光伏發電系統的PQ 控制特點與低壓穿透力控制策略相結合，并將其等值化為一種受壓控的電流源，即

式中：Imax為光伏電源最大輸出電流，考慮限流策略Imax=1.5IN；IN為光伏電源額定電流；i1DG和U1DG分別為光伏電源輸出電流和并網點電壓的正序分量；θ為光伏電源并網點正序電壓相角。

由于光伏發電系統的輸出電流與接入點電壓之間存在非線性的耦合關系，通常采用分段線性等效法對其進行建模[5]。光伏發電系統的無功電流可以表示為

2 含PV 不對稱配電網的故障分析

通過對電力系統中各相組元的歸一化處理，本文提出了一種電力系統中含有光伏的不對稱配電系統的故障分析方法。由于光伏發電的控制方式及低壓穿越的特點，可用迭代法解決，即

式中：λ+1 為迭代次數；Ua,b,c(λ+1)和分別為考慮光伏電源輸出電流的系統節點電壓和端口補償電流。

算法流程如圖2 所示。

圖2 算法流程圖

算法步驟如下：第一，將電網中的分支參數和三相電流的計算結果輸入到電網中，然后對發生故障的線路進行起始、終點及故障點的設定；第二，將光伏額定電流作為初始值，計算出系統中的諾頓等效結點導納矩陣，并將故障端口觀察到的端口電流進行計算；第三，計算補償后的故障電路三相節點導納矩陣ΔYFa,b,c；第四，對發生故障后的3 個結點的三相電壓進行計算；第五，計算結點電壓計算值與上一次計算值之間的差分，直至滿足收斂要求。

3 含PV 配電網的線路保護研究

光伏電源產生的短路電流非常小，使得常規的光伏電源過流保護難以滿足實際應用需求[6]。一方面，光伏并網時，由于電壓等因素的影響，光伏電源產生的短路電流通常都是常規電流的1.5 ～2.0 倍。短路電流越小，常規電流保護的靈敏度就越低。另一方面，由于配電網絡與用戶直接接觸，供電半徑小，當系統出現故障時，其上、下級饋線的短路電流相等[7]。傳統的基于電流值的電流保護很難保證其具有一定的選擇性。另外，由于光伏發電的隨機性和間歇性，配網運行模式的不確定等因素，使得常規電流保護難以實現。

目前已有的以阻抗為基礎的配電網繼電保護，大多沒有考慮PV 跨區時對繼電保護的要求[8]。在此基礎上，將饋線測得的阻抗值與逆時延保護的動作特征關系式結合，并結合光伏系統的故障穿越性，提出了一種基于固有時間尺度分解（Intrinsic Time-Scale Decomposition，ITD）的配電系統饋線保護新方法。

反時限保護特性的特點是保護動作時間，它與故障點的位置有關，與供電點距離愈近，保護動作時間愈短。本文根據故障后饋線路測得的阻抗值降低的特點，將測得的阻抗值引入逆時間限制的動作特性方程，并將ITD 部分的保護特性設定為

式中：tI為ITD 保護動作時間；A為時間相關系數；k為可靠系數；ZI為保護范圍內的饋線正序阻抗；Zm為保護安裝處測得的阻抗值。

式（5）中的測量阻抗為相間測量阻抗，可由相間電壓、電流進行計算，即

式中：Up-p和Ip-p分別為故障相間電壓和相間電流的有效值。

為保證下級饋線首端故障時保護具有選擇性，上下級饋線首端保護之間須通過時階進行配合。時階一般設定為0.3 s，即

由式（5）和式（6）可得A為0.132，該系數與饋線長度無關。由此可得，當Zm=87.5%ZI時，tI=0.15s。

4 結 論

分布式電源接入配電網后，由于分布式電源的滲透性日益增大，現有的配電網絡故障分析與線路保護策略已不能滿足實際需求[9]。由于光伏電源是一種典型的逆變型分布式電源（Inverter-Interfaced Distributed Generator，IIDG），其故障輸出特征有別于傳統的單機供電，光伏配電系統的故障分析與線路保護設計成為需要解決的問題[10]。本文以光伏并網的配電系統為研究對象，開展光伏并網系統中的故障分析與線路保護策略的研究，對雙級并網光伏發電系統的數學模型進行了分析，并給出了相應的控制方案。