光伏并網對配電網繼電保護的影響研究

張 帆，趙中眾

（國網陜西省電力有限公司延安供電公司，陜西 延安 716000）

0 引 言

隨著可再生能源在全球能源結構中所占比重的不斷增加，光伏發電作為一種清潔、可持續的能源方式，其并網發電已成為當前電力系統發展的重要趨勢。光伏并網發電指將光伏發電系統產生的電力直接輸送到電網，以有效分配和利用能源[1-2]。這種模式優化了能源結構，減少了化石能源的消耗。然而，光伏發電系統并網運行對現有的配電網繼電保護系統提出了新的挑戰[3]。光伏發電的不穩定性使其在配電網不同接入點并網會對繼電保護系統產生不同的影響，其中一些影響可能會降低配電網的穩定性，因此文章針對這一問題展開了研究。

1 光伏發電系統

光伏發電系統能夠將太陽能轉換為電能，主要包含光伏組件、逆變器、電力調節系統以及儲能設備[4-5]。系統的核心是光伏組件，通常由多個太陽能電池板組成，這些電池板能夠捕捉太陽光并將其轉化為直流電。然后，逆變器將直流電轉換成交流電，供家庭、商業或者并網發電系統使用。這種系統可以是并網型，直接與電網連接，實現多余電力的輸送和電網電力的補充，也可以是離網型，獨立運行，適用于遠離電網的地區。本研究主要研究并網型光伏發電系統，分析其對配電網的影響。

2 光伏并網對繼電保護的影響

2.1 從配電網線路末端接入

當光伏系統接入配電網下游的D母線時（見圖1），負載1 將轉變為采用雙電源的配電網模式。

圖1 配電網線路圖

圖2 展示了圖1 的等效電路圖，其中U1表示電源電壓；ZS表示電源的內阻；ZAE、ZCD、ZBC及ZB分別表示線路AE、CD、BC 及AB 的阻抗；U2表示光伏發電源的電壓；ZPV表示光伏發電源的內阻；ZT表示變壓器的等效阻抗。

圖2 等效電路圖

2.1.1 點q1發生短路

假如系統在點q1發生短路，經過保護器P1 的電流的方向和大小不會受到光伏電源的影響，因為此時系統電源將會給保護器P1 提供短路電流。因此，無須調整保護器P1 的設置，其保護范圍與靈敏度均保持不變。同時，光伏發電對經過保護器P2 和保護器P3 保護裝置的電流產生影響，改變了電流的方向和大小，提高了保護器P2 和P3 發生誤動的可能性，導致D 母線的下游線路形成孤島狀況。短路電流的具體變化為

式中：k1表示線路AB 上故障點與電源的距離；IP1、IP2和IP3分別表示經過保護器P1、P2 和P3 的電流。

2.1.2 點q3發生短路

假如系統在點q3發生短路，保護器P3 的繼電器會動作引發跳閘，而跳閘事故發生后，光伏發電向故障點持續提供短路電流的狀態沒有改變，所以經過保護器P1、P2 和P3 的電流不會受到影響。此外，故障點電弧未熄滅，會導致重合閘失敗，進而引發大范圍停電。流經3 個保護器的電流計算公式為

式中：k2表示在線路CD 上故障點與電源的距離；IP1、IP2和IP3分別表示經過保護器P1、P2 和P3 的電流。

2.1.3 點q4發生短路

如果在點q4發生短路故障，光伏電源產生的電流將與q4位置短路故障的電流方向不同，使得經過保護器P1、P2、P3 的短路電流減小，影響了保護裝置的正常動作，從而擴大了故障的影響范圍。當系統短路電流方向和光伏產生的電流一致時，保護器P4 的短路電流會相應增加，此時由于缺乏選擇性，保護器P4 的動作范圍被不當擴大。短路電流的具體變化為

式中：k3表示在線路AE 上故障點與電源的距離；IP1、IP2、IP3及IP4分別表示經過保護器P1、P2、P3及P4 的電流；U3和Zsd表示簡化公式所定義的輔助變量。

U3和Zsd的具體計算公式為

2.2 從配電網線路中間接入

當光伏系統連接至配電網母線B 處時，負載2的供電結構保持為單一電源的輻射式供電模式。

2.2.1 點q1發生短路

如果在點q1發生短路故障，且當短路電流超過設定閾值時，會觸發保護器P1，隔離故障線路。此時，光伏系統繼續向網絡供電，導致光伏接入點下游形成孤島。而故障點q1因為持續接收光伏供應的短路電流，所以電弧無法熄滅，進而導致重合閘嘗試未能成功。母線B 與q1故障點的直接連接可能引發更廣泛的停電。

2.2.2 點q2發生短路

當q2點出現短路故障時，光伏系統和系統電源將共同提供故障電流。這使得保護器P2 電流增大，導致其保護范圍擴展到CD 段線路。因故障響應，保護器P2 和P3 可能觸發跳閘。對于不對稱故障，保護器P3可能會因故障電流而動作；對于對稱短路故障，保護器P3 可能無法檢測到故障電流，導致保護選擇性喪失。短路電流的具體變化為

式中：k4表示在線路BC 上故障點與電源的距離；IP1和IP2分別表示經過保護器P1 和P2 的電流；U4和表示簡化公式所定義的輔助變量。

U4和的具體計算公式為

從式（8）和式（9）可以觀察到，流經保護器P1 和P2 的故障電流的變化由ZAB、ZBC、ZPV、ZT以及ZS所決定。當故障點q2離光伏發電系統較近時，ZBC是一個較小的值，可以忽略光伏發電系統的影響。但是，光伏系統若離故障點遠，母線B 至q2故障點的等效阻抗ZBC將會增大。若光伏發電距離故障點的位置處于2 種情況之間時，流過保護器P1 和P2 的故障電流值在這2 種情況下的電流幅值之間。

根據分析，可以得出當光伏發電系統接入電網后會顯著影響故障電流，并導致保護器P1 裝置的響應靈敏度顯著降低，提高了保護器P1 故障時誤動或拒動的可能性。同時，受光伏系統助增效應的影響，經過保護器P2 保護的短路電流將持續上升，進而擴大了保護器P2 的保護范圍。此外，光伏系統的并網會導致保護器P2 無法與保護器P3 進行有效協作，從而減弱保護器P2 的選擇性與精確度。配電網絡的復雜性和分布式電源的增多使得繼電保護設置的計算變得更加復雜。

2.3 從配電網線路始端接入

當光伏電源連接至10 kV配電網上游的母線A時，電力系統的整體輸出功率會得到提高。盡管這可能導致經過保護設備的故障電流有所增長，但是光伏電源的輸出相對較低，通常僅達數十兆瓦級別，因此當在點q1、q2、q3位置發生短路故障時，對保護設備的實際影響極小，可以忽略。

3 影響分析

3.1 對保護設備自身造成影響

在下游線路故障時，光伏電源產生的供電電流方向與系統的短路電流不同，導致下游保護裝置所檢測到的故障電流降低，影響了保護設備的敏感性，使其難以準確判斷故障。光伏電源并網對經過線路保護的故障電流造成了影響，使其降低到預設電流值以下，影響保護裝置的靈敏度與準確度。特別是當保護裝置處于上游故障點和下游光伏電源之間時，判定電流來源和方向變得困難。如果短路電流超出內部設定閾值，保護裝置在無法確認故障源的情況下可能誤動，影響其選擇性。

3.2 對保護范圍造成影響

光伏電源并入后，短路電流隨接入點不同而變化。這導致線路末端短路電流上升，雖然擴展了保護范圍，但是減少了選擇性。系統上游保護裝置的保護范圍和靈敏度也會因短路電流減少而降低，從而干擾了系統保護的整體協調，難以達成有效的保護配合。

4 改進措施

4.1 優化保護系統響應策略

為提高保護設備的敏感性和準確性，可考慮引入先進的智能保護裝置，結合光伏電源并網后的電流方向特性進行調整和優化。通過實時監測光伏電源的電流方向，并在故障檢測中考慮其影響，可以更精確地判斷故障位置和類型，增強保護系統響應故障的能力。

4.2 精準調控保護范圍

一方面，對于線路末端保護區域的擴大，可以考慮引入智能保護裝置，通過實時監測光伏電源接入位置的變化，靈活調整保護區域的范圍。通過動態適應接入位置的變化，保護系統能夠更精準地確定故障位置，避免保護區域的不必要擴大，提升系統的選擇性和準確性。另一方面，針對上游保護范圍受短路電流變小的問題，可采用先進的保護算法和整定技術解決。綜合考慮光伏電源的影響，優化保護裝置的靈敏度和整定參數，可以使保護系統適應短路電流的變化。

5 結 論

光伏電源在能源領域的應用正穩步增長，同時光伏電源的并網技術得到了快速進展。然而，這一發展過程向配電網的繼電保護系統引入了一系列挑戰。為有效應對挑戰，文章分析了光伏并網對配電網繼電保護系統的影響，并就其產生的不利影響提出了相應的改進措施，從而提升了配電網的繼電保護性能和可靠性。