瞿繼平 ，吳興全 ，閆 凱 ，張保會

（1.甘肅省電力設(shè)計院，甘肅 蘭州 730050；2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

由于太陽能資源地理分布的差異性［1］，大規(guī)模光伏發(fā)電集中式接入電力系統(tǒng)是我國光伏并網(wǎng)的重要形式［2-3］。這種并網(wǎng)形式是通過專用的送出線路將大中型光伏電站接入電網(wǎng)中。人們對光伏系統(tǒng)的故障電流特性已有一定的認(rèn)識［4-6］，但仍未見針對光伏電站送出線路故障特性的研究，針對風(fēng)能、太陽能等新能源接入電網(wǎng)引起的電網(wǎng)特性問題的分析還有待進(jìn)一步完善［7-12］。由于光伏電站的故障電流受到光伏逆變器低電壓穿越（LVRT）控制的限制［13］，且單個光伏電站的容量占所接入系統(tǒng)容量的比例很低，光伏側(cè)的故障電流受限是該線路不同于常規(guī)線路的最大特性，該特性會對送出線路現(xiàn)有繼電保護(hù)的動作特性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

光伏電站送出線路配備快速動作的主保護(hù)和線路兩側(cè)的后備保護(hù)。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)定，一般情況下，專線電網(wǎng)接入公用電網(wǎng)的光伏電站宜配置光纖電流差動保護(hù)作為主保護(hù)［14］，10 kV和35 kV送出線路配置階段式電流保護(hù)作為后備保護(hù)，而110 kV送出線路的后備保護(hù)一般為距離保護(hù)和零序電流保護(hù)［15］。

目前尚未見到關(guān)于光伏電站送出線路繼電保護(hù)的分析與研究。因此，本文分析送出線路繼電保護(hù)的動作性能，考察現(xiàn)有保護(hù)配置是否存在問題，并利用光伏發(fā)電系統(tǒng)電磁暫態(tài)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，提出保護(hù)配置的建議，具有一定的實(shí)際意義。

1 光伏送出系統(tǒng)故障特征分析

電網(wǎng)故障期間，為保證光伏逆變器具備LVRT能力，控制環(huán)節(jié)必須對電流進(jìn)行限幅，以保護(hù)電力電子開關(guān)器件不過流。限制故障時電流的大小一般不超過逆變器額定負(fù)載電流的1.1倍［16］，即故障期間電流不會顯著增大，這會對依靠電流大小門檻值來識別故障的保護(hù)造成嚴(yán)重的影響。當(dāng)送出線路故障時，流過光伏送出側(cè)保護(hù)安裝處的故障電流與故障前的正常電流接近，故電流保護(hù)Ⅰ、Ⅱ段元件不能正常動作，電流保護(hù)Ⅲ段元件按常規(guī)方法整定也難以可靠動作，而流過系統(tǒng)側(cè)保護(hù)安裝處的故障電流與光伏電源特性無關(guān)，故系統(tǒng)側(cè)電流保護(hù)可以正常動作。因此，送出線路的光伏側(cè)電流保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障時拒動，而系統(tǒng)側(cè)電流保護(hù)可以正常動作。

一般情況下，光伏電站所接入系統(tǒng)的短路容量至少為光伏電站額定容量的20～30倍，故送出線路故障時系統(tǒng)提供的短路電流一般至少為額定負(fù)荷電流的20～30倍。因此，系統(tǒng)與光伏電站提供的故障電流大小相差懸殊，光伏電站的弱電源特性十分顯著。

圖1為某110 kV光伏電站送出線路故障示意圖，保護(hù)1和保護(hù)2分別為光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的距離保護(hù)，Rg為過渡電阻，Ipv和Is分別為光伏電站和系統(tǒng)提供的故障電流。

圖1 某110 kV光伏電站送出線路故障示意圖Fig.1 Schematic diagram of outgoing transmission line fault of a 110 kV PV station

設(shè) Is滯后 Ipv的相位角 θ∈［-180°，180°］，兩者倍數(shù)比M為：

θ與光伏逆變器的LVRT控制方式和故障嚴(yán)重程度密切相關(guān)。

a.當(dāng)逆變器在故障期間發(fā)送無功（規(guī)程要求光伏電站在故障期間提供無功支撐）時，一般有θ<0°。發(fā)送的無功功率越多，Ipv的無功電流分量越大，則Ipv的相位越滯后，θ越小。

b.當(dāng)逆變器在故障期間僅發(fā)送有功（實(shí)際運(yùn)行的光伏電站在故障期間往往無功支撐能力不足）時，一般有θ>0°。這是由于光伏電站的送出變壓器和各光伏發(fā)電單元的升壓變壓器都要消耗無功，而光伏電站的無功補(bǔ)償裝置（電容器、動態(tài)無功補(bǔ)償裝置等）受母線電壓下降和裝置響應(yīng)速度不夠快的影響，在故障期間補(bǔ)償?shù)臒o功功率不足，光伏電站要從外界吸收一定的無功。光伏電站從系統(tǒng)吸收的無功越多，則Ipv的相位越超前，θ越大。

c.故障后Ipv的相位變化要經(jīng)歷一個暫態(tài)過程，導(dǎo)致θ變化不定。這是由于逆變器的控制器中鎖相環(huán)的響應(yīng)有暫態(tài)過程。鎖相環(huán)的作用是提取逆變器出口處的電壓相位作為控制器的參考信號。故障越嚴(yán)重，鎖相環(huán)的暫態(tài)響應(yīng)波動越劇烈；當(dāng)故障特別嚴(yán)重時，逆變器出口電壓降得很低，鎖相環(huán)的輸入信號太小，其響應(yīng)難以達(dá)到穩(wěn)態(tài)，θ在-180°～180°范圍內(nèi)變化。故障的嚴(yán)重程度受過渡電阻、故障點(diǎn)位置和故障類型的影響。

而M約等于系統(tǒng)短路容量與光伏電站額定容量的比值。光伏電站容量占接入系統(tǒng)的容量比例越小，則M越大，一般至少為20～30，比一般線路大得多。

設(shè)光伏側(cè)保護(hù)1的測量電壓為Um，保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的線路壓降為Uk，過渡電阻上的壓降為Ug，其中光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的故障電流在過渡電阻上產(chǎn)生的壓降分別為 U′g和 U″g，則上述電壓、電流之間的關(guān)系為：

由式（1）、（2）不難看出：

特別強(qiáng)調(diào)，光伏電站的上述弱電源特性主要體現(xiàn)在非接地故障中。從圖1可以看出，光伏電站本身在不接地方式下運(yùn)行，零序網(wǎng)絡(luò)僅包含送出變壓器和送出線路。當(dāng)送出線路發(fā)生接地故障時，光伏側(cè)的零序阻抗是變壓器的零序阻抗，與光伏電站無關(guān)，其大小遠(yuǎn)小于正、負(fù)序阻抗，因此零序電流較大，這使得兩側(cè)電流幅值比M比不接地故障時小得多。

參考西北地區(qū)某110 kV光伏電站實(shí)際參數(shù)在PSCAD/EMTDC上搭建圖1所示光伏送出系統(tǒng)的模型。該光伏電站電源接入容量為50 MW，系統(tǒng)短路容量Sk=1500 MV·A（取最小運(yùn)行方式），送出線路長度L=15 km，線路阻抗z1=0.132+j0.385 Ω/km。經(jīng)計算，送出線路的額定負(fù)荷電流IN=262.4 A。

給定該光伏電站模型的逆變器LVRT控制策略為故障期間發(fā)送一定無功功率的方式，光伏電站出力為額定功率的80%。當(dāng)送出線路中點(diǎn)K1處發(fā)生過渡電阻為3 Ω的三相短路故障時，Ipv和Is的幅值分別為245 A和5204 A，得M=21.2，同時測得θ達(dá)到穩(wěn)態(tài)后為 -62.5°。而 Um、Uk、Ug的幅值分別為 9.30kV、0.15kV和9.21kV，由此可見，Uk幅值很小，Ug是Um的主要分量。A相Ipv和Is的瞬時值如圖2所示。

圖2 送出線路故障時光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的故障電流Fig.2 PV-and system-side faulty currents when fault occurs on outgoing transmission line

將光伏電站模型的逆變器LVRT控制策略改為故障期間發(fā)送定有功電流的方式，其他條件不變，故障期間Ipv和Is的相角差θ變?yōu)?05°，其變化范圍比一般線路大得多。該故障條件下2種控制策略下θ的變化如圖3所示。

圖3 發(fā)無功和僅發(fā)有功時送出線路兩側(cè)故障電流相角差Fig.3 Faulty current phase difference between two sides of outgoing transmission line for generator with and without reactive power generation

將故障類型改為單相接地故障，其他條件不變，測得相應(yīng)故障回路的兩側(cè)電流幅值比M=5.9。受零序電流的影響，與非接地故障時相比，單相接地故障下的M要小得多。

2 光伏送出線路保護(hù)動作性能分析

2.1 電流差動保護(hù)

當(dāng)光伏送出線路故障時，電流差動保護(hù)所采用的兩端故障電流分別由光伏電站和系統(tǒng)提供。光伏電站送出線路配置的是分相電流差動保護(hù)，采用兩端電流的相量和作為動作量，在理論上不受電源類型、過渡電阻和運(yùn)行工況的影響，可瞬時切除區(qū)內(nèi)故障。圖4為電流差動保護(hù)的動作特性（k為斜率），動作方程如式（4）所示。

圖4 電流差動保護(hù)動作特性示意圖Fig.4 Operating characteristic diagram of current differential protection

當(dāng)送出線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，由于光伏電站的弱電源特性，系統(tǒng)側(cè)故障電流幅值Is遠(yuǎn)大于光伏側(cè)故障電流幅值Ipv，Ipv幾乎可以忽略。送出線路的故障類似于單端電源線路故障，差動保護(hù)的靈敏度（差動電流與制動電流的比值）很低，故弱電源特性降低了電流差動保護(hù)的靈敏度。

2.2 距離保護(hù)

由于系統(tǒng)提供的故障電流遠(yuǎn)大于光伏電站提供的故障電流，下面分析故障位置不同時距離保護(hù)因過渡電阻影響可能產(chǎn)生的問題。

a.區(qū)內(nèi)故障可能拒動。

區(qū)內(nèi)故障時，距離保護(hù)因沒有耐受過渡電阻能力而可能拒動。圖5為送出線路中點(diǎn)K1處（見圖1）發(fā)生區(qū)內(nèi)相間故障時，光伏側(cè)距離保護(hù)拒動的示意圖。圖中，Zm為測量阻抗，Zk為保護(hù)安裝處點(diǎn)Op到故障點(diǎn)K1的線路阻抗，測量電流Im=Ipv；實(shí)線圓為距離保護(hù)Ⅰ段的方向圓動作特性，虛線圓為Zm可能的取值組成的軌跡。各物理量的關(guān)系滿足式（5）。

圖5 區(qū)內(nèi)故障時光伏側(cè)距離元件動作特性圖Fig.5 Operating characteristic chart of distance protection at PV side when in-zone fault occurs

由圖5可知，當(dāng)線路中點(diǎn)K1處發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，盡管過渡電阻Rg很小，但由于很大，故偏移矢量AB的模值可能比故障線路阻抗的模值還要大，則測量阻抗Zm可能落在動作區(qū)外，導(dǎo)致距離保護(hù)元件拒動。

此外，由于受故障條件和光伏逆變器LVRT控制方式的影響，光伏側(cè)故障電流Ipv的相角不確定。因此，兩側(cè)故障電流的相角差θ也不確定。測量阻抗Zm落在以點(diǎn)A為圓心、MRg為半徑的圓軌跡上。

顯然，一般線路的距離保護(hù)雖然也受到過渡電阻的影響，但由于M較小，θ也較小且固定，Zm的偏移一般不會過大，偏移方向較固定，可通過改善距離保護(hù)元件的動作特性來提高其耐受過渡電阻能力。然而，對于光伏電站送出線路，由于兩側(cè)故障電流的幅值比M很大、相角差θ不確定，測量阻抗Zm受過渡電阻的影響遠(yuǎn)比一般線路的距離保護(hù)要大。由圖5可知，不論θ的大小和變化情況，只要M較大，距離保護(hù)元件就極易在區(qū)內(nèi)故障時拒動。

b.區(qū)外故障可能誤動。

下級線路區(qū)外故障時，距離保護(hù)元件因沒有耐受過渡電阻能力而可能誤動。圖6為送出線路下級出口K2處（見圖1）發(fā)生區(qū)外相間故障時，光伏側(cè)距離保護(hù)誤動的示意圖，圖中各物理量含義與圖5相同。

圖6 正方向區(qū)外故障時光伏側(cè)距離元件動作特性圖Fig.6 Operating characteristic chart of distance protection at PV side when out-zone fault occurs in positive direction

由圖6可知，當(dāng)下級出口K2處發(fā)生正方向區(qū)外故障時，盡管過渡電阻Rg很小，但由于系統(tǒng)側(cè)與光伏側(cè)故障電流的幅值比M很大且相角差θ不確定，偏移矢量的模值很大、方向不確定，測量阻抗Zm落在以點(diǎn)C為圓心、MRg為半徑的圓軌跡上。測量阻抗Zm很有可能落在動作區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致距離保護(hù)元件誤動。

此外，系統(tǒng)側(cè)距離保護(hù)在K2處故障時也可能發(fā)生反方向故障的誤動，參考圖6便可作出其動作特性圖，在此不再贅述。

由圖6可知，距離保護(hù)元件在區(qū)外故障時的誤動發(fā)生在θ>0°時；當(dāng)θ<0°，距離保護(hù)元件可能拒動，但不會誤動。因此，距離保護(hù)元件誤動發(fā)生在嚴(yán)重故障后的暫態(tài)過程中或逆變器在故障期間僅發(fā)送有功的條件下。

由以上分析可知，光伏電站送出線路距離保護(hù)在光伏側(cè)極易發(fā)生拒動和誤動，在系統(tǒng)側(cè)極易發(fā)生反方向故障的誤動。顯然，這些誤動和拒動均是由于距離保護(hù)的測距原理未考慮對端故障電流受過渡電阻的影響而造成的，一般均假設(shè)保護(hù)安裝處電流與故障電流同相位，通過改進(jìn)保護(hù)的動作區(qū)域提高耐受過渡電阻能力。而在光伏送出線路中，系統(tǒng)側(cè)故障電流與光伏側(cè)故障電流間較大的幅值比M與不確定的相角差θ嚴(yán)重放大了原理性誤差的影響，導(dǎo)致很小的過渡電阻也會造成距離元件的不正確動作。

c.接地距離保護(hù)元件的耐受過渡電阻能力大于相間距離保護(hù)元件。

由第1節(jié)的分析可知，送出線路接地故障中的零序阻抗遠(yuǎn)小于正、負(fù)序阻抗，故零序電流成為故障電流的主要分量，縮小了兩側(cè)故障電流幅值的差距，M比不接地故障時小得多。因此，接地故障時，測量阻抗因過渡電阻產(chǎn)生的偏移較小，接地距離保護(hù)元件比相間距離保護(hù)元件可耐受更大的過渡電阻。

綜上所述，光伏電站提供的故障電流遠(yuǎn)小于系統(tǒng)提供的故障電流，導(dǎo)致送出線路距離保護(hù)耐受過渡電阻能力差，易發(fā)生誤動與拒動。

3 仿真算例

用圖1所示的模型對光伏電站送出線路的保護(hù)動作性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)距離保護(hù)Ⅰ段均為方向圓特性，定值均為線路阻抗的85%（5.189∠71.1°Ω）。設(shè)定圖1中光伏電站模型的逆變器的LVRT控制策略為故障期間發(fā)送一定無功功率的方式。

送出線路電流差動保護(hù)的動作情況見表1。在不同的故障類型和過渡電阻下，區(qū)內(nèi)故障時均可靠動作，區(qū)外故障時均可靠不動作，動作的準(zhǔn)確性完全不受光伏故障電流特性的影響。

表1 送出線路電流差動保護(hù)動作情況Table 1 Action situation of current differential protection of outgoing transmission line

然而，由于故障中Is比Ipv大得多，Ipv可忽略不計，則ID≈Is、IB≈Is。盡管電流差動保護(hù)可正確判斷區(qū)內(nèi)外故障，但由于光伏電站的弱電源特性，光伏側(cè)故障電流很小，差動電流ID與制動電流IB接近，故差動保護(hù)的靈敏度降低。

表2 和表3分別為送出線路中點(diǎn)K1處故障時光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)距離保護(hù)的動作情況。表2、3中，BCG故障取BG回路測量阻抗，ABC故障取BC回路測量阻抗；某些嚴(yán)重故障情況下測量阻抗沒有穩(wěn)態(tài)值，單下劃線表示暫態(tài)過程中某一時刻對應(yīng)的測量阻抗值，而其余測量阻抗均為穩(wěn)態(tài)值；雙下劃線表示該動作結(jié)果不正確，后同。

表2 區(qū)內(nèi)故障時送出線路光伏側(cè)距離Ⅰ段動作情況Table 2 Zone-Ⅰaction situation of distance protection at PV side of outgoing transmission line when in-zone fault occurs

表3 區(qū)內(nèi)故障時送出線路系統(tǒng)側(cè)距離Ⅰ段動作情況Table 3 Zone-Ⅰaction situation of distance protection at system side of outgoing transmission line when in-zone fault occurs

由表2和表3知，當(dāng)無過渡電阻時，測量阻抗準(zhǔn)確反映了保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)K1的線路阻抗Zk，兩側(cè)距離保護(hù)元件均正確動作。當(dāng)過渡電阻為0.5 Ω時，系統(tǒng)側(cè)的測量阻抗幾乎未發(fā)生偏移，而光伏側(cè)測量阻抗偏移到了動作區(qū)外。當(dāng)過渡電阻為5 Ω時，系統(tǒng)側(cè)的測量阻抗在某些類型的故障下也偏移到了動作區(qū)外。由此可見，光伏側(cè)距離保護(hù)元件在區(qū)內(nèi)故障時耐受過渡電阻能力極差，很小的過渡電阻便會引起很大的測量誤差，造成保護(hù)拒動。系統(tǒng)側(cè)的距離保護(hù)耐受過渡電阻能力較強(qiáng)，在送出線路全長阻抗只有6.105 Ω的情況下仍可耐受幾歐姆的過渡電阻。

由表2和表3還可以看出，光伏側(cè)距離保護(hù)的耐受過渡電阻能力在接地故障時強(qiáng)于相間故障時，但仍然比系統(tǒng)側(cè)距離保護(hù)弱。

需要指出，兩相短路接地故障的2個接地回路比相間回路耐受過渡電阻能力強(qiáng)，原因是接地故障回路中主要分量為零序電流，兩側(cè)測量電流幅值比M較小。以表2中過渡電阻為0.5 Ω的BCG故障為例，BG和CG回路的保護(hù)可以動作，但BC回路的測量阻抗為11.546∠-22.4°Ω，BC回路的保護(hù)顯然拒動。

將光伏電站模型的逆變器LVRT策略改為故障期間發(fā)送定有功電流的方式，表4和表5分別為送出線路的下級出口K2處故障時光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)距離保護(hù)的動作情況。

表4 區(qū)外故障時送出線路光伏側(cè)距離Ⅰ段動作情況Table 4 Zone-I action situation of distance protection at PV side of outgoing transmission line when out-zone fault occurs

表5 區(qū)外故障時送出線路系統(tǒng)側(cè)距離Ⅰ段動作情況Table 5 Zone-I action situation of distance protection at system side of outgoing transmission line when out-zone fault occurs

表4 中，該故障對于光伏側(cè)距離保護(hù)而言是正方向區(qū)外故障，但當(dāng)過渡電阻為0.3 Ω時，相間短路和三相短路故障的測量阻抗落在了動作區(qū)內(nèi)，即發(fā)生了穩(wěn)態(tài)超越。因此，光伏側(cè)距離元件在正方向區(qū)外故障時耐受過渡電阻能力極差，極易發(fā)生穩(wěn)態(tài)超越，引起誤動。表5中，該故障對于系統(tǒng)側(cè)距離保護(hù)而言是反方向區(qū)外故障，但當(dāng)過渡電阻為0.3 Ω時，相間短路和三相短路故障的測量阻抗卻朝反方向增大，落在動作區(qū)內(nèi)。因此，系統(tǒng)側(cè)距離保護(hù)在反方向區(qū)外故障時耐受過渡電阻能力極差，極易發(fā)生反方向故障的誤動。

需要特別指出的是，弱電源特性對距離保護(hù)元件耐受過渡電阻能力的影響問題在光伏送出線路上表現(xiàn)得尤為突出，但其影響不僅僅限于光伏送出線路，而是涉及到所有的弱電源送出線路。一側(cè)故障電流受限會極大地降低距離保護(hù)的耐受過渡電阻能力。

4 保護(hù)配置建議

上述分析揭示了光伏電站送出線路現(xiàn)有保護(hù)受弱電源特性的影響性能下降的問題，需要改進(jìn)保護(hù)配置方案，以滿足送出線路安全運(yùn)行的要求。

送出線路的主保護(hù)仍應(yīng)采用電流差動保護(hù)。由于電流差動保護(hù)在光伏電站送出線路上可正確動作，故除了110 kV送出線路之外，現(xiàn)有規(guī)程要求在10 kV或35 kV的低壓光伏電站送出線路上也要配備電流差動保護(hù)，以取代不能正確動作的電流保護(hù)和距離保護(hù)作為主保護(hù)。唯一需要注意的是，光伏電站故障特性降低了差動保護(hù)的靈敏度，因而應(yīng)按單電源線路對送出線路差動保護(hù)進(jìn)行整定。

送出線路的后備保護(hù)應(yīng)重新配置如下。

a.對于接地故障，仍采用現(xiàn)有的零序電流保護(hù)。從圖1可以看出，零序網(wǎng)絡(luò)僅包含送出變壓器高壓側(cè)和送出線路，零序電流保護(hù)與光伏電站的電源特性無關(guān)，仍然可正確動作。

b.對于相間故障，系統(tǒng)側(cè)仍可采用電流保護(hù)，而光伏側(cè)可考慮配置低電壓保護(hù)。由于光伏電站為電網(wǎng)的弱電源端，當(dāng)故障發(fā)生時，相應(yīng)故障回路的電壓顯著降低。低電壓保護(hù)的配置原則是：當(dāng)送出線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，應(yīng)動作于跳閘；當(dāng)電網(wǎng)或光伏電站內(nèi)部故障時，應(yīng)可靠不動作。低電壓保護(hù)的時間整定值應(yīng)能躲過系統(tǒng)中發(fā)生的區(qū)外故障。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生區(qū)外故障時，其動作延時應(yīng)與下級線路后備保護(hù)的動作時間相配合。此外，光伏側(cè)保護(hù)應(yīng)加裝方向元件，避免光伏電站集電線路或送出變壓器故障時發(fā)生反方向誤動。

5 結(jié)論

本文就弱電源特性對光伏電站送出線路繼電保護(hù)的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析和仿真驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

a.弱電源特性使光伏送出側(cè)電流保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障時不可用。

b.弱電源特性不影響電流差動保護(hù)的正確動作，但降低了差動保護(hù)的靈敏度。

c.弱電源特性使相間距離元件耐受過渡電阻能力極差，在實(shí)際中不可用；接地距離元件耐受過渡電阻能力也較差。

d.建議光伏電站送出線路以電流分相差動保護(hù)作為主保護(hù)，零序電流保護(hù)作為接地故障的后備保護(hù)，低電壓保護(hù)作為相間短路的后備保護(hù)。