張 堯，晁 勤，王厚軍，李育強，王一波

（1.新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830091；3.國網新疆供電公司 昌吉電業(yè)局，新疆 昌吉 831100）

0 引言

國際、國內光伏發(fā)電市場發(fā)展迅速，以并網發(fā)電和離網發(fā)電2種方式共存，其中并網方式以90%的份額占主導地位。目前我國青海格爾木并網光伏電站的容量已達300 MW，計劃到2020年，青海省將形成7500 MW的光伏并網發(fā)電量。隨著并網光伏電站容量的增加，光伏電站升壓接入110 kV電網提供的短路電流也在不斷增加，對110 kV電網的距離主保護影響很大，不容忽視。因此光伏電站接入110 kV電網對距離保護的影響及應對措施研究非常必要。

現有關于光伏電站并網對保護影響的研究，主要集中在對電流保護的影響和應對措施方面[1-5]，對距離保護的影響研究較少。文獻[6]以雙饋風電場為研究背景，分析得出基于工頻傅氏算法的相量距離保護元件由于風電場送出線電壓、電流主頻不同而影響其動作性能。文獻[7]分析了分布式電源接入配電網對并網聯絡線保護的影響，指出由于分布式電源歸算至并網變110 kV母線側的阻抗過大，分布式電源側的距離保護有可能拒動，會威脅到變壓器的絕緣安全。文獻[8]指出分布式電源的正向助增電流會使距離保護Ⅱ段范圍縮小，可能降低其靈敏度，但未進一步探討分支系數的改進方法。文獻[9]對光伏電站的等效阻抗用標準測試條件下的開路電壓乘以串聯個數與短路電流乘以并聯個數的比值來確定。但是由于光照和溫度等實際運行條件與標準測試條件存在差異及各部分光伏陣列特性不一致[10]，光伏電站的等效阻抗可能存在較大誤差。

因此本文首次提出一種新思路——構建正常運行實測光伏電站發(fā)電量P和光伏電站等效阻抗XG2與接地距離保護分支系數Kf三者之間的相互關系模型，進而確立自適應接地距離保護整定判據。本文采用序分量原理，以及目前光電逆變器直流側電壓和交流側電流短路時若超過額定值20%將會損壞逆變器的特性，研究P、XG2、Kf三者之間對應關系的規(guī)律，既避免光伏電站等效阻抗可能存在的誤差，又獲得光伏電站發(fā)電量P與分支系數Kf的定量關系系數，并定量給出了分支系數Kf的修正值；采用自適應原理建立了接地距離Ⅱ段阻抗整定值判據。仿真驗證結果表明該方法有效、實用。

1 基于序分量原理建立光伏電站等效阻抗XG2與分支系數Kf間的關系模型

光伏電站的接入使得原來的單電源網絡變成多電源網絡，構成助增電源的情形。由于光伏電站具有不同于常規(guī)電源的P-I特性，提供的短路電流偏小，使得原來按最小分支系數確定的接地距離保護的保護范圍變小，降低了距離保護的性能。

合理地確定分支系數，可彌補接地距離保護范圍變小的不利因素。本文以圖1所示的新疆某地區(qū)光伏電站電網構架為例，采用序分量原理推導并建立光伏電站等效阻抗XG2與分支系數Kf的模型。

圖1 某實際光伏電站結構Fig.1 Structure of an actual PV station

如圖1所示，光伏電站接入母線B時，對于母線A處的距離保護Ⅰ段，由于其只保護線路AB的85%，因此不受光伏電站的影響。而距離保護Ⅱ段保護范圍要覆蓋本線路全長，必須延伸到線路BC，當K點發(fā)生單相接地短路時，由于光伏電站的接入形成助增電源，保護裝置1的距離保護Ⅱ段測量到的電壓與電流的比值大小不再與距離長短成正比。因此需要考慮光伏電站引起的助增分支系數的影響。

保護裝置1的A相電壓采用序分量表示為式（1）：

假設線路發(fā)生金屬性短路，那么保護裝置1的測量阻抗為：

其中，Kf為分支系數。

采用序分量法可將分支系數式（3）轉化為：

其中，I11與I31之間關系根據圖1推導為式（5）：

當K點發(fā)生單相接地故障時有：

將式（5）、（6）代入式（4），化簡后得出光伏電站等效阻抗XG2.1與分支系數Kf之間的關系模型為：

其中，XG1.1、XT1.1、XAB1分別由等效電源 G1、變壓器 T1、線路AB的阻抗正序分量決定，其值為定值；光伏電站阻抗XG2.1隨光照強度和溫度變化，由阻抗的正序分量組成，故等價為光伏電站等效阻抗XG2。

2 確定光伏電站發(fā)電量P與分支系數Kf的對應關系

圖2為并網光伏電站的簡化電路圖，由數十個光伏組件+逆變器組并聯組成，經過升壓變壓器實現高壓交流輸電[6]。眾所周知，光伏電站發(fā)電量P隨光照強度增大而增大，光伏電站等效阻抗XG2與光照強度也存在一定關系，確定等效阻抗XG2與發(fā)電量P之間的對應關系，是分析光伏電站發(fā)電量P與分支系數Kf間關系的前提[11-13]。

圖2 并網光伏電站的簡化電路Fig.2 Simplified circuit of grid-connected PV station

2.1 光伏電站發(fā)電量P與等效阻抗XG2相關性分析

2.1.1 光伏電站等效阻抗XG2計算方法

工程用光伏組件數學模型[14-16]如式（8）、（9）所示。

其中，Iph為給定光照下的短路電流；A為二極管理想常數；VT為組件熱勢能；UOC為開路電壓；ISC為短路電流。

若光伏電站等效阻抗用式中的光伏電池組件輸出電流I、輸出電壓U推導確定將存在較大誤差，可能的原因為：開路電壓UOC和短路電流ISC是在標準測試條件，即溫度Tref=25℃、光照強度Gref=1000 W/m2下測試的，與光照等實際運行條件存在差異；數十個光伏組件+逆變器組并聯組成的各部分光伏電池特性的不一致，使得組合輸出特性為多峰值P-U曲線。因此本文采用現場實測值確定光伏電站等效阻抗以適應各種不同光照和溫度等運行方式的改變。

根據圖2可知1組光伏組件與逆變器是串聯關系，因此1組光伏組件+逆變器的等效阻抗X′G2可由在不同光照強度下DC/AC直流側實測電壓與實測電流的比值疊加交流側實測電壓與實測電流的比值近似求取，再根據圖2所示各組光伏組件+逆變器為并聯關系求取光伏電站的總等效阻抗XG2，如式（10）所示。

其中，Ui-、Ui～分別為第i組光伏組件+逆變器的直流側和交流側實測電壓；Ii-、Ii～分別為第i組光伏組件+逆變器的直流側和交流側實測電流；n為光伏組件+逆變器并聯組數。

2.1.2 P-XG2相關性分析及建模

由實測數據可獲得不同光照強度下每組光伏組件+逆變器的輸出功率，對各組光伏組件+逆變器的輸出功率求和即為光伏電站發(fā)電量P，由式（10）可得光伏電站等效阻抗。由于光伏電站發(fā)電量P隨光照強度增大而增大，因此也隨輸出電流增大而增大，而輸出電壓變化幅度較小，表明光伏電站等效阻抗XG2隨發(fā)電量P的增大而減小，其變化趨勢如圖3所示。

圖3 光伏電站發(fā)電量P與光伏電站等效阻抗XG2的關系Fig.3 Relationship between P and XG2

若根據實測數據及式（10）繪制并計算出反映光伏電站實際P-XG2關系的曲線圖，可采用曲線擬合法求解P-XG2模型：

其中，α、β在具體算例驗證中確定。

2.2 基于P、XG2、Kf三者之間對應關系構建P-Kf模型

由前面推出的 XG2、Kf之間的關系式（7）和 P、XG2之間的關系式（11），可獲得 P、Kf之間的關系模型為：

3 基于自適應原理建立接地距離保護判據

如圖1所示的保護裝置1距離保護Ⅰ段由于不受光伏電站的影響，按原保護定值整定，公式略。距離保護Ⅱ段若按原保護定值整定，最小分支系數必定取1，意味著光伏電站的發(fā)電量P為0，有可能造成接地距離保護Ⅱ段拒動，因此按照P、Kf之間的關系式（12），建立基于分支系數自適應的接地距離保護Ⅱ段整定值式（13）及保護判據式（14）：

其中，P的單位為MW；ZⅡ1.set為保護裝置1的接地距離保護Ⅱ段的整定值；KⅡK、K″K為距離保護Ⅱ段可靠系數；ZAB.1為線路AB的正序阻抗；ZⅠ3.set為保護裝置3的接地距離保護Ⅰ段的整定值；Z1m為保護裝置1的測量阻抗。

4 算例驗證

新疆某地區(qū)額定功率為10 MW的光伏電站，采用500 kW的逆變器并網，有20組逆變器并聯。光伏電站的輸出電壓是415 V，經箱式變壓器升到35 kV，再經總變壓站升到110 kV，匯入110 kV電網。

線路BC長50 km；等效電源G1的各序阻抗為XG1.1=XG1.2=15 Ω；變壓器T1的各序阻抗為XT1.1=XT1.2=10 Ω，XT1.0=30 Ω；線路各序阻抗為 Z1=Z2=0.4 Ω/km，Z0=1.2 Ω /km。

表1為2014年7月5日新疆某地區(qū)10 MW并網光伏電站2號逆變器直流側交流側實測數據，限于篇幅，其余組實測數據略。由表1可知，實測數據與不同光照強度光伏模塊的電流電壓特性曲線[8]吻合；不同光照強度下的直流側電壓電流和交流側電壓電流均不同，隨著光照強度的減弱，電流也隨之減小，電壓變化不大。

表1 2號逆變器直流側和交流側數據Table 1 DC-and AC-side data of inverter No.2

4.1 確定P-XG2關系模型中的α、β

將表1中的直流電壓電流和交流電壓電流代入式（10）中的分母得到1組光伏組件+逆變器的等效阻抗X′G2。選取一部分典型運行數據見表2，表中用箭頭的多少表征光照強弱。

將同一時刻20組逆變器直流側交流側數據代入式（10）得到XG2，同時將20組逆變器的輸出有功功率相加得到 P，取 α=3507.5、β=-1.03，采用曲線擬合法求解得：

表2 2號逆變器直流側數據及1組光伏組件+逆變器的等效阻抗Table 2 DC-side data of inverter No.2 and equivalent impedance of PV module group and inverter

4.2 P、XG2、Kf三者之間對應關系驗證

由表1和式（1）聯立求解可獲得光伏電站P、XG2、Kf三者之間的關系，如表3所示。

表3 P、XG2和 Kf的關系Table 3 Relationship among P，XG2and Kf

通過表3可知光伏電站等效阻抗變化范圍較大，比常規(guī)電源的阻抗變化范圍大很多。光伏電站等效阻抗XG2隨著光伏電站發(fā)電量P的增大而減小，相應的分支系數Kf卻增大。

確定光伏電站發(fā)電量P與分支系數Kf的相關系數，是實現光伏電站接入電網自適應距離保護的前提。由圖4可知Kf和P基本符合線性關系，其斜率為0.01/MW左右，可簡化為：

圖4 P與Kf的線性關系Fig.4 Linear relationship between P and Kf

4.3 自適應距離保護Ⅱ段驗證

已知光伏電站發(fā)電量 P，由式（13）和（16）求解得ZⅡ1.set，如表4所示，表中，保護范圍指其和線路AC的百分比。

自適應接地距離保護整定值根據光伏電站發(fā)電量P的變化，自動調整分支系數，使距離保護性能處于更好狀態(tài)，比原距離保護的保護范圍顯著增大，提高了保護的靈敏度。

保護裝置3的距離保護Ⅰ段時間整定為0 s，保護裝置1的距離保護Ⅱ段整定時間為0.5 s，滿足保護裝置1的距離保護Ⅱ段與保護裝置3的距離保護Ⅰ段間保護范圍和時間的配合要求。保護裝置1的距離保護Ⅲ段按負荷阻抗整定，它的整定值遠比距離保護Ⅱ段大，自然滿足與Ⅰ段和Ⅱ段的協調配合關系。

表4 P、ZⅡ1.set及保護范圍的關系Table4 Relationship among P，ZⅡ1.setand protection range

5 結論

本文推導出光伏電站等效阻抗XG2與分支系數Kf間的關系模型，利用光伏電站逆變器直流側電壓、電流和交流側電壓、電流數據，分析了光伏電站發(fā)電量P與等效阻抗XG2間的關系，以光伏電站等效阻抗XG2為橋梁，發(fā)現P、Kf間基本呈現線性關系，從而建立了自適應接地距離保護Ⅱ段阻抗整定值判據。