張東明1，連 婷1，王 東1，賈中義1 任 華1，王海云

(1.國網(wǎng)新疆電力公司巴州供電公司，新疆 庫爾勒 841000；2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

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光伏電站接入對送出線路繼電保護(hù)的影響

張東明1，連 婷1，王 東1，賈中義1任 華1，王海云2

(1.國網(wǎng)新疆電力公司巴州供電公司，新疆 庫爾勒 841000；2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

針對大量光伏電站接入電網(wǎng)，重點(diǎn)從光伏電站的電源特性對現(xiàn)有繼電保護(hù)的動作特性方面展開研究。在綜合穩(wěn)定程序(PSASP)中建立了光伏電站系統(tǒng)暫態(tài)模型以及送出線路模型，分析了光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的故障電流特征。在此基礎(chǔ)上分析了光伏電站發(fā)電系統(tǒng)對送出線路光伏側(cè)繼電保護(hù)動作特性的影響，并提出了相應(yīng)的保護(hù)配置建議。為分析和預(yù)測在現(xiàn)有大系統(tǒng)中增加光伏發(fā)電系統(tǒng)后對電網(wǎng)的影響等提供了有力的技術(shù)支持。

光伏電站；電源特性；送出線路；繼電保護(hù)

0 引 言

隨著光伏(photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模并入電網(wǎng)，其對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不可忽略的影響，因此光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在自身故障期間的保護(hù)措施，成為電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。光伏受到不同日照條件以及不同溫度條件的影響，輸出功率存在間歇性和波動性，對光伏送出線路繼電保護(hù)造成誤動、拒動或者靈敏度下降等問題。由于光伏電站的故障電流受到光伏逆變器低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)控制的限制，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。國內(nèi)外很多學(xué)者研究了光伏發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)模型及其故障特性，并有一定的認(rèn)識，但很少有人分析與研究光伏故障特性對送出線路繼電保護(hù)的影響。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。

因此，分析光伏發(fā)電系統(tǒng)送出線路繼電保護(hù)的動作性能以及送出線路故障特性對電流差動保護(hù)、距離保護(hù)等典型保護(hù)的影響，分析現(xiàn)有保護(hù)配置存在的問題，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 系統(tǒng)建模與分析

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

根據(jù)中國光伏發(fā)展現(xiàn)狀，中小型屋頂光伏電站多采用兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)，而對于大型沙漠光伏電站，單級式光伏發(fā)電系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)成為大型光伏電站的首選，應(yīng)用廣泛。

下面主要針對單級式光伏發(fā)電的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別對光伏陣列、功率變換器、并網(wǎng)連接轉(zhuǎn)換等部分進(jìn)行建模，并實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制、逆變器并網(wǎng)控制等功能，能夠很好地反映實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)特性。單級式光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 單級式光伏發(fā)電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

此模型通過輸入任意時刻的光照強(qiáng)度和實(shí)際溫度值，能夠準(zhǔn)確地模擬出此情況下的光伏陣列輸出功率、端口電壓、輸出電流以及整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電流、電壓和功率等，為分析和預(yù)測在現(xiàn)有大系統(tǒng)中增加光伏發(fā)電系統(tǒng)后對電網(wǎng)的影響等提供了有力的技術(shù)支持。此模型具有普遍適用性，對于目前中國大型光伏發(fā)電系統(tǒng)所采用的單級式不可逆光伏發(fā)電形式，可以很好地進(jìn)行仿真模擬。

1.2 送出線路故障特性分析

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，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2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2 光伏電站送出線路故障示意圖

設(shè)IS滯后IPV的相位角θ[-180°，180°]，兩者倍數(shù)比N為

N=︳IS/IPV︳

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)。

1)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。

2)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。

3)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。

2 光伏送出線路保護(hù)動作特性仿真分析

2.1 電流差動保護(hù)仿真分析

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

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。

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，故光伏電站的接入降低了電流差動保護(hù)的靈敏度。

2.2 距離保護(hù)仿真分析

由表2和表3可知，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0.5Ω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5Ω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)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6.105Ω的情況下仍可耐受幾歐姆的過渡電阻。

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

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

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。

3 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)受光伏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110kV送出線路之外，現(xiàn)有規(guī)程要求在10kV或35kV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：對于接地故障，仍采用現(xiàn)有的零序電流保護(hù)。從圖2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。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。

4 結(jié) 論

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：

1)光伏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。

2)光伏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。

3)光伏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。

4)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)。

[1] 劉幸蔚，李永麗．逆變電源T接電網(wǎng)后對縱差保護(hù)的影響及準(zhǔn)入容量分析[J].電網(wǎng)技術(shù).2016,40(5)：1596-1599.

[2] 劉健，林濤，同向前，等．分布式光伏電源對配電網(wǎng)短路電流影響的仿真分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(8)：2080-2085．

[3] 楊杉，同向前，劉健，等．含分布式電源配電網(wǎng)的短路電流計(jì)算方法研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(7)：1977-1982．

[4] 余瓊，余勝，李曉暉．含分布式電源的配網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)方案[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(5)：110-115．

[5] 孔祥平，張哲，尹項(xiàng)根，等．含逆變型分布式電源的電網(wǎng)故障電流特性與故障分析方法研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(34)：65-74．

[6] 韓奕，張東霞．含逆變型分布式電源的微網(wǎng)故障特征分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(10)：147-152．

For a large number of photovoltaic (PV) power stations connected to power grid, the action features of the current relay protection are mainly studied as viewed from the characteristics of power supply of PV power station. The transient model of PV power station system and the model of transmission lines are established in the comprehensive stability program (PSASP), and the fault current characteristics of PV power generating system are analyzed. On this basis, the influence of PV power generating system on the action features of relay protection in PV side of transmission lines is analyzed, and some suggestions for the corresponding relay protection allocation are proposed, which provides a strong technical support for analyzing and predicting the impact on power grid after increasing PV power generating system in the existing system.

photovoltaic power station; characteristics of power supply; transmission lines; relay protection

教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(IRT1285)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51267017)

TM615 <文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-6954(2016)06-0001-04文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a

1003-6954(2016)06-0001-04

A 文章編號：1003-6954(2016)06-0001-04

2016-08-16)

張東明(1987)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制；

王海云(1973)，副教授、碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)。