郭金學(xué) 南東亮 郝紅巖 張 鋒 張 祎

（1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102;2. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011;3. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司調(diào)度控制中心，烏魯木齊 830011）

光伏電站接入對(duì)距離保護(hù)和重合閘的影響

郭金學(xué)1南東亮2郝紅巖3張 鋒3張 祎1

（1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102;2. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011;3. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司調(diào)度控制中心，烏魯木齊 830011）

本文首先分析了距離保護(hù)基本原理，并討論了光伏電站接入對(duì)送出線路距離保護(hù)、配電網(wǎng)距離保護(hù)、配電網(wǎng)重合閘和選相元件的影響。進(jìn)而，以光伏電站表現(xiàn)出的故障特性為依據(jù)，同時(shí)本著工程應(yīng)用方便且誤差允許的前提，提出了光伏電站類比常規(guī)電源的短路計(jì)算模型，即電壓源串聯(lián)阻抗的形式，并針對(duì)光伏電站不同的故障特性給出了二者各序阻抗的計(jì)算公式。將給出的計(jì)算模型加入到常規(guī)電網(wǎng)短路電流計(jì)算模型中，分析了計(jì)及光伏電站的電網(wǎng)短路電流計(jì)算模型及故障特性，研究了規(guī)?；夥尤牒髮?duì)地區(qū)電網(wǎng)短路水平的影響。通過(guò)距離保護(hù)建模、阻抗整定值設(shè)定、電流起動(dòng)門檻值設(shè)定等，建立了算例模型，仿真驗(yàn)證了送出線路在不同位置、不同類型故障下保護(hù)的動(dòng)作情況，得出了光伏并網(wǎng)對(duì)距離保護(hù)配置、重合閘配置、選相元件的若干建議。

光伏電站；距離保護(hù)；重合閘；選相元件

根據(jù)光伏電站接入電網(wǎng)相關(guān)規(guī)定，光伏電站的110kV專用并網(wǎng)線路配置一套光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)裝置，保護(hù)裝置除光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)主保護(hù)，還具備階段式相間和接地距離保護(hù)、零序電流保護(hù)作為后備保護(hù)以及重合閘[1-2]。已有的研究指出：當(dāng)光伏發(fā)電并網(wǎng)時(shí)，其特有的故障特征和短路特性易造成接地距離保護(hù)分支系數(shù)不確定，進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)，降低重合閘成功率[3-6]。

文獻(xiàn)[5]研究了基于自適應(yīng)原理的接地距離保護(hù)整定判據(jù)。文獻(xiàn)[6]指出基于相電流差突變量和基于序分量的選相元件的動(dòng)作性能會(huì)受到光伏電站的嚴(yán)重影響。文獻(xiàn)[7-8]分析了光伏并網(wǎng)發(fā)電重合閘的影響，提出了光伏電站LVRT與前加速自動(dòng)重合閘的配合方案。文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9-10]提出一種基于過(guò)渡電阻傾斜角估計(jì)的自適應(yīng)距離保護(hù)和自適應(yīng)接地距離保護(hù)方案，以處理過(guò)渡電阻的影響。文獻(xiàn)[11]研究了弱電源特性對(duì)送出線路電流差動(dòng)保護(hù)和距離保護(hù)的影響?，F(xiàn)有文獻(xiàn)的研究重點(diǎn)關(guān)注了光伏發(fā)電接入對(duì)繼電保護(hù)的影響，但對(duì)光伏電站接入時(shí)帶來(lái)的新的短路計(jì)算模型、故障特性的探討較少，尤其缺乏規(guī)?；夥尤牒髮?duì)地區(qū)電網(wǎng)短路水平影響、選相元件的影響分析。

為了滿足重合閘、距離保護(hù)故障判相等需要，線路保護(hù)一般應(yīng)具備故障選相的能力，對(duì)此，本文在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地分析了光伏電站送出線路對(duì)距離保護(hù)、重合閘和選相元件的影響等內(nèi)容，并基于算例仿真驗(yàn)證所提出模型和方法的有效性。

1 對(duì)距離保護(hù)的影響研究

1.1 距離保護(hù)基本原理

接地、相間距離保護(hù)阻抗繼電器的測(cè)量阻抗可表示為

式中，φ為發(fā)生接地短路的故障相，0I˙為零序電流，K為零序電流補(bǔ)償系數(shù)，K=(z0-z1)/(3z1)，z1、z0分別為單位長(zhǎng)度被保護(hù)線路的正序、零序阻抗。

1.2 對(duì)配電網(wǎng)距離保護(hù)的影響

圖1為光伏電站接入配電網(wǎng)的典型示意圖。

當(dāng)f1故障時(shí)，保護(hù)1處測(cè)量阻抗為

圖1 光伏電站接入配電網(wǎng)示意圖

式中，Zk為測(cè)量阻抗，Rg為過(guò)渡電阻，θ 為兩側(cè)故障電流的相角差，pvI˙為光伏電站的電流，sI˙為電源的電流。

f2故障時(shí)，保護(hù)1測(cè)量阻抗為

式中，ZNK為母線N到短路點(diǎn)的阻抗，ZMN為母線M和母線N之間的阻抗。

由式（2）和式（3）可知，因θ 不確定，當(dāng)發(fā)生經(jīng) Rg的短路故障時(shí)，保護(hù) 1的 Zk可能增大或減小，導(dǎo)致保護(hù)1的保護(hù)范圍縮小或者無(wú)選擇性動(dòng)作。

2 光伏電站對(duì)重合閘的影響

2.1 送出線路重合閘配置

實(shí)際的光伏電站送出線路，大電源側(cè)一般選用“檢線路無(wú)壓”、小電源側(cè)選用“檢同期”方式[12]，但是這種配置方式未考慮到光伏電站特殊性，因此實(shí)際中可能會(huì)產(chǎn)生重合不成功現(xiàn)象。例如，配電網(wǎng)原有的前加速自動(dòng)重合閘僅僅是針對(duì)單電源供電結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的，光伏電站的接入使得配電網(wǎng)變成了雙端供電網(wǎng)絡(luò)，這將造成前加速自動(dòng)重合閘適應(yīng)性不足。故障后，光伏電站是否退出，會(huì)對(duì)前加速自動(dòng)重合閘產(chǎn)生影響。光伏電站并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生瞬時(shí)性故障，兩側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘后，光伏電站過(guò)/欠電壓、過(guò)/欠頻率孤島保護(hù)退出運(yùn)行的概率很高，因背側(cè)電源退出運(yùn)行，故光伏電站側(cè)重合閘“檢同期”不會(huì)成功，重合閘也不會(huì)成功。

如果光伏電站發(fā)出功率和負(fù)荷不匹配，就構(gòu)不成形成孤島的必要條件，不會(huì)形成孤島；如果此時(shí)發(fā)出功率與負(fù)荷匹配，孤島系統(tǒng)的頻率由負(fù)荷諧振頻率、光伏電站發(fā)出有功、無(wú)功和品質(zhì)因數(shù)決定，就可能會(huì)引起并網(wǎng)點(diǎn)頻率顯著變化，會(huì)有高/低頻動(dòng)作切機(jī)；光伏逆變器不具備頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，即使形成頻率偏移不大的孤島系統(tǒng)，系統(tǒng)負(fù)荷也是隨時(shí)變化的，即此時(shí)的平衡點(diǎn)是極不穩(wěn)定的。當(dāng)光伏電站發(fā)生概率極低的孤島運(yùn)行時(shí)，光伏電站側(cè)檢測(cè)到光伏電站仍并網(wǎng)運(yùn)行，即“母線有壓”，則重合閘將不會(huì)動(dòng)作，重合閘過(guò)程中不會(huì)對(duì)光伏電站造成非同期沖擊。

2.2 光伏電站對(duì)選相元件的影響

基于對(duì)稱分量法和相電流差突變量的選相原理，保護(hù)安裝處兩相電流差的變化量幅值為[13]式中，C1、C2分別為保護(hù)側(cè)的正序、負(fù)序電流分支系數(shù)；If1、If2分別為故障處的正序、負(fù)序故障分量電流。

光伏電站阻抗的正、負(fù)序阻抗在幅值和相位上均不相等，會(huì)導(dǎo)致C1和C2不等，進(jìn)而單相接地（AG）故障時(shí)，。因此，當(dāng)有光伏電站接入時(shí)，單相接地短路時(shí)無(wú)法選出故障相。

3 光伏電站的短路計(jì)算模型及故障特性

3.1 光伏電站的短路計(jì)算模型

IEC 60909標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)變頻器有兩種處理方式：①不考慮靜止變頻器的貢獻(xiàn)；②靜止變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在三相短路時(shí)進(jìn)行反饋制動(dòng)，提供短路電流。其阻抗為

DIgSILENT/PowerFactory對(duì)光伏逆變器的模型進(jìn)行了擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)逆向分析來(lái)解析模型，通過(guò)最大短路電流（容量）水平確定正序阻抗大小，然后根據(jù)R/X′′的值分別求解R和 X′′，即

由式（6）和式（7）便可計(jì)算光伏逆變器阻抗。由逆變器的限制可知最大短路初始值kI′′為額定電流的k倍。短路容量與容量的關(guān)系為

R/X′′參考IEC 60909處理靜止變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)短暫逆變運(yùn)行情況，值為0.1。

由式（8）和式（9）便可求取相關(guān)參數(shù)。

另外，結(jié)合故障特性可知，常規(guī)控制策略下逆變器負(fù)序電流很小，且通過(guò)不對(duì)稱控制，會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流為零的故障特性，故近似處理為光伏逆變器負(fù)序阻抗無(wú)窮大。

3.2 光伏模型短路計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法

光伏發(fā)電系統(tǒng)的正序模型可等效為電壓源與阻抗的串聯(lián)，如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的正序等效模型

假設(shè)光伏電站中有i臺(tái)容量為S1的逆變器，電流限值倍數(shù)均為k1；有j臺(tái)容量為S2的逆變器，電流限值倍數(shù)均為k2，k1和k2計(jì)算同式（10），則

短路容量kS為

短路容量標(biāo)幺值kS′′為

光伏電源阻抗標(biāo)幺值（逆變器側(cè)）計(jì)算式為

式中，Cmax為電壓系數(shù)，380V/400V系統(tǒng)Cmax取值為1.05，其他電壓等級(jí)Cmax均取1.10；為阻抗比，默認(rèn)取值為0.1；kS′′為光伏電站短路容量標(biāo)幺值。

光伏電源阻抗標(biāo)幺值（基準(zhǔn)側(cè)，考慮電壓折算）計(jì)算式為

3.3 光伏電站的故障特性分析

圖3在DIgSILENT/PowerFactory中搭建了一個(gè)由光伏電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷組成的并網(wǎng)型微網(wǎng)模型[14]。

圖3 搭建微網(wǎng)模型

光伏電站額定功率、輸出有功、無(wú)功分別設(shè)定為 100MW、76MW、0；儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率、輸出有功、無(wú)功分別設(shè)定為 30MW、0MW、0；負(fù)荷有功為 90MW，無(wú)功功率為 0，外網(wǎng)最大短路容量為1000MW，送出線為架空線，長(zhǎng)度為10km。0時(shí)刻發(fā)生三相短路故障，故障位置為距并網(wǎng)點(diǎn)位置10%，過(guò)渡電阻為12Ω，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，送出線路發(fā)生三相對(duì)稱短路故障時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)出口電壓對(duì)稱跌落，輸出電流不超過(guò)逆變器限幅 1.2倍，呈現(xiàn)恒流源特性。儲(chǔ)能系統(tǒng)出口電壓對(duì)稱跌落，輸出電流不超過(guò)額定電流，也呈現(xiàn)恒流源特性，這是由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的逆變器的限幅控制作用。并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生對(duì)稱跌落，微網(wǎng)側(cè)送出的短路電流三相對(duì)稱，且增幅很大，這是因?yàn)殡m然光伏逆變器已經(jīng)將輸出電流限制在1.2倍，但故障前儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出電流為零，故障后儲(chǔ)能系統(tǒng)提供無(wú)功用以支撐電壓增大了故障電流。

圖4 光伏電站交流側(cè)電壓和電流

4 規(guī)?；夥尤牒髮?duì)地區(qū)電網(wǎng)短路水平影響研究

新能源發(fā)電的接入對(duì)電網(wǎng)的繼電保護(hù)整定計(jì)算產(chǎn)生了影響，主要體現(xiàn)在故障發(fā)生后，光伏電源對(duì)故障點(diǎn)提供短路電流。繼電保護(hù)整定計(jì)算人員關(guān)注的是新能源廠站能夠提供多少水平的短路電流。本文以新疆巴州 220kV且末變供電片區(qū)的光伏站為例，建模分析光伏接入后對(duì)短路水平的影響。圖 5所示為巴州且末片區(qū)的電網(wǎng)接線圖，其中 35kV光伏電站通威且末、裕天且末、若羌海為的容量分別為20MW、6MW、20MW。

圖5 巴州電網(wǎng)且末片區(qū)一次接線圖

光伏電站模型的參數(shù)見(jiàn)表1。

首先在新建的光伏和風(fēng)場(chǎng)近處設(shè)置故障：

在 110kV恰爾羌變 35kV I母線上設(shè)置相間故障，故障點(diǎn)信息及新能源電廠提供電流見(jiàn)表2。

220kV且末變I母線上發(fā)生故障，故障點(diǎn)信息及新能源電廠提供電流見(jiàn)表3。

表1 光伏電站參數(shù)

表2 短路計(jì)算結(jié)果

表3 短路計(jì)算結(jié)果

由表 2、表 3可知，光伏的大規(guī)模接入，導(dǎo)致巴州且末變片區(qū)的短路水平會(huì)發(fā)生變化。而光伏電源的短路阻抗和容量直接相關(guān)，可以看出，在35kV通威且末和35kV裕天且末（分別為20MW和6MW）近處（110kV恰爾羌變35kV母線）發(fā)生故障時(shí)，光伏電源提供的短路電流并不大，差異最大的三相短路提高了25%；而當(dāng)上級(jí)220kV且末變220kV母線故障時(shí)，受新光伏廠站的影響，短路電流水平提高了10%。

5 繼電保護(hù)算例仿真分析

5.1 算例仿真模型

1）距離保護(hù)模型

在 DIgSILENT/PowerFactory中建立了包含 30個(gè)光伏逆變器的光伏電站詳細(xì)時(shí)域仿真模型，如圖6所示。圖6中，單個(gè)光伏電池板的容量為0.5MW，出口電壓為0.4kV，匯集母線電壓為35kV，光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓為110kV。

圖6 光伏電站的詳細(xì)時(shí)域仿真模型

圖6中送出線路參數(shù)為正序電阻為0.132Ω/km，正序電抗為0.389Ω/km，零序電阻為0.396Ω/km，零序電抗為1.167Ω/km，長(zhǎng)度為20km。在送出線路光伏側(cè)加入方向圓動(dòng)作特性的距離保護(hù)，其Ⅰ段整定值為3.95Ω、角度為71.26°。送出線路發(fā)生各種類型短路故障的仿真結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

由表 4、表 5可知，光伏側(cè)距離保護(hù)的耐受過(guò)渡電阻能力在接地故障時(shí)強(qiáng)于相間故障時(shí)，但仍然比系統(tǒng)側(cè)距離保護(hù)弱。

2）距離I、Ⅱ段阻抗整定值

設(shè)定 TV和 TA的變比分別為 110kV/110V、400A/1A。線路正序電阻為0.177Ω/km，正序電抗為0.402Ω/km，零序電阻為 0.354Ω/km，零序電抗為1.022Ω/km，長(zhǎng)度為50km，距離保護(hù)整定值計(jì)算見(jiàn)表6。

表4 區(qū)內(nèi)故障時(shí)送出線路光伏側(cè)距離Ⅰ段動(dòng)作情況

表5 區(qū)內(nèi)故障時(shí)送出線路系統(tǒng)側(cè)距離Ⅰ段動(dòng)作情況

表6 距離保護(hù)整定值

3）電流起動(dòng)門檻值

送出線路末端三相金屬性接地故障后 CT二次側(cè)的電流波形如圖7所示。由圖7可知，為保證保護(hù)的靈敏性，電流起動(dòng)值應(yīng)當(dāng)小于短路電流值，當(dāng)設(shè)定相電流起動(dòng)值為 0.4A時(shí)，零序電流起動(dòng)值為0.1A。

5.2 繼電保護(hù)動(dòng)作情況

1）送出線路不同位置不同類型故障相電流及保護(hù)起動(dòng)情況

送出線路末端發(fā)生A相接地、AB兩相接地、AB相間故障下CT二次側(cè)的電流及RMS如圖8所示，相電流及起動(dòng)情況見(jiàn)表7。

送出線路50%不同故障下的相電流及起動(dòng)情況整理見(jiàn)表8。

觀察表7和表8可知：?jiǎn)蜗唷上嘟拥毓收?，零序電流很大，遠(yuǎn)大于正負(fù)序電流，造成三相電流相位幅值基本一致，相電流過(guò)流起動(dòng)元件很難選出故障相；兩相相間故障，相電流較小，以此數(shù)據(jù)作為起動(dòng)電流門檻值過(guò)低，造成其他類型故障下三相均起動(dòng)。

2）當(dāng)選相正確時(shí)，不同位置不同類型故障下距離保護(hù)的動(dòng)作情況

當(dāng)送出線路95%處發(fā)生三相金屬性短路，不同類型故障下距離保護(hù)的動(dòng)作情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表9。

綜合以上仿真可知，假設(shè)故障發(fā)生時(shí)起動(dòng)元件能及時(shí)起動(dòng)并選出故障相，則相間和接地阻抗元件均能正確動(dòng)作，不考慮實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)及其他的干擾，在整定范圍附近（5%±）幾乎不會(huì)發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)。

圖7 末端三相金屬性接地故障后CT二次側(cè)的電流

圖8 末端A相接地故障后CT二次側(cè)的電流及RMS

表7 網(wǎng)側(cè)母線（送出線路末端）不同故障下的相電流及起動(dòng)情況

表8 送出線路50%不同故障下的相電流及起動(dòng)情況

表9 送出線路95%位置不同故障下相電流及起動(dòng)情況

6 結(jié)論

通過(guò)以上分析，本文得出了如下主要結(jié)論：

1）送出線路故障時(shí)，表現(xiàn)出的故障特性是正負(fù)序阻抗不相等和弱電源特性。

2）光伏電站送出線路發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流以零序分量為主，發(fā)生相間故障時(shí)，故障電流會(huì)受逆變器限幅的限制，其數(shù)值遠(yuǎn)小于接地故障電流；通過(guò)控制可以實(shí)現(xiàn)故障電流中不再存在負(fù)序分量等故障特性。

3）當(dāng)光伏電站與系統(tǒng)相連的惟一一條送出線發(fā)生故障時(shí)，從故障發(fā)生到光伏電站側(cè)重合閘動(dòng)作前，光伏電站退網(wǎng)運(yùn)行的概率遠(yuǎn)大于并網(wǎng)運(yùn)行的概率，因此送出線重合閘配合方式應(yīng)按照光伏電站退網(wǎng)運(yùn)行的情況來(lái)考慮。

4）光伏電站相對(duì)于大電網(wǎng)是弱饋電源，選相起動(dòng)元件應(yīng)以電壓及其變化量為判定標(biāo)準(zhǔn)，如采用低壓起動(dòng)、電壓突變量起動(dòng)等。另外，在弱饋電源發(fā)生接地故障后，零序電流一般都非常大，可以將零序電流與電壓綜合作為起動(dòng)選相依據(jù)，以提高正確率。

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Effects of PV Power Station on Distance Protection and Automatic Reclosing

Guo Jinxue1Nan Dongliang2Hao Hongyan3Zhang Feng3Zhang Yi1
(1. NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102;2. State Grid Electric Power Research Institute of Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830011;3. Xinjiang Electric Power Dispatching and Communication Center, Urumqi 830011)

The basic principle of distance protection is analyzed firstly. And the effect on transmission line, distance protection in distribution networks and automatic reclosing by PV power station are discussed. Based on the fault characteristics of PV power station and in the premise of convenient project application with allowable error, a model of PV power station short circuit is presented. The model is in voltage source impedance in series form. The fault characteristics of PV power station with different calculation formula of two different sequence impedance is given. The calculation model is added to the conventional grid short-circuit current calculation model. The short circuit current of power system with photovoltaic power station calculating is completed in the model.Based on the segment impedance sets setting of distance, the setting of current starting threshold value,the simulation model is set up. The influence of large-scale photovoltaic access on the short circuit level of regional power grid is studied. The protection starting of transmission lines with different positions and different types of fault phase current is verified. Also the distance protection starting with different positions and different types of faults is verified. Finally, some suggestions are given for the distance protection configuration, reclosing configuration and phase selection element of the grid connected photovoltaic system.

PV power station；distance protection；automatic reclosing；phase selection element

郭金學(xué)（1974-），男，江蘇省南京市人，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。