并网光伏电站对配电网保护影响的研究

张爱兰

(武汉大学，湖北武汉 430072)

光伏电源的接入对配电网的故障电流以及故障切除时间产生影响，主要与光伏电源的容量和接入地点有关〔1〕。与同步发电机的故障电流不同，光伏电源提供故障电流取决于光伏逆变器的最大电流和持续时间限制，其大小一般为1.2～1.5倍的逆变器额定负载电流。光伏电压故障电流持续时间与逆变器的换流方式相关，采用自换流的光伏逆变器其故障电流持续时间长于电网换流光伏逆变器。而且光伏电源的接入地点不同，对保护装置的影响也不同，下面针对单个光伏电源接入配电线路不同位置时，对配电网保护动作的影响进行分析。

由于分布式电源接入点不同，对各处保护的影响将不同，分布式电源接入点的情况可以分为馈线始端母线上、馈电线路中间母线上和馈电线路末端母线上，光伏电源对配电网保护的影响可归纳为〔2〕:

1)相邻馈线故障时，反向故障电流可能导致本馈线保护误动;

2)光伏电源下游故障时，流过光伏电源下游保护的故障电流增加，有利于保护的动作，但可能使下游保护的电流速断保护范围延伸至下一条线路，使电流速断保护失去选择性;

3)光伏电源上游故障时，流过光伏电源上游保护的故障电流只由系统提供，此时光伏电源的接入不对上游保护构成影响。

受光照强度和温度的影响，光伏电源的输出功率并不是始终恒定的，而是随时变化的〔3〕。光伏逆变器在白天直流母线满足并网要求时，输出功率按最大功率点跟踪 (MPPT)输出，在夜间一般处于停运状态。光伏电站的输出功率随机变化，外部故障时提供故障电流，故障电流大小被限制在2倍额定电流以内，因此当配电网中有多个光伏电站或者其他分布式电源接入时，可以考虑采用距离保护或是基于通信的纵差保护等其它保护原理，从而有效地判别电网故障。

1 配电网算例模型

光伏电站所在馈线及相邻馈线发生故障时，对各馈线保护的选择性、灵敏性、可靠性及自动重合闸装置的正确动作都有较大的影响〔4〕，本文利用PSCAD/EMTDC建立一个10 kV配电网算例模型(如图1所示)，为研究相邻馈线发生故障时光伏电站对所在馈线及相邻馈线的保护的影响，所建立的配电网模型由多条馈线构成，图中馈线3为无故障线路，用于等效于该配网的其他正常并联运行的馈线〔5〕。

图1 配电网算例模型

为进行继电保护整定计算，需要了解10 kV母线的系统等效阻抗。由于中压配电网经过输电网、高压配电网连接到发电厂，距离系统电源的电气距离比较远，因此考虑最大运行方式和最小运行方式下的短路容量时没有太大变化，以并网光伏电站接入的某变电站为例，其最大运行方式和最小运行方式的系统阻抗值分别为Xsmax=0.424 8Ω，Xsmin=0.510 0Ω;线路的单位阻抗参数为z=(0.27+j0.35)Ω/km，表1为配电网每段线路的阻抗值，其中线路AG等效于10条并联运行的12 km馈线;光伏电站的容量为1 MW;仿真中负荷为恒阻抗模型，最大负荷时每条馈线均带有3 MVA功率因数为0.9(滞后)的等效负荷。

表1 配电网线路参数

2 光伏电站对配电网保护的影响

距离光伏电站较远处发生故障，故障时光伏电站公共接入点电压不低于50%，仿真时认为光伏电站在故障前后的光照强度不变，而且取光照强度为1 000 W/m2的故障电流最大的情况进行研究，此时光伏逆变型的控制策略是维持故障前后输出的有功功率和无功功率 (无功为0)不变。图2至图4分别是光伏电站相邻馈线10 km处发生三相短路故障时，光伏电站的输出有功功率、公共接入点电压、公共接入点电流的波形。从图中可以看到距光伏电站电气距离较远处发生三相故障时，电站公共接入点电压下降为额定电压的0.86倍，光伏电站输出功率仅有2.5%的略微减小，此时光伏电站的输出电流上升到额定电流的1.15倍左右。

图2 远处三相短路时光伏电站输出有功功率 (1 000 W/m2)

图3 远处三相短路时光伏电站公共接入点电压 (1 000 W/m2)

图4 远处三相短路时光伏电站公共接入点电流 (1 000 W/m2)

通过大量仿真可以得出结论，当距光伏电站较远处发生故障且电网电压下降小于50%时，由于光伏逆变器的快速响应，将使故障发生瞬间光伏电站的输出功率基本保持不变，故障导致光伏电站公共接入点电压下降后，其供出的电流将与电压成反比增加，电网电压降幅小于50%，因而逆变器的输出电流被限制在2倍的额定电流以内。为了计算配电网不同地方发生短路故障时，光伏电站提供的故障电流大小，以分析其对配电网的短路电流分布改变及对配电网原有的继电保护方案产生的影响。分析可知，光伏电站接入对配电网保护的影响程度主要由光伏电站的容量和接入点与故障点的距离决定。因此将针对不同接入点情况，在光伏电站的容量发生改变的时候，对不同的故障点位置系统最大运行方式下发生三相短路的情况分别进行短路电流计算〔6〕。

2.1 下游发生故障对保护2的影响

如图1所示，选取线路CD段距离C母线5%处K3点发生故障时，由于光伏电站对故障电流起到助增作用，保护2的电流速断保护范围会增加，有可能延伸到下一段线路，从而失去选择性。表2是利用PSCAD/EMTDC计算得到光伏电站不同容量时流过保护2的电流以及光伏电站的故障电流。

表2 下游CD线路5%处发生故障

图5为K3处发生故障流过保护2的故障电流、光伏电站的故障电流和保护2的电流速断保护动作电流，可以看出线路CD的5%处K3点故障时，当光伏电站未接入馈线时，则保护2的保护范围没超过BC线路全长，故障位于保护2电流速断保护范围外。但光伏电站接入母线C之后，随着注入容量S的增加，流过保护2的故障电流增大，当光伏电站容量大于15.51 MW时，流过保护2的故障电流超过其电流速断整定值。此时若K3处发生故障，保护1，2都将瞬时动作切除线路BC和CD，馈线保护失去选择性。

图5 下游发生故障流过保护2及光伏电站的故障电流

2.2 下游发生故障对保护3的影响

同样算例中保护3的电流速断保护范围为31.9%的CD线路，当保护范围外 (CD线路的70%处)故障时，经过仿真计算得到结果如图6所示，当光伏电站容量大于6.93 MW时，流过保护3的故障电流会超过保护3电流速断的整定值，而当光伏电站容量大于35 MW时流过保护2的故障电流大于保护2的限时电流速断保护整定值，使保护2的电流二段保护和保护3失去选择性。通过计算得到的光伏电站不同容量时流过保护2的电流及光伏电站的故障电流见表3。

图6 下游发生故障流过保护3及光伏电站的故障电流

表3 下游CD线路70%处发生故障

2.3 下游发生故障对保护1的影响

图7 下游发生故障流过保护1及光伏电站的故障电流

表4 下游BC线路25%处发生故障

故障点K2在距母线C为线路BC全长的25%处，故障时流过保护1的故障电流以及光伏电站故障电流有效值如图7所示。保护1的限时电流速断作为保护2的远后备保护，应在保护2不能瞬时切除故障时动作，但是光伏电站接入后随电站容量的增加，流过保护1的故障电流不断减小，当光伏电站容量超过5.73 MW时，流过保护1的故障电流将小于保护1的限时速断整定值，此时保护1可能无法作为保护2的后备保护。计算得到的光伏电站不同容量时流过保护2的电流及光伏电站的故障电流见表4。

3 结论

光伏电源 (PV)发电作为一种新兴的高效、环保的发电技术，近年来获得飞速发展。然而大量PV的并网运行，将深刻影响配电网络结构以及配电网中短路电流的大小和流向，给配电网的继电保护带来诸多不利影响。

本文结合相关理论和仿真验证，分析了光伏电站下游发生故障时对馈线1各个保护的影响，光伏电站下游的电流速断保护的保护范围会增大，严重时会延伸到下一条线路上，与下一条线路的电流速断保护冲突，失去选择性;限时电流速断保护和下级线路保护的过流保护可能失去选择性。

同时可以看出，PV对配电网影响与PV容量大小有关，并入系统的PV容量不宜过大，在PV容量较大时，为尽量避免这种不良影响，可以事先校验各极端情况下的电流保护定值等，必要时还可以考虑为电流保护加设方向元件，有益于分布式发电在电力系统中的推广和应用。

〔1〕赵彦，程虹，罗路平.光伏电源接入配电网对馈线继电保护的影响〔J〕.江西电力.2010，34(3):10-12.

〔2〕周卫，张尧，夏成军，等.分布式发电对配电网继电保护的影响〔J〕.电力系统保护与控制，2010(3):1-5，10.

〔3〕张琪祁.大型光伏电站接入电网的技术和特性研究〔D〕.浙江大学硕士学位论文，2011.

〔4〕赵平，严玉廷.并网光伏发电系统对电网影响的研究〔J〕.电气技术，2009(3).

〔5〕钟慧荣，蒋秀洁.PSCAD在电力系统分析实验教学中的应用〔J〕.实验科学与技术，2008(6):72-75.

〔6〕曹景亮，分布式电源对配电网继电保护的影响研〔D〕.华中科技大学硕士学位论文，2008.