光伏电站接入对配电网电流保护的影响研究*

孙苗苗，王慧，朱晓荣

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），河北保定071003）

0 引 言

太阳能发电具有污染少、来源广泛、安装地点灵活等优点，被世界各国广泛使用。然而，大量光伏电站接入配电网，在增加系统运行方式灵活性的同时，也增加了系统结构的复杂性，对传统电网的影响也越来越突出［1－3］。

近年来，光伏电站接入对配电网继电保护的影响问题成为了研究的热点［4－6］。文献［7］将分布式电源短路计算模型等效为传统电压源串联阻抗，分析推导了不同位置故障时各处保护短路电流公式及其对配电网保护的影响。文献［8］将光伏电源等效为恒功率模型，定性分析了光伏并网后不同位置故障对馈线各处保护的影响，并进行了仿真验证，指出配电网中接入光伏电源后，原有电流保护不再能够正确反应于故障，需要重新整定动作电流和动作时限。文献［9］定性分析了分布式电源并入配电网不同馈线不同区段以及不同位置发生故障时对原有配网电流保护的影响，并进行了仿真验证。上述文献将光伏电站的短路计算模型单纯的等效为传统电源模型或者恒功率模型，未考虑实际光伏电站的故障特性，对配电网继电保护的影响多是定性分析，并且主要分析故障位置不同对配网电流保护的影响，光伏电站接入对配电网继电保护的影响有待进一步研究。

文章首先探讨了常规控制策略下光伏电站的短路计算模型，然后从短路点位置、光伏电站容量和光伏电站接入位置三方面，分析了光伏电站接入对配电网继电保护的影响，最后在 DIgSILENT/Power Factory软件平台上仿真验证了理论分析的正确性。

1 光伏电站短路计算模型

光伏逆变器是整个光伏电站的核心，光伏电站的故障特性和短路计算模型主要取决于逆变器的控制策略。

光伏逆变器常规控制主要采用基于电网电压定向矢量控制方法实现有功无功解耦控制［10］。一般情况下，外环为功率控制，内环为电流控制，有功功率为最大追踪控制，无功功率控制为0。实际运行中，为了保护逆变器的安全，一般对光伏逆变器输出电流进行限幅，通常为1.2～1.5倍额定电流［11］。

发生不严重故障时，端口电压降低不严重，光伏逆变器的功率外环控制起决定性作用，有功电流增大，但增大后的电流幅值仍在限幅门槛之内。此时经过一个短暂的过渡过程后，光伏发电系统输出功率仍然等于故障前的输出功率，光伏发电系统等效于一个恒功率源。

发生严重故障时，由于端口电压降低，为了保持功率恒定，将输出较大电流，由于受电流内环限幅限制，功率外环将失去作用，双环控制变成了纯电流控制。此时光伏系统的输出电流将变为光伏逆变器的限幅值，等效为一个恒电流源。

综上两种情况，发生故障时，常规控制策略下的光伏发电系统可以等效为一个受控电流源进行分析。

2 光伏电站接入对电流保护影响分析

选取如图1所示的典型配电网模型作为研究对象，推导出不同情况下流过保护装置的短路电流计算公式，并分析光伏电站接入对配电网电流保护产生的影响。

图1 光伏电站接入配电网示意图Fig.1 Schematic diagram of PV power station connecting to distribution network

光伏电站接入配电网等效电路图见图2，系统电源电压为 ES，等效阻抗为 ZS，ZAB、ZBC、ZAC、ZCD和 ZAE分别为线路AB、BC、AC、CD和AE的阻抗。按图1中所述，将光伏电站等效为压控电流源模型。

图2 光伏电站接入配电网等效电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram of PV power station connecting to distribution network

假设α表示线路短路点距离各自系统侧母线的距离占该段线路总长的百分比。另外假设下述故障均考虑为金属性短路，光伏电站接入对配电网电流保护影响分析如下。

2.1 短路点位置对电流保护的影响

假设光伏电站接入点C母线和光伏电站的容量固定，短路点位置对电流保护的影响理论分析如下：

（1）下游线路CD故障

流过保护1和保护2处电流为：

上式分为两部分，第一部分为不含光伏电站时流过保护1的短路电流大小，第二部分为因光伏电站接入后使流过保护1的短路电流的减少。所以，光伏电站的接入会降低上游线路保护1和保护2的灵敏度，甚至可能导致电流保护二段拒动。

流过保护3处电流为：

上式也分为两部分，第一部分为不含光伏电站时流过保护3的短路电流大小，第二部分为因光伏电站接入后使流过保护3的短路电流的增加（保护范围增大）。所以，光伏电站的接入增大了保护3的灵敏性，甚至可能会引起下级线路故障时下游线路保护3的误动，从而失去选择性。

（2）上游线路故障

（a）AB线路故障

流过保护2的短路电流为：

流过保护2处的电流为光伏电站的电流大小，所以可能引起上游线路保护2的反向误动作。

流过保护1处短路电流仅由系统电源提供，与光伏电站接入无关，所以不会对保护1产生影响。

（b）BC线路故障

流过保护1和保护2处短路电流仅由系统电源提供，与光伏电站接入无关，所以对保护1和保护2无影响。

可以看出，上游线路故障时，可能会引起光伏电站接入点到短路点之间的上游线路保护反向误动。

（3）相邻线路AE故障

相邻线路AE故障系统等效电路图如图3所示。流过保护1和保护2处电流仅由光伏电站提供，其大小为：

图3 相邻线路AE故障系统等效电路图Fig.3 System equivalent circuit diagram with fault in the adjacent line AE

流过保护1和保护2处的电流为光伏电站的电流大小，所以可能引起上游线路保护1和保护2的反向误动作。

流过保护4处电流为：

上式也分为两部分，第一部分为不含光伏电站时流过保护4的短路电流大小，第二部分为因光伏电站接入后使流过保护4的短路电流的增加。所以，光伏电站的接入增大了保护4的灵敏性，甚至可能会引起下级线路故障时相邻线路保护4的误动，从而失去选择性。

2.2 光伏电站容量对电流保护的影响

假设光伏电站接入点和故障发生点的位置是固定的，且光伏电站均为额定出力。以下游线路CD故障为例，其等效电路图如图4所示。

图4 下游线路CD故障系统等效电路图Fig.4 System equivalent circuit diagram with fault in the downstream line CD

假设：光伏逆变器输出电流未达到限幅，其为恒功率模型且只输出有功功率，即＝P＋j Q≈P，由节点电压法可得：

式中 A0＝αZCD＋ZS＋ZAC；B0＝αZCDEScosδ；C0＝αZCD（ZS＋ZAC）。

流过保护3的电流大小：

流过保护1和保护2的电流大小：

假设光伏逆变器输出电流达到限幅，设限幅k倍额定电流，由节点电压法有：

式中 A1＝（αZCD＋ZS＋ZAC）UNcosγ；B1＝αZCDESUNcosθ；C1＝kαZCD（ZS＋ZAC）。

流过保护3的电流大小：

流过保护1和保护2的电流大小：

由式（10）、式（11）、式（15）和式（16）可知，光伏电站容量越大，不论光伏逆变器输出电流是否达到限幅，流经其下游线路保护3的电流越大，流经其上游线路保护1和保护2的电流越小。当光伏电站达到一定容量时，可能会对配电网电流保护的配合产生一定影响。

2.3 光伏电站接入位置对电流保护的影响

假设光伏电站容量和故障发生点的位置是固定的，下面研究光伏电站接入位置对电流保护的影响，同样以下游线路线路CD故障为例，其等效电路图如图5所示。其中β为光伏电站接入位置占线路AC总长的百分比。

图5 下游线路CD故障系统等效电路图Fig.5 System equivalent circuit diagram with fault in the downstream line CD

假设光伏逆变器输出电流未达到限幅，同理可得流过保护3的电流大小：

流过保护1和保护2的电流大小：

假设光伏逆变器输出电流达到限幅，流过保护3的电流大小：

流过保护1和保护2的电流大小：

式中 Z（1－β）和Z（β）分别为1－β和 β的一次函数，Z（1－β）＝（1－β）ZAC＋αZCD，Z（β）＝ZS＋βZAC。受篇幅限制，式（17）～式（20）推导不再给出。

由式（17）～式（20）可知，当光伏电站接入位置越靠近系统，即β越小，不论光伏逆变器输出电流是否达到限幅，流过下游线路保护3的电流越小，然而，流过上游线路保护1和保护2的电流不限幅时的电流越大，限幅时存在最小值。

3 仿真分析

配电网电压等级35 kV，系统短路容量为1 000 MW，阻抗比 R/X＝0.1；架空线路 AB、BC、CD和 AE长度分别为20 km、20 km、20 km和30 km，线路单位阻抗为 R＝0.132Ω/km，X＝0.389Ω/km；负荷 LD1、LD2均为10 MW；光伏逆变器限幅1.2倍。采用瞬时电流速断保护和限时电流速断保护构成的两段保护。其中，瞬时电流速断保护可靠系数取1.2，限时电流速断保护可靠系数取1.1。具体各个保护整定值和动作时间见表1。

表1 配电网各保护整定值和整定时间Tab.1 Setting value and setting time of distribution network protection

（1）光伏电站容量和短路点位置对电流保护的影响

（a）CD线路末端发生三相短路故障

由表2，光伏电站容量越大，流经其下游线路保护3的电流也就越大，流经其上游线路保护1和保护2的电流越小。光伏电站并网位置下游线路故障时，接入点到故障点之间的下游线路，线路保护3流过电流增大，保护范围增大，当其容量超过一定值时（表中30 MW），甚至引起了保护3误动，使保护失去了选择性；接入点上游线路保护1和保护2流过电流减小，灵敏度减小，有拒动的可能。

表2 随光伏电站容量变化各保护流过短路电流Tab.2 Short circuit current of the protection varies with PV power station capacity

（b）AE线路末端发生三相短路故障

由表3，相邻线路故障时，接入点上游线路保护1和保护2流过电流与光伏电站送出电流相等，有反向误动的可能；相邻线路保护4流过电流增大，保护范围增大，有误动的可能。

表3 随光伏电站容量变化各保护流过短路电流Tab.3 Short circuit current of the protection varies with PV power station capacity

（c）AB线路末端发生三相短路故障

由表4，上游线路线路故障时，接入点到故障点之间的上游线路保护2流过电流与光伏电站送出电流相等，有反向误动的可能。

表4 随光伏电站容量变化各保护流过短路电流Tab.4 Short circuit current of the protection varies with PV power station capacity

（2）光伏电站接入位置对电流保护的影响

光伏电站固定30 MW，CD线路末端发生三相短路故障。

表5 随光伏电站接入位置变化各保护流过短路电流Tab.5 Short circuit current of the protection varies with PV power station connecting location

由表5可知，光伏电站接入位置越靠近系统侧，下游保护2（接入位置在AB线路上）和保护3故障电流越小，上游线路保护1和保护2（接入位置在BC线路上）不限幅时的电流越大，限幅时出现最小值。

4 结束语

从短路点位置、光伏电站容量和接入位置三个方面分析了对传统配电网电流保护的影响，得到如下结论：

（1）短路点位置在接入点上游，可能引起接入点下游线路保护灵敏度增加甚至误动，接入点上游线路保护的灵敏性降低甚至拒动；短路点位置在接入点下游，可能引起接入点到短路点之间的上游线路保护反向误动；短路点位置在相邻线路，可能引起相邻线路保护的灵敏度增加甚至误动，引起接入点上游线路保护的反向误动；

（2）接入位置下游线路故障时，光伏电站容量越大，不论光伏逆变器输出电流是否达到限幅，流经其下游线路保护的电流越大，流经其上游线路保护的电流越小。当光伏电站达到一定容量时，可能会对配电网电流保护的配合产生一定影响；

（3）下游线路故障时，接入位置越靠近系统，不论光伏逆变器输出电流是否达到限幅，流过下游线路保护电流越小，流过上游线路保护不达到限幅时越大，达到限幅时在某一接入位置时有最小值。