考虑低电压穿越的光伏电站对并网线路差动保护影响研究

赵天乐

南京理工大学 江苏 南京 210094

0 引言

近几年来，光伏产业的快速发展使其成为电力系统发展的“主力军”。特别是自2010年底国网公司出台了《光伏电站接入电网技术规定》，其中明确提出对光伏电站低电压穿越(Low Voltage Ride-Through，LVRT)的技术要求，进一步完善了我国光伏发电技术。与传统双端电源网络不同，光伏并网技术目前多依赖于电力电子装置，且不具有旋转惯性，导致含光伏发电系统的双端网络甚至多端网络复杂程度增加。且由于光伏电站自身的特性及受到LVRT等多种控制策略的影响，在日常频发的短路故障后，其表现出来的故障特性不同于常规发电方式，势必会对电网传统的继电保护方式带来一定的影响，导致现行的继电保护配置及灵敏度不能完全适应光伏电站的要求。特别是当并网线路发生故障时，如果不能及时采取适当的保护措施，将会导致光伏电站脱网，对整个电力系统的稳定运行造成严重威胁。

线路差动保护是利用故障发生时输电线路两端电流和的特征来区分区内故障还是区外故障从而快速、准确切除保护区内故障，常作为输电线路的主保护。而含有光伏电站的系统中，当并网线路发生故障时，需要比较的两侧“同时刻”电流信息由于受到LVRT的电流限幅控制策略的影响，导致与传统输电线路不同。由于光伏电站的弱电源特性会造成送出线路的光伏侧电流保护不能启动，电流差动保护灵敏度虽下降但仍正常动作。因此，本文着重分析光伏电站对并网线路差动保护产生的影响并提出一种采用浮动门槛的比率制动式分相差动保护。

1 光伏电站LVRT控制策略

大型光伏电站的发电原理是利用“光生伏特效应”，将太阳能直接转换成电能，但太阳能电池发出的电为直流电，需要通过逆变器转换为满足电网要求的交流电。大型并网光伏电站由光伏电池阵列、直流变换器、逆变器组成，其中最关键的部分就是逆变器，因此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。

近几年来随着光伏发电系统装机容量的增加，若在故障发生的第一时刻直接选择将光伏发电切除，将会造成电网电压、频率振荡，危害电能质量，因此在新的技术规定中对故障期间的电压穿越作出了新的要求。LVRT是指当电网扰动或故障引起逆变器并网点（Point of Common Coupling，PCC）电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，光伏发电系统能够不间断的并网运行，并根据电压跌落的程度，为电网提供一定的无功支撑。在对称短路故障中为了能够实现LVRT，一是要限制交流侧电流超过允许范围以防止过电流现象的产生；二是要在限制电流的基础上消耗或者存储直流母线上积累的功率以防止直流电压上升。而当电网发生不对称故障时，由于负序电压的存在，将引起直流电压出现震荡，当震荡幅度过高时也将引起过电压，从而导致交流侧电流过高。从两种故障类型所导致的结果来看，LVRT技术的核心就是要限制逆变器交流侧电流的大小，防止在故障发生时过电流保护或其他继电保护方式动作将光伏电站切除，从而实现故障期间的光伏电站并网运行。考虑到这两种类型的故障，本文提出了一种基于正序分量的控制策略，即提取并网点电压的正序分量，与稳态情况下的正序分量大小作比较，具体LVRT控制策略为：

与传统电网双端电源发生短路故障相比，由于光伏侧提供的短路电流幅值大小受到限制，相位也与有功、无功电流有关，因此与电网侧提供的短路电流相比，两者之间存在显著地差异。因此传统电网继电保护方式的判据也将会受到影响，可能会导致原有保护方式的失灵，引起保护的误动或保护的灵敏度降低。

2 光伏电站对并网线路差动保护影响分析

电力系统稳态下，光伏逆变器的常规控制采用的是基于电网电压定向的双闭环控制。而当并网线路发生短路故障时，并网点电压将会发生较大程度的跌落，系统侧将输出较大的短路电流。而光伏侧由于受到LVRT电流限幅控制策略的影响，将输出与稳态电流相差不大的短路电流，这将会对传统输电线路的差动保护产生影响。

在并网线路发生相间短路一瞬间，对于电流幅值大小来说，由于光伏电站逆变器采用LVRT控制策略，因此光伏侧输出的短路电流很小，其值只有1.1倍的额定电流。系统侧由于并没有采取控制策略，因此在并网线路发生故障时短路电流值与常规线路相比并无异常，故障相电流大小会发生较大的上升。而对于电流相位来说，光伏侧由于受到LVRT控制策略的影响会产生无功电流，因此势必会导致系统功率因数的改变。此时光伏侧提供的短路电流相位超前于电压，导致故障点两侧电流相位并不是完全反向，而是夹角小于180度。

差动保护的灵敏度定义为：

为提高含光伏电站的电网差动保护的灵敏度，本文差动保护的整定值采用根据短路电流的大小调整的浮动门槛。图1给出了带制动线圈的差动继电器原理图。这种原理的差动继电器有两组线圈，制动线圈流过两侧互感器的循环电流为，在正常运行和外部短路时制动功率增强，在动作线圈中流过两侧互感器的和电流，在内部短路时制动功率减弱，而动作的功率极强。

3 仿真验证

3.1 暂态故障模型

针对上文的分析，本小节将对含大型光伏电站的系统并网线路发生相间短路故障时，所提出的采用浮动门槛的比率制动式分相差动保护性能进行仿真验证。

由于受到LVRT控制策略影响，在发生故障时若检测到并网点正序电压发生跌落，将立即断开电压外环，变双闭环控制为单电流限幅控制，因此光伏电站在故障期间可用受控制的电流源来代替，并利用PSCAD软件搭建了含光伏电站的暂态故障仿真模型。

3.2 仿真分析

比率式差动保护的动作条件为：

1.差动电流需大于最小动作电流；

主要分布在山间河谷漫滩中，含水层由第四系上更新统别拉洪河组冲积砂砾石组成，其中含约15%的黏性土，含水层厚度2.6～6.8 m，越向山间蔓延含水层越薄。单井涌水量为10 ～100 m3/d，渗透系数 5.0～10.0 m/d。

2.故障发生时的差动电流需大于此时的制动电流。

根据以上两条动作条件在PSCAD软件中搭建了差动保护模型，以并网线路发生AB两相短路故障为例，对比率制动式差动保护的动作特性及灵敏度进行仿真验证。

AB两相短路时各相保护动作特性仿真结果如图3所示。

图2 AB两相短路时各相制动/差动电流

通过分析图3所示的仿真结果可以清楚的看到，当采用分相比率制动式差动保护时，当发生两相相间短路故障，故障相的差动电流都大于此时的制动电流值，能够可靠动作，而非故障相制动电流值大于差动电流，保护不动作。

为验证研究采用的比率制动式差动保护能够提升保护灵敏度，其故障相灵敏度仿真结果如图8所示。

图3 AB两相短路时故障相灵敏度

对比带有比率制动式差动保护及传统保护的灵敏度可以看出，当采用传统保护时，由于光伏电站的接入，保护灵敏度有一定程度的下降，故障相灵敏度约在1.4左右，而当采用比率制动式差动保护时，故障相的灵敏度并没有受到光伏电站逆变器LVRT控制策略的影响，较传统保护灵敏度有一定程度的提升，维持在2.1左右，符合差动保护灵敏度的要求。因此本文提出的在并网线路发生故障采用比率制动式差动保护的方法对提高含光伏电站的并网线路差动保护的灵敏度有较好的效果。

4 结论

本文考虑到最新的光伏电站接入电网的规定，对并网光伏电站的LVRT能力进行分析，在研究目前LVRT控制策略基础上，考虑到不对称故障提出了一种提取并网点电压正序分量作为参考分量的方法，并基于此对光伏电站对并网线路的差动保护影响进行了研究。传统差动保护由于光伏电站逆变器在故障时采用单电流限幅控制策略，造成流入差动继电器的电流明显减小，与网侧短路电流大小、相位存在很大差异，因此导致传统差动保护灵敏度降低。因此本文提出了一种采用浮动门槛的比率制动式分相差动保护，并通过仿真验证该保护能够在发生短路故障时保证故障相快速、可靠动作且非故障相不发生误动，可选择此保护作为并网线路的主保护。