分布式光伏电源并入配电网的故障探析

颜 慧 胡宏波

徐州供电公司 江苏 徐州 221005

配电网是电力系统与用户连接的关键环节,其运行安全、稳定、可靠的程度直接影响用户电能质量。近年来,随着分布式光伏电源技术的迅猛发展和国家新能源优先调度政策的执行,尤其是大量逆变型分布式光伏电源接入配电网,它对电力系统规划、仿真、调度、控制的影响也引起人们极大关注。光伏并网发电系统没有旋转惯量、调速器及励磁系统,不具备调压、调频以及调峰能力。受其发电特性影响,出力变化大,电压控制困难,对电网会产生一定程度的谐波污染。逆变型分布光伏电源接入配电网后,系统的故障特性与传统配电网不同,原有保护配置方案也不再适用。当线路发生故障后,线路保护的灵敏度下降,导致保护装置误动或拒动、相邻线路的瞬时速断保护失去选择性。同时,逆变型分布式光伏电源接入配电网,使传统配电网由单电源变为多电源结构,配电网中的潮流方向及短路水平等均发生改变。因此,必须重新评估分布式电源对配电网电压和保护的影响,研究新的保护策略。

1 光伏并网发电原理

1.1 光伏发电原理 太阳能电池组件中的半导体光电二极管为光伏发电的核心,是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转换为电能,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。电力系统光伏并网发电采用光-电直接转换方式。

1.2 分布式光伏发电并网 光伏发电并网系统构成如图1所示,主要包含太阳能光伏电池组件、功率跟踪器、蓄电池组、逆变器、控制器和交流电网。不论是独立光伏发电还是并网光伏电,逆变器是核心,直接影响入网电能质量。

2 含逆变型分布式光伏电源的故障特性

2.1 含逆变型分布式光伏电源的控制 逆变型光伏电源的故障特性与其采取的控制策略密切相关。相关研究表明,逆变型分布式光伏电源的非低压穿越控制系统的控制方程如下列公式所示。

式中:Imax为逆变型分布式光伏电源输出电流的限值；Id 为故障电流。

这种控制方式对于配电网非对称故障来说,因分布式光伏电源并网点负序电压分量的存在而无法起作用,必须采用正、负序dq电流控制技术。

逆变型分布式光伏电源容量较电网而言非常小时,当发生故障时不采取低压穿越进行控制,对配电网运行的电压质量影响较小。但是,随着逆变型光伏电源容量不断增加,对配电网电压质量的影响逐步凸显,必须采取低压电压穿越控制。

2.2 含逆变型分布式光伏电源的稳态故障电流特性 对非低电压穿越的逆变型光伏电源故障,当配电系统发生对称故障,Id＜Imax时,逆变型分布式光伏电源恒功率输出,短路电流I与并网点电压U 成反比；当Id=Imax时,逆变型分布式光伏电源恒流输出,输出功率P随并网点电压U降低而减小。当配电网发生非对称故障时,因并网点存在电压负序分量,逆变型分布式光伏电源输出含有负序分量和谐波分量。

对具有低电压穿越的逆变型分布式光伏电源故障,当配电网发生对称故障,Id＜Imax时,输出功率保持不变,短路电流出现跃变；当配电网发生非对称故障时,输出的三相对称短路电流,且没有谐波分量。

3 含逆变型分布式光伏电源的配电网保护配置

分布式光伏电源并入配电网后,将配电网的拓扑结构由放射状单电源变为多电源,配电网潮流分布发生变化,传统的三段式保护配置方案不能适应系统要求。为保证系统出现故障时,能够快速恢复系统正常运行,国内外专业技术人员提出两种办法加以解决:①当系统发生故障时迅速切除逆变型分布式光伏电源,然后通过传统三段式保护恢复系统正常运行,但这种“被动式退出方式”不利于分布式电源的长远发展。②提供适合含逆变型分布式光伏电源的保护策略,系统发生故障时允许逆变型分布式光伏电源在线运行；为此,依据逆变型分布式光伏电源故障电流特性,重新构建配电网保护配置,以适应系统安全、稳定运行的需要。

3.1 含逆变型分布式光伏电源的配电网典型结构 我国传统配电网为辐射状结构,除城市配电网外均为单电源。分布式光伏电源从点D 并入电网,形成双电源结构,从而改变配电网的功率分布、节点电压特性和故障电流特性。

3.2 含逆变型分布式光伏电源的配电网保护整定与校验 限制逆型分布式光伏电源接入容量,选择合适接入点能减小或消除逆变型分布式光伏电源接入对配电网电流保护的影响。通过对各点的故障仿真分析,含逆变型分布式光伏电源的配电网发生相间故障时,流过保护的Imax随接入容量S的增大而出现先增后减特性。

因此,根据故障的电流特性为保证含有逆变型分布式光伏电源的配电网保护的选择性和灵敏性,逆变型分布式光伏电源上游保护所在馈电线路处于接入电源上游时,按照传统速断电流保护进行整定计算；若处在接入电源下游时,取逆变型分布式光伏电源额定功率PN 输出和0功率输出时两者短路电流较大者进行断流速断保护和限时电流速断保护的整定计算。同时,根据逆变型分布式光伏电源实际功率与额定功率PN 之间的大小关系进行整定校验。

结语

综上所述,逆变型分布时光伏电源的接入,使配电网由传统的辐射状单电源结构变为多电源结构,从根本上改变了配电网的潮流分布和故障电流特性,造成配电网传统保护策略失效,保护装置的选择性降低甚至拒动或误动。