分布式光伏接入配电网继电保护的解决方案

崔查秀

内蒙古电力（集团）有限责任公司阿拉善电业局，内蒙古 阿拉善 750306

0 引言

近年来，经济发展带来的环境问题日益加重，为此我国提倡加大新型清洁能源的开发与应用，以风电与光伏发电为代表的新发电技术获得迅速发展，使能源问题得到有效改善。结合分布发电与大电网，以节约更多的资本与能耗投入，提升电力系统的灵活性和可靠性。为了避免分布光伏接入配电网后对继电保护产生的影响，可对保护配置进行改进，使分布发电的应用问题得到妥善解决。

1 配电网继电保护装置

1.1 无时限电流速断保护（Ⅰ段保护）

在短路故障保护范围内，保护装置在符合常规要求情况下，可以通过增加负荷电流的方式为短路电流提供保护依据，并能够随时切断短路电流。由于其具有无时限保护的特点，动作时间为零，可使保护装置更具选择性。在大部分情况下，保护范围不涵盖该条线路末端。在短路状态下，依靠保护装置的最大短路电路，可对三相短路电流进行整定，整定公式如下：

式中：I1为保护动作电流；K1为可靠系数，取值范围为1.2～1.3；Imax为短路电流最大值。

其中，K1指标的引入可使速断保护区间内保护装置能够靠动作，使短路故障被有效切除。在电力系统中，无论是硬件设备还是软件计算期间均可能产生不同误差，导致实际短路电流超过理论值，同时需要分析必要的裕度，有必要引入可靠系数[1]。

1.2 限时电流速断保护（Ⅱ段保护）

通常情况下，无时限电流速断保护适用于主保护中，但无法对线路全长进行保护，需要与其他方式配合使用。限时电流速断保护可使整段线路得到保护，还可在Ⅰ段保护拒动情况下进行近后备保护，依靠较短的延时将线路中任意位置的故障切除。要想提高整条线路的保护效果，要求保护范围超过该条线路直到线路末端。当该线路起始位置发生故障时，线路中的限时电流速断保护便会开启。为了确保继电保护选择性，可在限时电流保护延迟后再动作，需尽量减少延时，以满足装置的速动要求。该保护模式的整定公式为

式中：Iop1为该线路中动作电流；K1为可靠系数，取值范围为1.1～1.2；Iop2为电流Ⅰ段的动作电流。

为了保障不同段之间的合理保护，限时电流保护动作应超过Ⅰ段的时限，其表达式为

式中：t1为限时速断保护动作时限；t2为电流Ⅰ段动作时限，通常为0 s；Δt为时限阶段。

1.3 过电流保护（Ⅲ段保护）

过电流保护的原理是根据线路选择性要求，当电流发生故障时可通过保护装置，将故障线路切除。此类电流可分为两种：一种是以动作时间为定值进行保护；另一种是动作时间与短路电流为反比时的保护，但动作整定值均相同，即超过线路正常运输电流时，应对继电器中的自启动电流进行复位。整定公式如下：

式中：Ire为返回系数，通常取0.85；Krel为可靠系数，取值范围为1.15～1.25；Kss为自起动系数，取值范围为1～3；ILmax为被保护线路中负荷电流最大值。

为了确保电流的选择性，对动作时间进行分析。该项保护为第三段保护，在每组电流保护中，过电流动作时间均为最长。

2 分布式光伏接入配电网保护的影响

传统配电网结构以放射状为主，在设置保护装置时，可通过三段式电流保护方式，简单高效地完成线路保护工作。但是，分布式光伏与配电网相连后，将对辐射型配电网继电保护产生较大影响，如保护装置拒动、勿动，重合闸不顺利等，在并网后为系统带来的影响较大。以带有单一分布式电源的配网系统为例进行分析，配网系统如图1所示。图1中，QF0～5均为继电保护开关，将分布式电源连接在馈线上[2]。

图1 配网系统图

（1）如果在AB线路中的K1位置发生短路，在QF0断开前，短路电流从电源、分布电源一同传入K1点，在QF1上只流过电源中的短路电流，与K1位置的短路电流相比较短，QF1保护灵敏度减少。此外，在QF1发生动作后，因分布式电源仍然向K1位置传输短路电流，容易将K1位置的瞬时故障变为永久性。

（2）如果在BC线路中的K2位置发生短路，在QF1正式断开前，短路电流从电源与分布电源一同流入K2位置，此时QF2的灵敏度提升。

（3）如果在K3位置出现短路情况，短路电流则从电源、分布电源的位置向故障点K3位置流动，此时QF3上的短路电流值提升，灵敏度也会随之增加。值得注意的是，当短路电流增加到一定值后，容易引发BC线路中的QF2动作，扩大故障范围。

（4）如果在AD线路中的K4位置出现短路，保护动作与K2处的故障相似，短路电流从电源与分布电源一同从超过K4的位置流入，此时QF4位置的灵敏度提高。

（5）如果在K5位置出现短路，保护动作与K2位置相识，短路电流从电源与分布电源一同流入故障位置，此时灵敏度会提升。当短路电流达到一定程度后，也可能造成一级线路保护动作，使故障范围扩大[3]。

3 分布式光伏接入配电网保护方案具体实施

当前，光伏并网系统利用孤岛检测策略，包括电压、电流、频率、相位等方面，均严格按照特定时间间隔进行采集，其中逆变器、光伏列阵输出之间存在紧密联系，可忽视控制器与逆变器间的损耗，使光伏输出与并网间的功率相同。对此，可采取以下措施进行光伏接入配电网保护。

（1）在等功率策略中，光伏输出与用户端负载的消耗基本相同，即光伏并网并不向配电网中传输电能。在此情况下，如果线路出现短路情况，只需判断是否出现孤岛即可。

（2）在欠功率策略中，光伏输出低于用户负载消耗，即光伏并网需要配电网运送给用户端的电能。当线路出现短路故障时，将降低用户端电能输入，即光伏输出难以为用户端提供充足的电能供应，导致电压或电流值发生巨大变化。

（3）在过功率策略中，光伏输出超过用户负载消耗，即光伏并网对配电网传输的部分电能。当线路处于短路状态时，光伏并网侧的电流会瞬间提升，电流变化主要受故障点与线路起始端距离的影响，如果距离较远，则变化相对较小。同时，因分布光伏通常在最大功率点周围分布，即输出功率达到最大。当短路故障发生后，输出功率无法继续增加时，并网电流的增加势必会导致并网电压降低；如果光伏阵列输出电压、电流发生改变，导致光伏并网一侧输出突变则将其忽视。在孤岛检验方面，可对光伏并网侧电压、电流变化原因进行判断，检验其是否因光伏阵列而突然改变，由此可知保护装置是否发生动作。如果并网电流、电压均突然发生变化，则可判定并非由光伏阵列中输出功率突变导致，需要对故障电流、故障区间进行计算，如果Ik＞KkIset（Ik为故障电流，Kk为可靠系数，Iset为设定动作电流），则为保护动作，反之则为并网状态。

在光伏并网电路的DC/DC变换器位置采集光伏输出等数据，在逆变器与电网并联网址采集并网电流、并网电压、配电网传入用户端电能等数据。可见，在孤岛检测过程中，依靠电压、电流、相位等信息便可准确判断配电网线路运行状态，如果判定为故障状态，则可对故障位置进行确定，具体解决方案如下。在正式开始后采集光伏输出电流、电压值，采用最大功率跟踪与并网策略，采集并网电流、并网电压，利用孤岛检测策略，在光伏输入与用户端负载相同的情况下，只保留重要负载，将剩余负载剔除。如果二者并不相同，前者小于后者，则电能值急速降低，光伏切换到孤岛运行模式，将非重要负载剔除，只保留重要负载即可；如果前者大于后者，则并网电流值急速提升，光伏输出增加，对故障电流与位置进行确定，如果光伏输出超过设定电流值，则开始保护动作。

4 结束语

综上所述，在分布电源与配电网相连后，电网内原本的单侧电源辐射变成多侧电网，使继电保护难以满足电网的要求，由此导致电压波动、继电保护、安全控制等影响电网的稳定运行，需要采取有效的解决措施。为此，文章通过分析光伏输出特性，在孤岛检测的基础上对光伏并网端的电压、电流变化情况进行控制，使配电网继电保护要求得到充分满足，顺利实现配电网保护的目标，确保电网与设备的稳定运行。