基于RTDS建模的分布式光伏对配电网影响研究

龙雪梅，严亚兵，丁禹，欧阳宗帅，贺思林

(国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

0 引言

为实现“碳达峰、碳中和”目标，光伏等新能源将大规模接入电网。截至2020年底，湖南电网的光伏装机容量为390.7万kW。根据规划，到2030年和2060年湖南电网的光伏装机容量将达到3 000万kW和6 000万kW。国家能源局综合司明确提出开展整县推进屋顶分布式光伏建设工作。大量分布式光伏并网会给配电网带来过电压、故障时电流减小、保护拒动等诸多挑战[1－3]。因此有必要从电压、电流和继电保护角度分析大规模分布式光伏接入配电网所产生的影响。

目前，已有不少文献针对光伏接入配电网开展了研究，针对分布式光伏配电网中的电压问题，文献[4－7]分析了影响配电网电压波动的主要因素以及不对称故障下分布式光伏低电压穿越期间的谐波特性。文献[8－9]考虑电压等因素研究了光伏并网的最大容量问题。对于故障特性这一方面，文献[10－11]通过建立光伏和配电网的仿真模型、故障仿真，分析了含分布式光伏配电网的故障特性以及光伏接入对短路电流的影响，并研究了光伏系统接入位置、接入容量对电网电压和系统网损影响。关于继电保护，文献[12－14]研究了分布式光伏接入配电网后对继电保护的影响及解决措施。文献[15]针对重合闸问题，考虑光伏容量、本地负荷和故障位置讨论了光伏接入对于重合闸的影响，并给出了分布式光伏接入配电网的重合闸配置方式。文献[16－22]分别从潮流、谐波、网损、电能质量、风险评估几个方面综述了分布式光伏接入配电网的影响。

本文主要针对分布式光伏接入配电网后对电压、电流和继电保护产生的影响展开研究，以便更好地推进分布式光伏接入配电网。

根据配电网典型结构和分布式光伏系统，建立基于RTDS的分布式光伏接入配电网仿真模型，并仿真得到分布式光伏在不同渗透率、不同位置发生不同类型故障时的配电网情况，进而从电压、电流和继电保护三个角度分析分布式光伏接入配电网以后所带来的影响以及改进措施。

1 基于RTDS的分布式光伏接入配电网仿真模型

典型配电网结构如图1所示，分布式光伏通过DYn11变压器接入10 kV配电网，系统主要设备及模型参数见表1。

图1 分布式光伏接入配电网典型结构

表1 系统参数表

基于RTDS仿真平台搭建分布式光伏接入配电网的系统仿真图，含分布式光伏的配电网仿真图如图2所示。

图2 基于RTDS的含分布式光伏配电网仿真图

2 分布式光伏对配电网电压与电流的影响

2.1 分布式光伏渗透率对电压与电流的影响

分析分布式光伏不同渗透率对配电网母线电压、光伏接入点高压侧S2电压和线路末端高压侧S3电压的影响，仿真结果如图3所示。

图3 分布式光伏不同渗透率时的配电网电压

根据图3可知，分布式光伏的接入对光伏接入点和线路末端的电压有抬升作用，并且渗透率越高，电压抬升的程度越明显，分布式光伏对母线电压无影响。分布式光伏的接入有助于改善远距离供电线路末端负荷的低电压问题。如果分布式光伏渗透率较高，光伏接入点附近的用户可能面临过电压问题。

分布式光伏不同渗透率时，断路器K0—K6的电流分别为Ik0—Ik6，如图4所示。

图4 分布式光伏不同渗透率时的配电网电流

根据图4可知，分布式光伏接入配电网以后，由于分布式光伏提供能量，所以系统提供的能量有所减少，系统电流I0减小，同时光伏接入点上游K2的电流I2也减小，并且光伏渗透率越大，系统电流减小的越多。当渗透率达到一定程度后，配电网将由从系统获取电量转变为向系统提供电量，流过K0、K2的电流方向将发生转向，具体由负荷以及光伏输出功率大小决定。由图4可知，光伏接入线路从由系统提供电量转变为由光伏提供能量，因此K3的电流幅值从逐渐减小到逐渐增大，电流方向从流向用户到流向母线。分布式光伏接入后对相邻线路K1、光伏接入点下游K4、K5、K6的电流无明显影响。

2.2 故障时分布式光伏对电压与电流的影响

当分布式光伏渗透率为30%时，分析在相邻线路Ⅰ、光伏接入点上游Ⅱ、光伏接入点下游Ⅲ发生单相接地故障、相间短路故障、三相短路故障时，分布式光伏对配电网电压和电流的影响。当配电网没有发生故障时的电压和电流见表2。由于断路器K4和K6无跳闸功能，仅设置故障时告警，所以分析时忽略。

表2描述了光伏接入以后配电网电压和电流的变化情况，分布式光伏接入配电网使光伏接入点电压和线路末端电压抬升，使电网提供的电流、光伏接入点上游电流减小，使光伏所在线路和光伏接入点下游电流增大。分布式光伏接入配电网对母线电压和相邻线路电流无影响。

表2 无故障时配电网电压和电流大小

2.2.1 单相接地故障

当配电网单相接地故障发生在不同位置时，有无分布式光伏接入的故障相电压和故障相电流见表3、表4。

表3 单相接地故障时有无分布式光伏的配电网电压大小

表4 单相接地故障时有无分布式光伏的配电网电流大小

分析表2—4可知，光伏的相邻线路发生单相接地故障以后，分布式光伏接入使母线电压抬升，使光伏接入点和线路末端电压下降。光伏接入点上游发生单相接地故障以后，由于无故障时分布式光伏出力使上游电流减小，所以故障时母线电压下降。光伏接入后使光伏接入点和线路末端电压上升。光伏接入点下游发生单相接地故障以后，光伏接入使母线电压、光伏接入点电压和线路末端电压下降。无论单相接地故障发生的位置改变，配电网电流的变化情况都不受分布式光伏接入的影响。

2.2.2 相间短路故障

当配电网相间短路故障发生在不同位置时，有无分布式光伏接入配电网的最低电压和最大电流见表5、表6。

表5 相间短路故障时有无分布式光伏的配电网电压大小

表6 相间短路故障时有无分布式光伏的配电网电流大小

分析表2、表5、表6可知，光伏的相邻线路发生相间短路故障以后，由于分布式光伏的出力，使母线电压、光伏接入点电压和线路末端电压增大。光伏接入点上游相间短路以后，由于光伏出力使上游电流减小，所以母线电压下降，光伏接入点电压和线路末端电压增大。光伏接入点下游发生相间短路故障以后，由于故障距离母线较远，所以分布式光伏接入对母线电压几乎无影响，使光伏接入点电压和线路末端电压增大。无论相间短路故障位置是否改变，分布式光伏接入后都使系统电流、光伏接入点上游电流减小，使光伏所在线路电流增大，但对相邻线路电流和光伏接入点下游电流无影响。

当相间短路发生在Ⅱ位置时，分布式光伏接入以后，因为光伏需要输出功率，所以使所在线路故障相电流的相位从同向变为反向，如图5、图6所示。

图5 无分布式光伏时流经断路器K3的电流

图6 有分布式光伏时流经断路器K3的电流

2.2.3 三相短路故障

当配电网三相短路故障发生在不同位置时，有无分布式光伏接入的故障电压和故障电流见表7、表8。

表7 三相短路故障时有无分布式光伏的配电网电压大小

表8 三相短路故障时有无分布式光伏的配电网电流大小

分析表2、表7、表8可知，光伏的相邻线路发生三相短路故障以后，分布式光伏接入使母线电压、光伏接入点电压和线路末端电压抬升。光伏接入点上游发生三相短路故障以后，由于故障使光伏孤岛运行，因此光伏对电网侧系统无影响，光伏系统中的电压有所下降，并且电压有所波动。光伏接入点下游发生三相短路故障以后，因为故障距离母线较远，所以分布式光伏对母线电压无明显影响，光伏接入使光伏接入点电压和线路末端电压抬升。

光伏相邻线路发生三相短路故障以后，分布式光伏接入时光伏会向电网侧提供电流，使光伏接入点上游电流幅值增大、方向反向。光伏接入点上游发生三相短路故障以后，由于故障使光伏孤岛运行，因此光伏对电网侧系统几乎无影响，但光伏系统的频率可能失稳。光伏接入点下游发生三相短路故障以后，流过断路器K2的短路电流I如式(1)所示，由于光伏对故障电流具有分流作用，由系统提供的故障电流I随着分布式光伏Ipv的增大而减小。

式中，母线电压为E，分布式光伏输出的电流为Ipv，等效系统阻抗为Xs，各线路的阻抗为X1、X2、X3、X4、X5、X6，如图1所示。

无论三相短路故障发生的位置改变，分布式光伏接入后都使系统电流减小，使光伏所在线路电流幅值增大，对相邻线路电流和光伏接入点下游电流无影响。

3 分布式光伏对配电网继电保护的影响

3.1 过流保护

当分布式光伏接入点下游发生相间短路或三相短路故障时，分布式光伏的接入会使光伏接入点上游的短路电流减小。当系统处于最小运行方式时，线路末端相间短路的故障电流最小，如果此时过渡电阻较大，分布式光伏的渗透率较高，光伏接入点上游的短路电流减小得多，可能使短路电流减小到继电保护整定值以下，导致线路过流保护Ⅱ段拒动。

3.2 重合闸

当故障发生后，在保护跳闸到重合闸这个时间段，若分布式光伏防孤岛保护未动作，则极有可能发生非同期合闸，产生较大冲击电流影响一次设备，或导致重合闸失败。因此，当分布式光伏渗透率高时，需要重新整定重合闸的动作时间，保证分布式光伏的防孤岛保护动作后再进行重合闸。

3.3 其他继电保护

对于配电网的其他继电保护，由于故障期间分布式光伏最多只能提供1.5倍额定电流的故障电流，光伏可以提供的故障电流有限，即使流经断路器的电流反向也不会使继电保护动作，因此分布式光伏不会对其他继电保护动作产生影响。

4 结论

1)电压方面:分布式光伏接入配电网会抬升整体的电压水平，光伏接入点附近用户可能面临过电压问题。三相短路故障发生在光伏接入点上游会导致光伏孤岛运行，使光伏所在配网的电压和频率失稳。

2)电流方面:分布式光伏接入配电网后，会使电网提供的电流减小，使光伏所在线路和光伏接入点上游线路电流减小甚至反向增大，使光伏接入点下游线路的电流略微增大，对相邻线路电流无影响。光伏接入配网后故障线路的短路电流将增大。

3)继电保护方面:光伏接入配电网以后，下游发生故障时电网提供的故障电流会降低，可能造成线路出口断路器拒动，需要重新计算过流保护整定值。分布式光伏接入后可能造成线路故障时的重合闸失败，需要重新整定重合闸的动作时间。分布式光伏接入对配电网其他继电保护无影响。