分布式光伏接入配电网继电保护研究

董玉辉

（华电山东新能源有限公司，山东 济南 250000）

0 前言

随着社会经济发展，发电给环境所造成影响变得更加直观，为实现持续发展目标，政府提出应大力开发并运用清洁能源，包括光伏发电、风电在内的很多新技术均因此而得到了大范围推广，此举可在一定程度上缓解能源紧张的局面。为实现控制能耗和节约资本的目标，相关人员指出应在配电网中接入分布光伏，希望能够使配网的可靠性、灵活性得到提升。

1 什么是分布光伏发电

现阶段，具有超高压、远距离、大电网和大容量特点的集中发电系统，已在生产和分配电能的过程中得到了推广。考虑到大电网发电往往要消耗大量能源，同时还会造成雾霾、气候变暖等问题，有关人员指出应对发电模式进行升级，充分利用光伏、风电等能源，弥补大电网发电所存在不足，在保证发电质量及效率的前提下，控制能耗与投资，使电力系统的灵活性、可靠性达到预期。

分布光伏发电的特点是经由光伏组件将太阳能尽数转换成电能，并确保其得到充分利用，要求相关单位在用户周围对发电系统进行建设，由用户自行发电并对其加以使用，同时对剩余电量做上网处理。与常规发电模式相比，该模式具有布局分散、因地制宜还有高效清洁的优点，可利用太阳能替代不具备再生能力的传统能源，符合当今社会所提倡的节能减排理念。

2 光伏特点说明

光伏输出往往具有极强的非线性特点，同时和光照强度密切相关，如果存在部分遮蔽的情况，输出特点将变得更加复杂。研究表明，在外界温度维持在35℃、光照强度变化处于100W/m~1000W/m时，光伏输出所对应功率最大点相同。研究表明，无论处在何种情况下，光伏均有功率最大点存在，但在光照强度相同的前提下功率最大点仅有一个，如果对其进行部分遮蔽处理，则会获得多个功率最大点。基于功率最大点所衍生出跟踪策略，可使光伏输出电能得到显著提升。现阶段，该策略已得到了十分广泛的运用。

2.1 建立模型

光伏电路的等效关系式如下。

式中：代表输出电流；代表输出电压；I代表二极管内所流过电流量，单位是A；I代表暗电流，即反向饱和电流，单位是A；I代表光生电流，单位同样是A；R代表并联电阻，单位是Ω；代表串流电阻，单位同样是Ω；代表电子电荷，取值为1.6×10C。代表玻尔兹曼常数，其取值为1.38×10J/K；代表光伏温度的绝对值，取值为+273，其中，为实际温度。代表品质因子。

由此可得出以下表达式。

式中：代表输出电流。考虑到的数量级通常是mΩ，R数量级通常是Ω，可将上述表达式简化为以下公式。

若光伏处于开路状态，则的取值为0，此时，便可推测出以下公式。

式中：V代表开路电压，代表电压最大值，对应的反向饱和电流取值如下。

如果光伏处于短路状态，I往往可以忽略不计，则光伏短路电流与输出电流值相等，简单来说，就是I和的值相等。

式中：代表光伏输出功率。一旦外界光照强度还有环境温度发生变化，光伏所输出功率就会发生变化。

2.2 特点说明

光伏输出往往具有极强的非线性特点，同时和光照强度密切相关，如果存在部分遮蔽的情况，输出特点将变得更加复杂。研究表明，当外界温度维持在35℃、光照强度变化处于100W/m²~1000W/m²时，光伏输出所对应功率最大点相同。如果对其进行部分遮蔽处理，则会获得多个功率最大点。

3 继电保护装置分析

3.1 无时限保护

除特殊情况外，保护装置只需对负荷电流进行增加，便可起到保护短路电流的作用，此外，该装置还能够突破外界因素所带来制约，在任何时间做出切断短路电流的动作。由于该装置满足无时限保护的要求，同时其动作时间是零，相关人员可酌情对保护范围加以调整，一般来说，线路末端均不在受保护的范围内。如果出现短路情况，只需凭借短路最大电路，便可完成整定短路电流的工作，整定公式如下。

式中：代表保护电流。代表可靠系数，其取值往往在1.2~1.3。代表最大短路电流。

加入的目的，主要是保证保护装置只需凭借常规保护动作，便能够快速且彻底的切除短路故障。对电力系统而言，软件计算和硬件设备均有极大概率产生误差，进而出现实际电流较理论短路电流更大的情况，由此可见，对必要裕度进行分析很有必要，引入可靠系数的重要性有目共睹。

3.2 限时保护

一般来说，无时限保护更适合主保护，而难以做到为线路全长提供保护，只有搭配其他保护方式共同使用，才能使保护效果达到预期。限时保护通常可为整段线路提供保护，同时保证在无时限保护没有做出动作时，通过提供后备保护的方式，快速排除线路故障。事实证明，要提升保护效果，关键是要将线路末端划入保护范围，保证保护装置在起始点出现故障时能够及时开启，随着延时得到控制，装置所提出速动要求自然可以得到满足。对应整定公式如下。

式中：I代表动作电流。仍然是可靠系数，其取值在1.1~1.2。I代表无时限保护段电流。为确保各段均能够得到有效保护，相关人员指出限时保护应在无时限保护后开启，对应表达式如下。

式中：代表限时保护时限。代表无时限保护时限，除特殊情况外，其取值均为0。Δ代表时限所处阶段。

3.3 过电流保护

该保护模式强调以线路所提出选择性要求为依据，确保在故障出现时，保护装置能够尽快切除故障线路，以免给配网造成更严重的影响。一般来说，该电流均可以被分成以下两类，一是将动作时间作为定值并提供保护，二是在短路电流、动作时间成反比时，为其提供相应的保护。这里需要注意一点，上述两类电流所对应动作整定值一致，简单来说，就是在运输电流超过额定限值时，通过复位继电器电流的方式，达到保护的目的。过电流保护的整定公式如下。

式中：I代表返回系数，其取值为0.85。K代表可靠系数，在该模式中，其取值在1.1~1.2。K代表自启动系数，对应取值范围是1~3。I代表被保护电流所能承受最大电流。I代表运输电流。

出于为电流所具有选择性提供保证的考虑，相关人员决定深入剖析动作时间，指出作为第三阶段保护，该保护模式的动作时间往往较上述保护模式更长，这点需要尤为注意。

4 接入分布光伏给配电网造成的影响

现阶段，集群并网、DG单独并网已成为配电网的固有特征，DG并网多被用于中低压系统，其特点可被概括为损耗少、安装分散，可为无功补偿、电压跌落处理等工作提供支持，确保集中发电所存在不足得到有效弥补。配电网内部结构以放射状结构较为常见，随着科技的发展，配网结构也较为往变得更加复杂，原有保护装置所能发挥作用变得十分有限，鉴于此，配备保护装置时，应优先选择三段式保护，该方法既能够保证保护效果，又可降低保护成本，使线路保护更具有效性和经济性。考虑到接入分布式电源将使传统配电网的继电保护受到较为明显的影响，并增加保护装置拒动、误动或是重合闸无法成功重合等问题发生的概率，相关人员应对并网所带来连锁反应引起重视。

一旦有故障发生，接入分布电源的配电网通常会出现为故障点提供故障电流的情况，这也是分布电源给其电流保护所造成的主要影响，这一情况又被称为PV。在不更改PV接入位置以及容量的情况下，短路电流往往由短路位置所决定，由此可见，若线路发生短路情况，相关人员先要对PV所提供电流进行分析。

该系统可能发生的故障，主要包括以下几类：1）若线路AB在处发生短路故障，断开QF0前，电流将经由分布电源到达，同时QF1仅有短路电流经过且短路电流较更短，将使其保护灵敏度受到影响。另外，即使QF1给出了相应的反馈，受分布电源影响，仍然需要承受大量短路电流，极易导致该位置所存在瞬时故障恶化成永久故障。2）若处发生短路故障，那么，在断开QF1前，电流将经由分布电源、电源到达，该点所具有灵敏度将因此而得到一定程度的提升。3）若处发生短路故障，电流将在分布电源、电源的影响下，快速流向点，QF3所承受短路电流值将有所提升，相应地，其灵敏度也会出现变化。这里要注意一点，一旦短路电流达到限值，QF2将发生动作，故障范围也会有所扩大。4）若处发生短路故障，系统通常会做出与短路故障相同的动作，此时，电流将通过分布电源、电源流入，QF4所表现出灵敏度将有所提升。5）若处发生短路故障，系统保护动作往往与、相同，电流将经过分布电源、电源到达点，灵敏度随之提升。如果短路电流超出其所能承受范围，将使上级线路做出相应的保护动作，故障范围往往会出现较为明显的扩大。

图1 分布电源配网系统

由此可见，接入分布电源将给配电网保护产生直接影响，具体表现在以下几点：1）使上游线路对故障所具有灵敏度有所降低，同时会增加越级跳闸和保护延迟等情况出现的概率，若未能及时解决该问题，将导致故障范围有所扩大。2）使下游线路对故障所具有灵敏度大幅提升，但有较大概率使故障点做出越级的动作，导致故障范围扩大。

5 如何在配电网保护中加入分布光伏

现阶段，对光伏并网进行检测的方法以孤岛检测为主，强调在规定时间内，分别采集相位、电压和电流等参数。考虑到光伏列阵输出与逆变器的联系十分紧密，除特殊情况外，逆变器、控制器间所存在损耗均可忽略不计，此举可确保并网、光伏输出间具有完全相同的功率。相关人员以实践所积累经验为基础，结合光伏接入给配电网带来的影响，提出了以下接入措施。欠功率的特点是光伏输出未达到用户端消耗值，光伏并网要联合配电网向用户端运送其所需电能。一旦线路发生短路情况，将导致用户端所输入电能量快速减少，换言之，仅凭借光伏所输出电能难以满足用户端需求，若不尽快解决该问题，将使电流值、电压值出现变化。

等功率强调用户端消耗和光伏输出相同，此时，光伏并网无须向配电网提供电能。若线路发生短路故障，相关人员往往只需对线路是否存在孤岛进行判断，便可得出准确结论。

过功率的特点是光伏输出在用户端消耗上，需要光伏并网向配电网提供一定电能。若线路发生短路情况，光伏并网所承载电流量将快速增加，其提升速度和提升量往往取决于线路起始端、故障点间的距离，如果二者相距较远，电流量将增加缓慢，同时提升量相对较小。考虑到光伏分布多位于最大功率点附近，一旦有短路情况出现，导致输出功率难以增加，并网电压必然会随着电流的增加而减少。若由光伏列阵所输出电流及电压均发生了明显变化，极易导致相关人员忽略光伏并网某侧的输出变化。利用孤岛检测法对其进行检测，有助于相关人员快速判断光伏并网电流及电压发生变化的原因，明确其变化是否与光伏阵列相关，并由此确定保护装置运行情况。若并网电流及电压变化速度极快，则表示问题成因与光伏列阵无关，此时，相关人员应逐一计算故障区间以及故障电流。如果计算结果为I>KI（I代表故障电流；K代表可靠系数；代表动作额定电流），则表示保护装置正常运行，若计算结果为I≤KI，则代表配网处于并网的状态。

孤岛检测强调从光伏并网电路所安装变换器处对光伏输出及其他相关数据进行采集，从电网、逆变器的并联网址处对配电网所提供电能、并网电流还有电压进行采集。由此可见，除特殊情况外，相关人员均可选择以孤岛检测为核心，对所掌握相位、电压以及电流数据进行分析的方式，明确配电网线路所处运行状态。若分析结果表明，配电网线路存在故障，则需要先确定故障所处位置，再通过以下方式加以解决：先对光伏所输出电压值还有电流值进行采集，采用并网及最大功率跟踪等策略，采集并网电压和电流。随后，对采集所得数据进行孤岛检测，如果用户端负载、光伏输入一致，通常只需留下重要负载，同时剔除剩余负载。若二者数值存在明显差异且用户负载值较光伏输入更大，表示电能值处于快速降低的状态，此时，应尽快对光伏运行模式进行切换，并剔除重要负载以外的其他负载。如果光伏输入明显大于用户负载值，通常代表并网电流处于急速提升的状态，光伏输出随之增加，相关人员须尽快确定故障电流所处位置，若光伏输出已达到或超出额定限制，应立即开启保护，以免配网受到不必要的影响。

6 结论

在配网中接入分布电源，将使配网由单侧电源辐射转变为电源互联，原有继电保护将难以发挥出应有作用，一旦出现电压波动等情况，配网运行所具有稳定性和可靠性必然会受到影响。为解决该问题，相关人员选择以光伏输出特点为切入点，通过孤岛检测对光伏并网电流还有电压加以控制，在保证继电保护效果的基础上，进行继电保护。事实证明，该方法在提高电能质量和配网有效性方面具有突出作用，可对其进行推广。