大容量逆变型分布式电源接入对配电网单相接地检测的影响

姜淼，石勇，徐光福，侯炜

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

0 引言

随着分布式电源尤其是以光伏、储能为代表的IIDG（逆变型分布式电源）大量接入配电网［1-5］，配电网从无源变为有源，故障情况下系统电压电流分布都会发生变化。目前绝大多数配电网系统为小电流接地系统，小电流系统中单相接地判别本身就是一项极具挑战性的工作，随着IIDG渗透率的提高，接地选线的有效性需要进一步验证。

小电流接地系统中，发生单相接地后故障电流小，尤其是接入消弧线圈后故障线路与非故障线路电压、电流稳态量没有实质性差别，只能从谐波、暂态分量等方面着手解决［6-10］。IIDG 接入后系统拓扑结构发生变化，故障发生时IIDG将会向故障点注入电流，进而影响保护采样、熄弧时间等。

目前关于IIDG接入对接地选线影响的研究较少，且研究背景多为小容量IIDG接入，缺乏对大容量IIDG接入影响的分析推演。随着整县光伏等工程的兴起，大容量IIDG接入配电网已是大势所趋，对接地故障检测影响的研究十分必要。文献［11］详细推导了多种故障情况下含分布式电源的故障序网，得出了分布式电源对接地影响很小的结论，分析过程具有借鉴意义，但是忽视了分布式电源渗透率提高后对接地点漏电流的影响；文献［12］研究了分布式电源接入后谐波分量对接地选线的影响，得出了分布式电源会影响谐波选线原理的结论；文献［13］分析了分布式电源对各种故障序分量的影响，但是缺乏对非故障线路影响的分析；文献［14］从理论角度分析了含分布式电源单相接地故障后的暂态过程，但是缺乏对暂态保护算法详细的分析验证。

本文首先给出含IIDG的配电网发生接地故障时的基波和谐波序网，接着分析了IIDG对故障点电流和本线路零序电流的影响，最后仿真验证了理论分析的结论。

1 含IIDG的配电网接地选线

在图1所示的小电流接地配电网系统中，接地选线装置通过采集线路电流、母线电压等来判断接地线路［15］。在线路L1 中接入IIDG 后，故障点F1—F3分别发生故障，IIDG会改变系统电流电压分布，可能影响接地选线的正确性。

图1 含IIDG接入的典型配电网结构Fig.1 Typical distribution network structure with IIDG injecting

IIDG 对单相接地故障的影响具体表现在：对故障点电流的影响，增大故障电流会导致熄弧困难等问题；对接地选线装置线路零序电流采样的影响，基波和谐波分量的变化会造成接地选线的拒动或者误动。考虑到现有小电流接地系统中，由于发生单相接地故障时工频量变化不显著，所以实际运行中较少采用工频原理的选线方法，而是主要采用基于暂态量的小波包算法［16］进行选线，小波包算法是否受到IIDG 影响也需要进一步验证。

2 IIDG基波分量对单相接地的影响

根据序网理论［17］，IIDG 接入配电网后相当于在正序网中增加了电流源［2，18-19］，文献［2］中根据LVRT（低电压穿越）控制策略将IIDG 建模成压控流源。考虑到现场只有部分IIDG采用LVRT，尤其是很多380 V 光伏没有这种故障穿越策略［20］，为不失一般性，本文将IIDG统一建模成独立电流源。根据电路替代定理［21］，将压控流源的IIDG等效为相同电流值的独立电流源不影响外电路特性，即本文根据IIDG独立电流源模型推出的结论对压控流源模型同样适用。由单相接地故障边界条件，正、负、零序网呈串联关系，即正、负、零序电流相等，故障点电流为整个系统零序电流。IIDG接入位置不同，对故障点以及保护测量处电压电流影响也不同，所以讨论IIDG 对接地选线的影响，分为IIDG接入故障点上游、IIDG接入故障点下游、IIDG 接入故障点相邻馈线3 种情况分别进行讨论。

在图1所示的小电流接地系统中，设大系统电压为ES，系统内阻、传输线路阻抗与变压器T1阻抗之和为ZST，变压器T1励磁阻抗为ZST。变压器T1 经消弧线圈接地，T1 中性点与地之间阻抗为ZAS。若配置消弧线圈，则ZAS为故障发生时消弧线圈投入阻抗；若T1 不接地，则ZAS为无穷大。母线上存在两条馈线，L1线路阻抗为ZL1、对地电容为ZLC1，L2 线路阻抗为ZL2、对地电容为ZLC2，短路点F距离首端长度与线路总长度之比为α（0≤α≤1），故障过渡阻抗为RF。IIDG经变压器T2从线路L1 中接入系统，T2 高低侧漏抗之和为ZT2，变压器T2 为Y/Δ 接线，起到了隔离零序量的作用。IIDG等效为可控电流源IDG，接入点距离首端长度与线路总长度之比为β（0≤β≤1）。用下标（1）、（2）、（0）区分正、负、零序阻抗。

考虑到3种情况的分析过程基本一致，下面以IIDG 接入故障点上游（β≤α）为例详细推导故障电流计算方法，其他两种情况直接给出结论。

在图1 系统中F1 点发生单相接地的故障序网如图2所示，简化后的序网如图3所示。

图2 IIDG 位于故障点上游序网Fig.2 Sequence network with IIDG located upstream of the fault point

在图3电路中，ZL和ZR定义为：

图3 简化序网Fig.3 Simplified sequence network

在图3中存在两个电源：系统电源以电压源形式存在，IIDG 以电流源形式存在。根据叠加原理，可以分解成系统电源和IIDG分别作用的两个电路，如图4和图5所示。

图4 系统电源单独作用序网Fig.4 Sequence network with single system power

图5 IIDG电源单独作用序网Fig.5 Sequence network with single IIDG

IIDG对系统的影响体现在IIDG电源单独作用序网中，故障点电流If等于系统电源提供短路电流If1与IIDG 提供短路电流If2之和，即If=If1+If2。If1和If2如式（3）所示：

故障发生时，保护能够采集到的本线路零序电流I0为：

式（4）的物理含义是故障线路零序电流等于故障点零序电流除去本线路电容电流［22］。由于在故障期间ZAS（0）、ZLC1（0）、ZLC2（0）不变，故k0为恒定值。且无论T1是否接入消弧线圈都有|k0|＞0（接入时|k0|＞1，不接入时1＞|k0|＞0），即|If|增大或者减小|I0|会同方向增大或者减小。根据式（3）还可以得到：

1）在光伏容量不大的情况下，有ZR≈（ZAS（0）//ZLC1（0）//ZLC2（0））≫ZL，If2≈0，所以IIDG 不会对下游单相接地的故障电流产生实质性影响，同时IIDG 也不会对线路首端保护零序电流采样产生实质性影响。

2）在光伏容量极大的情况下，即便有ZR≫ZL，仍会有少量电流（安培级别）漏到故障回路中；由于小电流接地系统单相接地故障电流本来就不大（也是安培级别），IIDG 贡献的少量电流会对故障电流产生影响。IIDG 输出故障电流If2与系统电源输出故障电流If1之间的夹角关系决定了是助增还是外汲，由故障电流计算公式可以得到：If2与If1的夹角决定于IDGZL与ES之间的夹角，其中ZL由系统内阻、变压器漏抗、线路阻抗组成，呈阻感性。考虑到IIDG正常运行过程中主要是输出有功，IDG与ES相角接近，故If2与If1的夹角小于90°，IIDG对故障电流起到助增作用并会增加接地点熄弧难度。IIDG对线路零序电流采样也是起助增作用。

IIDG 接入故障点下游（故障点F2）、IIDG 接入故障点相邻线路（故障点F3）分析方法相同，这里直接给出两种情况下的故障序网，如图6和图7所示。

图6 IIDG 位于故障点下游序网Fig.6 Sequence network with IIDG located downstream of the fault point

图7 IIDG 位于故障点相邻线路序网Fig.7 Sequence network with IIDG located on the adjacent line of the fault point

两种情况简化序网相同，如图8所示。

图8 IIDG接入故障点下游和相邻线路简化序网Fig.8 Simplified sequence network with IIDG located on down-stream or adjacent line of the fault point

两种情况中阻抗定义相同：

由图8与图3结构相同可见，两种情况故障电流计算与IIDG 接入故障点上游基本相同，即式（3），只有阻抗的细微差别，所以IIDG 对故障电流影响的结论也与IIDG 接入故障点上游结论一致。

对于本线路零序电流I0的影响：IIDG 接入故障点下游与IIDG接入故障点上游完全一致，可按照式（4）计算；IIDG接入故障点相邻线路时I0计算公式为：

由式（7）易得，即|If|增大或者减小 |I0|会同方向增大或者减小。

综上，无论IIDG接入故障点上游、下游、相邻线路，大容量IIDG都会导致故障电流和线路零序电流增大，并增大熄弧难度。

由于IIDG相当于电流源，根据叠加定理，多IIDG 可以等效为单个IIDG 分别作用后叠加而来，其中单个IIDG 的作用可以采用前文方法进行分析。

3 IIDG谐波分量对单相接地影响

任何IIDG 都会输出谐波分量，且主要以5、7、11 和13 等低次谐波分量为主。一般而言，IIDG输出谐波的占比较低（一般最高3%，成熟产品可以做到1%以内），但是在发生单相接地时也会影响系统电流、电压分布。

本章分析中都是对单一次数谐波进行分析，由于谐波之间相互独立，如果需要考察多个谐波效果，则要分别对各个谐波计算然后叠加起来。

IIDG 谐波分量注入系统分析计算较为复杂，考虑到谐波情况下边界条件与基波类似，并且三相系统可以分解成正、负、零序，所以引入序网理论来进行分析计算。在谐波序网里只存在IIDG一个谐波源，且由于IIDG经隔离变T2接入电网，IIDG 的逆变器输出谐波电流可能是正序或者负序，不可能是无法穿过变压器的零序。IIDG 位于故障点上游（β≤α）的情况下，IIDG 输出正序、负序谐波分量的综合序网分别如图9和图10所示（本节参数定义名称与基波相同，下标h表示谐波量）。

由于系统中都是非旋转设备，正序和负序阻抗相等，图9 和图10 中对于零序网络的计算都是相同的（下文推导以IIDG 输出正序为例，IIDG 输出负序结果与之相同），所以简化序网都可以用图11来表示。

图9 IIDG输出正序分量的综合序网Fig.9 Comprehensive sequence network with IIDG outputing positive component

图10 IIDG输出负序分量的综合序网Fig.10 Comprehensive sequence network with IIDG outputing negative component

图11 谐波简化序网Fig.11 Simplified harmonic sequence network

谐波简化序网与基波简化序网基本一致，只是没有系统电源。谐波序网中所有阻抗要替换为谐波下的阻抗，ZLh和ZRh定义为：

IIDG中谐波分量流入故障点电流Ifh为：

据式（8）—（10），ZRh≈（ZASh（0）//ZLC1h（0）//ZLC2h（0）），对于k次谐波中容抗会缩小k倍、感抗增大k倍，ZRh阻抗值迅速下降，ZLh阻抗值迅速上升，造成ZRh与ZLh之间差距没有基波情况下那么大，这会导致相比基波情况下Ifh占IDGh比例更高，加剧了谐波分量对故障点电流的影响，而且谐波次数越高则特性越明显。另一方面，谐波占基波比例在3%以下，谐波源输出电流IDGh没有基波源IDG那么大，所以只有较大容量的IIDG才会对接地故障产生实质性影响。

IIDG接入故障点下游、IIDG接入故障点相邻线路两种情况的分析过程类似，所得结论也完全一致。

综上，当IIDG容量较大时，IIDG的谐波分量会进入到单相接地的故障电流和线路零序电流采样之中。

与基波情况类似，由于IIDG 相当于电流源，根据叠加定理，多IIDG 可以等效为单个IIDG 分别作用后叠加而来，其中单个IIDG的谐波作用可以采用前文方法进行分析。

4 算例分析

通过仿真来验证本文的结论。采用图1的配电网结构进行仿真，用光伏模型来代表IIDG，系统参数如表1所示。

表1 仿真参数列Table 1 Simulation parameter list

仿真中分别对不接入和接入大容量IIDG（60 MW）来考察IIDG对单相接地故障的影响。

4.1 IIDG对零序电流采样的影响分析

3种故障情况下，故障点和线路零序电流采用基波分量仿真结果见表2。

表2中基波分量变化与前文理论分析一致，即IIDG会助增故障点以及线路零序电流基波分量。

表2 IIDG对故障点电流和线路零序电流基波分量影响Table 2 Impact of IIDG on the fault point current and the fundamental wave component of line zero-sequence current

发生故障后，故障线路和非故障线路零序电流采样如图12、图13所示。

图12 无IIDG接入故障（If0）和非故障（Inf0）线路零序电流Fig.12 Zero-sequence current fault（If0）and non-fault（Inf0）lines without IIDG

图13 60 MW的IIDG接入故障（If0）和非故障（Inf0）线路零序电流Fig.13 Zero-sequence current fault（If0）and non-fault（Inf0）lines with 60 MW IIDG

从波形可以得到，大容量的光伏接入会导致故障时期零序电流中窜入较多的谐波分量，在故障发生初期，谐波含量达到14.81%，极有可能影响装置采样进而影响接地选线结果。

4.2 IIDG对小波包算法影响分析

为了考察谐波分量对小波包算法的影响，考虑不接入和接入60 MW 的IIDG 情况下仿真小波包计算结果，小波包分解采用db10 小波。基于小波包的选线算法原理普遍采用捕捉故障发生时刻附近小波包高频分量的能量和方向（或者极性），小波能量最大且小波方向（或者极性）与其他线路不同的认为是故障线路，判据为同时满足能量幅值和方向两个条件以提高选线可靠性。

在发生故障初期故障线路小波包高频分量波形如图14所示。

图14 无IIDG接入故障（IfwtH）和非故障（InfwtH）线路小波高频分量Fig.14 High-frequency component of wavelets in faulty（IfwtH）and non-faulty（InfwtH）lines without IIDG

从波形中可以得到：在故障发生前，由于谐波不会窜入零序电流中，基本不会影响小波能量；发生故障后，窜入线路零序电流中的谐波分量会增大故障线路和非故障线路小波包中高频分量幅值进而增大小波能量［23］。此外，对比图14和图15中波峰与波谷位置可以得到，IIDG 的接入不会翻转故障线路和非故障线路小波方向。考虑到接地算法通过小波能量是否超过阈值和各线路小波方向异同来判断接地发生，所以谐波的窜入不会导致接地选线发生误判。

图15 60 MW的IIDG接入故障（IfwtH）和非故障（InfwtH）线路小波高频分量Fig.15 High-frequency component of wavelets in faulty（IfwtH）and non-faulty（InfwtH）lines with 60 MW IIDG

从以上分析来看，IIDG 谐波会影响小波包计算结果，但不会影响小波包算法的判断结果，基于小波包比相比幅算法的保护不会误动或者拒动。

5 结论

本文通过理论分析推导出IIDG基波和谐波分量的序网以及计算故障电流和流过线路零序电流理论计算公式，公式可以广泛应用于有源配电网的分析中。

本文还获得以下结论：IIDG 容量较小时，对接地检测影响可以忽略不计。IIDG较大时，IIDG会助增故障点和接地线路零序电流，增加接地点熄弧难度；由于零序电流采样中谐波含量较高，还可能引发误动或者拒动；对基于小波包算法的接地选线算法影响不大，不会产生实质性影响。