含分布式光伏电源配电网故障分析和保护研究

王 坤

（国网四川省电力公司德阳市蓥华供电分公司，四川 德阳 618000）

0 引 言

目前，我国电力行业面临着资源和环境问题，采用清洁能源发电已是当务之急。分布式光伏发电因其灵活、高效以及低占地等优点而备受关注，其装机容量通常为数十千瓦至数百千瓦，因其分布较为分散且容量不大，需将大量的分布式光伏发电接入中、低压配电网[1]。光伏（Photovoltaic，PV）电源接入配网后，传统配网变成了含有PV的有源配网，其潮流方向、电压分布以及短路电流等均会发生变化。

一方面，光伏是一种典型的逆变型分布式能源，由于其运行方式不同，当系统出现故障时，光伏发电的输出特性也不同于传统的单机电源。首先，光伏并网电压决定光伏并网电流，两者呈非线性关系；其次，由于光伏发电系统采用的是正序电压控制，当光伏发电系统出现不对称或对称故障时，光伏发电系统会产生三相对称电流。由于电力系统的功率特性与一般的单机型电源有很大的区别，常规的电力系统故障分析方法在电力系统中已不再适用[2]。

另一方面，分布式电源（Distributed Generator，DG）的接入，使得配电网络在发生故障时的短路电流分布发生变化。在配电系统中，线路保护作为一种主要的保护方式，其主要功能为过流保护，因此，在电力系统中，PV 的接入量将会对过流保护产生很大影响。若光伏接入点在下游出现短路，则流经下游保护装置的短路电流增加，而流经上游保护装置的短路电流减少；在光伏接入点的上游出现故障时，将有一条与系统供给的短路电流方向相反的故障电流流入接入点的下游线路；同时，光伏发电系统可以在一定程度上提高故障点的短路电流，对配电网的故障诊断具有重要意义。另外，光伏系统具有随机性和间歇性，使得常规的光伏电流保护难以实现，因此对光伏配电系统中的线路保护进行研究是非常有意义的[3]。

1 含PV 配电网的故障分析

光伏发电系统的输出特性与常规发电系统有很大区别，因此首先对光伏发电系统进行故障建模[4]。其中，电力系统的光伏发电采用的是PQ 控制模式。在系统正常运转时，光伏电源仅向电网提供有功，使分布式电源得到最大限度的利用；在电网出现故障的情况下，光伏发电系统会向电网输出无功来支持电网运行。PV 无功电流注入特性如图1 所示。光伏无功电流注入特征可用公式表示为

图1 PV 无功电流注入特性

式中：UN和UDG分别为基准电压和光伏电源并网点电压；α为电压跌落系数。

将并网型光伏发电系统的PQ 控制特点与低压穿透力控制策略相结合，并将其等值化为一种受压控的电流源，即

式中：Imax为光伏电源最大输出电流，考虑限流策略Imax=1.5IN；IN为光伏电源额定电流；i1DG和U1DG分别为光伏电源输出电流和并网点电压的正序分量；θ为光伏电源并网点正序电压相角。

由于光伏发电系统的输出电流与接入点电压之间存在非线性的耦合关系，通常采用分段线性等效法对其进行建模[5]。光伏发电系统的无功电流可以表示为

2 含PV 不对称配电网的故障分析

通过对电力系统中各相组元的归一化处理，本文提出了一种电力系统中含有光伏的不对称配电系统的故障分析方法。由于光伏发电的控制方式及低压穿越的特点，可用迭代法解决，即

式中：λ+1 为迭代次数；Ua,b,c(λ+1)和分别为考虑光伏电源输出电流的系统节点电压和端口补偿电流。

算法流程如图2 所示。

图2 算法流程图

算法步骤如下：第一，将电网中的分支参数和三相电流的计算结果输入到电网中，然后对发生故障的线路进行起始、终点及故障点的设定；第二，将光伏额定电流作为初始值，计算出系统中的诺顿等效结点导纳矩阵，并将故障端口观察到的端口电流进行计算；第三，计算补偿后的故障电路三相节点导纳矩阵ΔYFa,b,c；第四，对发生故障后的3 个结点的三相电压进行计算；第五，计算结点电压计算值与上一次计算值之间的差分，直至满足收敛要求。

3 含PV 配电网的线路保护研究

光伏电源产生的短路电流非常小，使得常规的光伏电源过流保护难以满足实际应用需求[6]。一方面，光伏并网时，由于电压等因素的影响，光伏电源产生的短路电流通常都是常规电流的1.5 ～2.0 倍。短路电流越小，常规电流保护的灵敏度就越低。另一方面，由于配电网络与用户直接接触，供电半径小，当系统出现故障时，其上、下级馈线的短路电流相等[7]。传统的基于电流值的电流保护很难保证其具有一定的选择性。另外，由于光伏发电的随机性和间歇性，配网运行模式的不确定等因素，使得常规电流保护难以实现。

目前已有的以阻抗为基础的配电网继电保护，大多没有考虑PV 跨区时对继电保护的要求[8]。在此基础上，将馈线测得的阻抗值与逆时延保护的动作特征关系式结合，并结合光伏系统的故障穿越性，提出了一种基于固有时间尺度分解（Intrinsic Time-Scale Decomposition，ITD）的配电系统馈线保护新方法。

反时限保护特性的特点是保护动作时间，它与故障点的位置有关，与供电点距离愈近，保护动作时间愈短。本文根据故障后馈线路测得的阻抗值降低的特点，将测得的阻抗值引入逆时间限制的动作特性方程，并将ITD 部分的保护特性设定为

式中：tI为ITD 保护动作时间；A为时间相关系数；k为可靠系数；ZI为保护范围内的馈线正序阻抗；Zm为保护安装处测得的阻抗值。

式（5）中的测量阻抗为相间测量阻抗，可由相间电压、电流进行计算，即

式中：Up-p和Ip-p分别为故障相间电压和相间电流的有效值。

为保证下级馈线首端故障时保护具有选择性，上下级馈线首端保护之间须通过时阶进行配合。时阶一般设定为0.3 s，即

由式（5）和式（6）可得A为0.132，该系数与馈线长度无关。由此可得，当Zm=87.5%ZI时，tI=0.15s。

4 结 论

分布式电源接入配电网后，由于分布式电源的渗透性日益增大，现有的配电网络故障分析与线路保护策略已不能满足实际需求[9]。由于光伏电源是一种典型的逆变型分布式电源（Inverter-Interfaced Distributed Generator，IIDG），其故障输出特征有别于传统的单机供电，光伏配电系统的故障分析与线路保护设计成为需要解决的问题[10]。本文以光伏并网的配电系统为研究对象，开展光伏并网系统中的故障分析与线路保护策略的研究，对双级并网光伏发电系统的数学模型进行了分析，并给出了相应的控制方案。