張澤云，黃家棟，段曉波

(1．華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2．河北省電力研究院，石家莊 050021)

近年來，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)的深入研究和設(shè)備成本的不斷降低，其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸增加。當(dāng)配電網(wǎng)接有多個(gè)光伏電源時(shí)，短路電流將會(huì)增大，這可能導(dǎo)致電流保護(hù)之間的配合出現(xiàn)問題，可能使某些保護(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)或誤動(dòng)，而且過大的短路電流還會(huì)影響熔斷器的正常工作。另外，未接入光伏發(fā)電系統(tǒng)之前的配電網(wǎng)一般是輻射狀的網(wǎng)絡(luò)，其保護(hù)不具有方向性，而接入光伏發(fā)電系統(tǒng)以后，整個(gè)配電網(wǎng)從無源網(wǎng)絡(luò)變成有源網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)潮流的流向具有不確定性。因此，有必要研究光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)對配電網(wǎng)保護(hù)的影響。

1 配電網(wǎng)保護(hù)的配置

配電網(wǎng)的保護(hù)相對于高壓大電網(wǎng)的繼電保護(hù)而言，保護(hù)不是很復(fù)雜。在配電網(wǎng)中常用的繼電保護(hù)有電流保護(hù)、電壓保護(hù)和距離保護(hù)等。由于放射式配電網(wǎng)的潮流是單向流動(dòng)的，且考慮到80%～90%的故障都是瞬時(shí)性故障，所以為了簡化保護(hù)配置，傳統(tǒng)配電網(wǎng)主饋線保護(hù)一般采用電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)組成的兩段式保護(hù)，并配置三相重合閘裝置。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)電流保護(hù)依賴于當(dāng)?shù)匦畔⒓邦A(yù)設(shè)整定值，以時(shí)限配合來完成主、后備保護(hù)功能，其靈敏性、選擇性及速動(dòng)性都很難滿足運(yùn)行方式靈活多變的光伏發(fā)電并網(wǎng)配電系統(tǒng)的要求。其中電流速斷保護(hù)按照最大運(yùn)行方式下躲開本線路末端發(fā)生短路時(shí)的最大短路電流的方法整定，不能保護(hù)線路全長；過電流保護(hù)不僅可以保護(hù)本線路的全長，而且可以保護(hù)相鄰線路的全長，起到遠(yuǎn)后備保護(hù)的作用；而對分支線路則采用高壓熔斷器保護(hù)。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)的保護(hù)配置

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)一般由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器和控制器組成。 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)通過并網(wǎng)逆變器直接把電能送入電網(wǎng)。逆變器是光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的核心，因此，需要各種完善的保護(hù)措施,除了應(yīng)具有基本的保護(hù)功能(如短路、過壓、過流、欠頻、過頻、過熱等)以外,還應(yīng)具有預(yù)防孤島效應(yīng)的特殊功能。逆變器的故障電流取決于電流限制器的最大電流水平和持續(xù)時(shí)間。光伏并網(wǎng)保護(hù)裝置，一方面對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，防止孤島效應(yīng)等發(fā)生；另一方面防止線路事故或功率失穩(wěn)。

光伏系統(tǒng)輸出和并網(wǎng)點(diǎn)之間的并網(wǎng)保護(hù)裝置，用以保證在光伏逆變系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，光伏系統(tǒng)不對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的不良影響，還可以保證在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)不對光伏系統(tǒng)產(chǎn)生損壞，常用的并網(wǎng)保護(hù)功能有低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、低頻率保護(hù)、過電流保護(hù)和孤島保護(hù)等。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)對配電網(wǎng)保護(hù)的影響

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響

3.1.1 影響狀況

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般通過10 kV饋線接入配電系統(tǒng)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，接入光伏電源的配電網(wǎng)，其故障電流的大小和分布明顯與不接光伏電源時(shí)不同。當(dāng)光伏電源容量與配電網(wǎng)系統(tǒng)容量相比足夠大時(shí)，將會(huì)影響配電網(wǎng)原有繼電保護(hù)裝置的正常運(yùn)行。由于光伏電源對故障電流的助增或者分流作用，流過保護(hù)裝置的故障電流可能增大也可能減小，它將改變保護(hù)的范圍和靈敏度，給各個(gè)保護(hù)裝置的相互配合帶來問題。結(jié)合圖1所示的典型配電網(wǎng)進(jìn)行分析,光伏電源對配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響主要在以下幾個(gè)方面：

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)典型接線示意

a. 光伏發(fā)電系統(tǒng)所在饋線上游發(fā)生故障時(shí)，可能導(dǎo)致光伏電源所在饋線保護(hù)誤動(dòng)作。如圖1所示，如果在饋線BC段接入PV1，當(dāng)AB段任意點(diǎn)k3發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)R2將感受到由PV1提供的反向故障電流。由于保護(hù)R2沒有判斷電流方向的元件，若PV1容量足夠大時(shí)，反向故障電流將可能超過保護(hù)R2處的電流速斷保護(hù)的整定值,保護(hù)R2就會(huì)誤動(dòng)作。而保護(hù)R3的故障電流僅由系統(tǒng)側(cè)電源提供，與不接PV1時(shí)的情況一樣，其動(dòng)作不受PV1接入的影響。

b. 相鄰饋線故障時(shí)，反向故障電流可能導(dǎo)致本饋線保護(hù)誤動(dòng)。如圖1所示，如果在饋線BC出口處接入PV2。當(dāng)相鄰饋線AE上的k4點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)R4感受到由系統(tǒng)側(cè)電源、PV1和PV2共同提供的故障電流，其電流值大于未接入PV1、PV2時(shí)的值，保護(hù)R4的靈敏性將提高。而保護(hù)R3將感受到由PV1和PV2共同提供的反向故障電流，保護(hù)R2將感受到由PV提供的反向故障電流，當(dāng)PV1和PV2容量較大時(shí)，反向電流有可能超過電流速斷保護(hù)的整定值，使保護(hù)R2或R3誤動(dòng)作。

c. 不同容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)或故障點(diǎn)位置不同時(shí)，導(dǎo)致本饋線部分保護(hù)靈敏度降低甚至拒動(dòng)，而部分保護(hù)靈敏性增加。如圖1所示，當(dāng)饋線BC段k2處發(fā)生故障時(shí)，按照保護(hù)的選擇性原則應(yīng)由保護(hù)R2動(dòng)作切除故障。故障點(diǎn)k2的故障電流由系統(tǒng)側(cè)電源和PV1共同提供，大于接入PV1前的故障電流，而保護(hù)R2僅僅感受到由系統(tǒng)側(cè)電源提供的故障電流，同時(shí)由于PV1的分流作用使得保護(hù)R2感受到的故障電流減小，這將影響保護(hù)R2的靈敏性，如果PV1的容量很大，保護(hù)R2甚至?xí)軇?dòng)。如果是k1點(diǎn)發(fā)生故障，則保護(hù)R1感受到由系統(tǒng)側(cè)電源和PV1共同提供的故障電流，由于PV1的助增電流作用，使保護(hù)R1的靈敏性增加。

d. 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后可能使某些配電網(wǎng)電流保護(hù)的范圍擴(kuò)大或縮小。如圖1所示，按照繼電保護(hù)配置的選擇性原則，在未接入任何光伏電源時(shí)，當(dāng)k2點(diǎn)故障時(shí)，應(yīng)由保護(hù)R2動(dòng)作切除故障饋線，如果出現(xiàn)R2拒動(dòng)時(shí)，應(yīng)由R2的遠(yuǎn)后備保護(hù)R3動(dòng)作切除故障。假設(shè)只有PV2接入配電網(wǎng)，在k2點(diǎn)故障時(shí)，流過保護(hù)R2的故障電流隨著PV2容量的增大而增大，而流過保護(hù)R3的故障電流卻因PV2的分流作用而小于未接PV2時(shí)的值。與接入PV2之前相比，對于k2點(diǎn)的故障，保護(hù)R2感受到的故障電流增加，保護(hù)R3感受到的故障電流減小，這將使得保護(hù)R2的保護(hù)范圍增大，而保護(hù)R3(作為保護(hù)R2的遠(yuǎn)后備保護(hù))的保護(hù)范圍減小。

e. 當(dāng)僅10 kV母線A出口接入PV3時(shí)，由母線A引出的各饋線發(fā)生故障時(shí)，PV3的作用相當(dāng)于增大系統(tǒng)的容量，在一定程度上增大短路電流，提高各饋線電流保護(hù)的靈敏性。

f. 隨著PV容量的增大，可能導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性。如圖1所示，僅有PV2接入配電網(wǎng)時(shí)，當(dāng)饋線CD的出口發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)由保護(hù)R1動(dòng)作切除故障饋線。但是當(dāng)PV容量足夠大時(shí)，保護(hù)R2的保護(hù)范圍將可能延伸到CD段。在這種情況下，如果饋線CD的出口發(fā)生故障，保護(hù)R2、R1感受到的故障電流都達(dá)到甚至超過其各自的整定值，2個(gè)保護(hù)都動(dòng)作，繼電保護(hù)失去了選擇性。

3.1.2 解決方案

綜上所述，當(dāng)光伏電源接入位置或接入容量不同時(shí)，對配電網(wǎng)保護(hù)的影響程度不同。如果光伏電源的容量相對配電網(wǎng)容量來說很大時(shí)，它提供的短路電流足以使某些保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)，不能滿足繼電保護(hù)的靈敏性、選擇性要求。針對上述情況，文獻(xiàn)[1]提出利用電抗器高阻抗值的特性,來限制分布式電源提供的短路電流,有效地解決分布式電源與保護(hù)之間的協(xié)調(diào)性問題,但高阻抗電抗器會(huì)對正常運(yùn)行時(shí)的電壓產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[2]還提出采用故障限流器來解決分布式電源助增電流對保護(hù)選擇性的影響。文獻(xiàn)[3]提出了2種含分布式電源(DG)的配電網(wǎng)饋線保護(hù)新方案，一種方案是在DG所在線路上游的兩端加裝方向元件,并借助兩端通信的方法來滿足選擇性；另一種方案是只在DG上游第1條饋線的始端裝設(shè)一套電流保護(hù),同時(shí),在上游每條饋線末端都加裝方向元件。發(fā)生故障時(shí),利用廣域網(wǎng)將方向元件檢測到的功率方向信息,與始端饋線上裝設(shè)的那套電流保護(hù)的判別結(jié)果結(jié)合起來,可精確區(qū)分出故障區(qū)段,保證選擇性和全網(wǎng)保護(hù)的速動(dòng)性。文獻(xiàn)[4]提出將配電網(wǎng)中的分布式發(fā)電系統(tǒng)分成不同的功率帶，采用自適應(yīng)方法進(jìn)行保護(hù)配合，但這樣需要分布式發(fā)電容量大于本地負(fù)荷容量，而且需要配備功率控制裝置。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，可以采用反應(yīng)兩端電氣量比較的光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)等，來避免頻繁改變保護(hù)整定值， 滿足繼電保護(hù)的選擇性、速動(dòng)性。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)對自動(dòng)重合閘的影響

自動(dòng)重合閘(AAR)是當(dāng)線路斷路器因事故跳閘后，立即使斷路器自動(dòng)再次合閘的一種保護(hù)裝置。如果線路為非全電纜線路，為了能夠在線路發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，快速恢復(fù)對負(fù)荷的供電，保護(hù)通常投入重合閘保護(hù)功能。標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1547規(guī)定，分布式電源在電網(wǎng)電源失去后，必須跳離線路。在重合閘前加速方式下，任何位置的故障都必須跳開光伏發(fā)電系統(tǒng)，增加了線路恢復(fù)運(yùn)行時(shí)的工作復(fù)雜度和工作量，延長了對用戶的停電時(shí)間。否則，重合閘動(dòng)作時(shí)，故障點(diǎn)由于去游離時(shí)間不足，電弧可能重燃，使得重合閘動(dòng)作不成功，擴(kuò)大故障范圍。

因此，在含有光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)的斷路器跳閘后，必須保證有充分的時(shí)間使故障點(diǎn)的電弧熄滅，才能保證重合閘成功。光伏發(fā)電系統(tǒng)和瞬態(tài)重合閘之間存在著明顯的沖突，系統(tǒng)側(cè)宜延長重合閘時(shí)限，以便保證光伏發(fā)電系統(tǒng)在重合時(shí)間內(nèi)已退出運(yùn)行，光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)需裝設(shè)低周、低壓解列裝置。同時(shí)為避免非同期合閘給配電網(wǎng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)帶來致命沖擊，系統(tǒng)側(cè)重合閘繼電器宜檢線路無壓，光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)檢同期[5]。同時(shí)，解列后再連接時(shí)的判斷同期問題成為減少對配電網(wǎng)的沖擊所必須考慮的重要問題，應(yīng)有一定的控制策略和保證手段。

3.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)與配電網(wǎng)保護(hù)的配合

10 kV以下光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以直接掛接在380 V配電網(wǎng)上，光伏發(fā)電系統(tǒng)與本地負(fù)載相連，再通過斷路器連接到配電網(wǎng)上。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入點(diǎn)附近發(fā)生故障時(shí)，存在著光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)斷路器和系統(tǒng)側(cè)斷路器動(dòng)作時(shí)限配合的問題。在自動(dòng)重合閘斷開時(shí)間間隔內(nèi)，應(yīng)確保光伏發(fā)電系統(tǒng)快速有效地切斷，但當(dāng)有多個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入系統(tǒng)時(shí)，并不是所有的光伏發(fā)電系統(tǒng)都會(huì)對線路保護(hù)和重合閘產(chǎn)生影響，這與光伏發(fā)電系統(tǒng)接入點(diǎn)和故障之間的距離長短有關(guān)，還與光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量大小有關(guān)，特別是配電網(wǎng)80%的故障都是瞬時(shí)性的，不加選擇地切除光伏發(fā)電系統(tǒng)，會(huì)極大地降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用效率，而且經(jīng)常起停光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備，會(huì)使設(shè)備的使用壽命降低。另外，故障發(fā)生時(shí)，電力電子設(shè)備中的過渡過程可能擊穿大功率半導(dǎo)體器件等。為此，有必要研究當(dāng)配電網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí)，配電網(wǎng)保護(hù)和光伏發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)之間的配合問題。尤其是在光伏發(fā)電系統(tǒng)接入點(diǎn)附近發(fā)生故障時(shí)，它們之間的動(dòng)作時(shí)限配合問題。

4 結(jié)束語

當(dāng)今能源匱乏，光伏發(fā)電作為高效、環(huán)保的新能源，其應(yīng)用前景正日益得到社會(huì)的普遍認(rèn)同，光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用推廣也更具有現(xiàn)實(shí)意義。然而，光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行將深刻影響配電網(wǎng)中短路電流的大小、流向及分布。另外，要使已有的繼電保護(hù)系統(tǒng)有效地保護(hù)含光伏發(fā)電的配電系統(tǒng)，還有許多經(jīng)濟(jì)技術(shù)方面的問題需要解決。

參考文獻(xiàn)：

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