王紫薇，王 晶，肖 繁

(1.三峽大學(xué),湖北 宜昌 443002;2.國網(wǎng)湖北省電力公司,湖北 武漢 430077)

0 前言

光伏作為可再生能源在電力系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，逐步從小容量、分布式、低電壓向大容量、集中式、高電壓快速發(fā)展。大容量集中式光伏電站典型接線是光伏發(fā)電單元連接逆變器，一般兩組逆變器公用一臺箱變升壓至35 kV，多臺箱變在高壓側(cè)并聯(lián)為1個(gè)聯(lián)合單元，匯流成1回35 kV集電線路，多條集電線路匯集經(jīng)升壓變接入系統(tǒng)。光伏電站集電線路一般均為電纜線路，大量電纜線路致使發(fā)生單相接地故障時(shí)對地電容電流大幅增加[1]，當(dāng)短路電路達(dá)到一定數(shù)值（大于30 A）時(shí)，接地電流所產(chǎn)生的電弧不能自行熄滅，勢必發(fā)展成為相間故障，并且因?yàn)閿嗬m(xù)性弧光接地，引起較高的弧光過電壓，會(huì)波及整個(gè)集電線系統(tǒng)，使絕緣薄弱的地方擊穿，引發(fā)大事故，危急設(shè)備和人身安全，故而規(guī)程要求集電線單相接地故障應(yīng)快速切除[2]。光伏電站采取的措施是在集電線母線加裝接地變壓器，利用單線接地故障零序電流切除故障，同時(shí)為限制過大的零序電流，接地變壓器經(jīng)由一小電阻接地，接地變加小電阻以及光伏發(fā)電單元自身特性，使得光伏電站集電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相電流呈現(xiàn)與常規(guī)系統(tǒng)迥異的特征[3]，故障相電流不是增大反而減小，極端情況接近于0。本文詳細(xì)分析此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及其運(yùn)行中應(yīng)對措施。

1 特性分析

1.1 理論分析

大量研究表明，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，光伏發(fā)電單元提供的電流只含正序分量，不含負(fù)序和零序分量[4]。光伏太陽能電池組經(jīng)逆變器接入電網(wǎng)，逆變器等電力電子元件過載能力低，為保護(hù)逆變器，裝有限流環(huán)節(jié)，系統(tǒng)故障時(shí)其提供的正序電流不大，一般不超過1.2倍額定電流，通常將其等值為受控恒流源。光伏電站運(yùn)行功率因數(shù)很高，一般在0.95以上，即電流與電壓相位差很小，功率因數(shù)為1時(shí)，電流電壓同相位[5]。

光伏電站集電線母線接有接地變壓器，接地變壓器的一次側(cè)每相線圈分成數(shù)量相等的兩部分，一相上半部分的非極性端分別與相鄰相的另一半極性端相連（A相上半部分反極性連B相下半部分、B相上半部分反極性連C相下半部分、C相上半部分反極性連A相下半部分），構(gòu)成曲折接線，三相下半的非極性端直接相連引出中性線。接地變壓器可以不帶二次繞組，即專用接地變，也可帶二次繞組，二次側(cè)可以帶變電站三相四線制負(fù)荷。一次繞組上下兩部分為相鄰兩相反極性連接，施加正、負(fù)序分量時(shí)，合成矢量為相差1200的兩矢量相加，三相對稱，可以帶負(fù)荷運(yùn)行[6]；但施加零序時(shí)，上下繞組電流大小相等、方向相反，零序磁勢相互抵消，理論零序阻抗為0，實(shí)際接地變壓器零序阻抗很小，實(shí)測約為6-10 Ω，集電線母線接入接地變壓器后，因接地變零序阻抗很小，集電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序電流很大，為限制零序電流，通常接地變中性線經(jīng)60-100 Ω電阻接地[7]。經(jīng)電阻接地后，限制了零序電流，同時(shí)也使得故障點(diǎn)綜合阻抗中電阻分量遠(yuǎn)大于電抗分量。

圖1 集電線路故障原理圖Fig.1 Fault schematic diagram of gather electricity line

如圖1為光伏電站接入系統(tǒng)示意圖，T1為集電線母線加裝接地變壓器。集電線路發(fā)生故障時(shí)，光伏發(fā)電單元并不能保持機(jī)端電壓恒定，而是隨系統(tǒng)電壓變化，不能提供有效的電壓支撐，在此理論推導(dǎo)中，可暫時(shí)忽略光伏單元對故障電壓影響，即沿用序分量法分析故障電壓特征。集電線路單相接地時(shí)：

故障點(diǎn)正序電壓：

其中UD0為故障前電壓，Z1，Z2，Z0分別為故障點(diǎn)的正序、負(fù)序、零序綜合阻抗，ΔZ=Z2+Z0。單相接地時(shí)，故障點(diǎn)正序電壓與零序阻抗大小相關(guān)，隨零序阻抗增大而增大，其值介于間，在光伏集電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，因接地電阻所占分量很大，故障點(diǎn)正序電壓接近1。大量研究表明，光伏發(fā)電單元沒有負(fù)序和零序阻抗，即機(jī)端電壓為故障點(diǎn)正序電壓與機(jī)端至故障點(diǎn)光伏正序電流的產(chǎn)生的壓降，故障時(shí)機(jī)端三相電壓對稱，基本不變，根據(jù)逆變器雙環(huán)控制理論，其輸出電流亦三相對稱，基本為故障前三相電流[8]。發(fā)電單元運(yùn)行功率因數(shù)在0.95時(shí)，電流滯后電壓180，以故障點(diǎn)正序電壓為基準(zhǔn)，光伏單元額定條件下，由10臺1 000 kVA箱變匯集的集電線路電流為0.1標(biāo)幺值（10臺箱變匯集一條集電線路為并網(wǎng)光伏典型設(shè)計(jì)），三相電流對稱，即：光電單元A相電流Igfa*=0.1∠180。

假定接地變壓器零序阻抗為10 Ω，接地電阻為100 Ω，接入系統(tǒng)無窮大，則故障點(diǎn)綜合阻抗為：Z=300+j10=300.16∠880,Z*=24.5∠880,ID1*==0.04∠20。

故障點(diǎn)故障相（A相）電流：Iga*=3ID1*=0.12∠20。故障點(diǎn)電流大小與發(fā)電單元額定出力電流大小相近，根據(jù)疊加原理，集電線路故障相A相電流為 Ia*=Iga*-Igfa*。

集電線路故障相電流矢量圖如圖2。

圖2 集電線路故障相電流矢量圖Fig.2 Fault phase current of gather electricity line

由圖2可見，光伏發(fā)電單元額定功率下，故障前集電線路電流為Igfa*，故障后故障相故障電流為Ia*，集電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)故障相電流不是增大，而是大幅減小。

綜上分析，光伏電站集電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)電流大小基本由接地變中性點(diǎn)接地電阻大小決定，由圖2可見，故障相電流大小與光伏單元出力密切相關(guān)，光伏出力越大，故障相電流越小，光伏單元功率因數(shù)越高，故障相電流越小。極端情況下故障相電流可能為0。

1.2 實(shí)例計(jì)算

系統(tǒng)中一光伏電站容量100 MWp,單個(gè)逆變器容量500 kW，逆變器輸出電壓315 V，兩個(gè)逆變回路共一臺箱變，箱變?nèi)萘? 000 kVA（U%=6%，35kV/315V，Δ/Yn），箱變升壓至35 kV；10臺箱變在高壓側(cè)并聯(lián)為1個(gè)聯(lián)合單元，匯流成1回35 kV集電線路（電纜ZR-YJLV22-26/35-3*120，長度1 km），集電線共 10條；集電線匯接一臺升壓變接入系統(tǒng)，升壓主變?nèi)萘?100 MVA(220 kV/35 kV，Yn/Δ，U%=10.5%)。接地變Z型接線，零序阻抗6 Ω，中性點(diǎn)經(jīng)100 Ω電阻接地，接入系統(tǒng)點(diǎn)的系統(tǒng)等值阻抗標(biāo)幺值為正序0.025，零序0.057，如圖3。

圖3 光伏電站系統(tǒng)接線示意圖Fig.3 Wiring diagram of photovoltaic power station

光伏電站集電線路1末端K1處A相單相接地時(shí)，忽略不計(jì)光伏發(fā)電單元時(shí)故障點(diǎn)綜合阻抗標(biāo)幺值（系統(tǒng)容量100 MVA）為：

計(jì)算得到：

光伏發(fā)電單元功率因數(shù)0.98時(shí)，Igfa*=0.1∠11.470。

集電線路1故障相A相電流Ia*=Iga*-Igfa*=0.1224∠1.790-0.1∠11.470=0.029∠-34.90。

故障前，集電線路1的A相電流標(biāo)幺值為0.1，故障后，故障相電流約為故障前1/4，故障相電流大幅減小。

1.3 仿真驗(yàn)證

實(shí)例計(jì)算中，對光伏單元故障量作了簡化處理，為驗(yàn)證理論及實(shí)例計(jì)算的有效性，建立上述實(shí)例光伏電站的仿真系統(tǒng)，其中，箱變1為上述實(shí)例計(jì)算中的單個(gè)箱變，容量1 000 kVA，DG1/DG2為單個(gè)光伏單元；箱變2為9臺箱變并聯(lián)等值，容量9 000 kVA；集電線路1為上述實(shí)例計(jì)算中單條集電線路，長度1 km；集電線路2為9條集電線路并聯(lián)等值，箱變3為90臺箱變并聯(lián)等值，容量90 000 kVA；升壓變、接地變、接地電阻、系統(tǒng)等值阻抗均為實(shí)例計(jì)算值。

K1點(diǎn)故障時(shí)，光伏發(fā)電單元出力和集電線路電流電壓如圖4、圖5。

圖4 光伏發(fā)電單元電流電壓Fig.4 Current and voltage of photovoltaic power unit

圖5 集電線路1電流電壓Fig.5 Current and voltage of gather electricity line

集電線路故障相A相電流降幅明顯，仿真結(jié)果證明了理論分析及實(shí)例計(jì)算的正確性。

2 特性影響及應(yīng)對措施

光伏電站集電線路單線接地故障相電流減小的特性，給光伏電站的運(yùn)行和控制帶來許多不利影響。光伏電站實(shí)際運(yùn)行中，很多因?qū)ζ涮匦圆涣私猓ǔＳ眉冐?fù)荷的配電網(wǎng)絡(luò)來分析集電線路故障，往往造成保護(hù)的拒動(dòng)和誤動(dòng)，事故擴(kuò)大，威脅人身、設(shè)備、電網(wǎng)安全[7]。綜上分析，集電線路所配置的相過流保護(hù)裝置不能切除單相接地故障；零序電流基本在接地變壓器與故障集電線路之間流通，升壓變的低壓側(cè)保護(hù)不能作為集電線路單相接地故障的遠(yuǎn)后備。故在運(yùn)行中，集電線路的零序保護(hù)應(yīng)作為單相接地故障的主保護(hù)，相過流保護(hù)作為相間和三相故障的主保護(hù)[9]；升壓變壓器的低壓過流保護(hù)作為集電線路相間和三相故障的遠(yuǎn)后備，接地變壓器的零序保護(hù)作為集電線路單相接地故障的遠(yuǎn)后備，故障集電線路的保護(hù)或開關(guān)拒動(dòng)時(shí)，接地變壓器的零序保護(hù)動(dòng)作跳分段后，若故障沒有消除應(yīng)去跳升壓變，并不是跳接地變自身，這點(diǎn)在運(yùn)行中需特別注意，如果跳開接地變，系統(tǒng)將變成不接地系統(tǒng)，此時(shí)單相接地故障存在，將產(chǎn)生很大的電容電流，弧光過電壓會(huì)危及整個(gè)光伏電站安全[10]。

3 結(jié)語

集中并網(wǎng)的光伏電站因其自身特性，集電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相電流將大幅減小，需要在運(yùn)行中引起足夠重視，正確分析、定位集電線路、接地變以及升壓變的相過流、零序電流保護(hù)的作用，通過完善的配置和整定保證光伏電站的可靠運(yùn)行。

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