劉立群，劉天保，劉春霞

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

集中式發(fā)電系統(tǒng)以其大電網(wǎng)、大容量、超高壓和遠距離等特點，已經(jīng)發(fā)展成為目前電力生產(chǎn)、輸送、分配的關(guān)鍵手段。但是，大電網(wǎng)發(fā)電過程中需要消耗海量的一次能源，并帶來全球變暖、溫室氣體和霧霾等一系列氣候和環(huán)境問題。集中式發(fā)電在突發(fā)的自然災(zāi)害、人為破壞和電器故障等情況下，無法為用戶提供可靠的電能，甚至有可能引起一系列的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個電網(wǎng)大停電或者崩潰。

近年來，以風(fēng)電和光伏發(fā)電為代表的可再生能源分布式發(fā)電技術(shù)得到了快速的發(fā)展，大力發(fā)展可再生能源成為應(yīng)對能源危機和環(huán)境問題的重要途徑，大電網(wǎng)與分布式發(fā)電相結(jié)合可以節(jié)省投資、降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性，未來電力系統(tǒng)“高比例可再生能源并網(wǎng)”理念已經(jīng)在世界各國形成廣泛共識[1-5]。分布式電源(distributed generation，DG)單獨和集群并網(wǎng)將成為未來配電網(wǎng)的基本特征。DG并網(wǎng)與集群并網(wǎng)系統(tǒng)相比，一般接在中低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)，具有安裝分散、滿足多樣化需求、距離用戶較近、線路損耗少等諸多優(yōu)點，降低了處理電壓跌落和無功補償?shù)碾y度，可以有效地彌補大規(guī)模集中式發(fā)電和輸電的不足，在一定程度上可以改善供電質(zhì)量并在短時間內(nèi)可以有效解決電能短缺等問題[2-4]。DG接入配電網(wǎng)后，使得配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單一大容量電源網(wǎng)絡(luò)變成單一大容量混合多個微電源網(wǎng)絡(luò)，潮流方向也會變得異常復(fù)雜，進而導(dǎo)致配電網(wǎng)的運行、保護和控制等多方面都會受到影響，特別是傳統(tǒng)的繼電保護配置方案將不適用。同時，分布式電源容量、類型和接入位置等的不同都會對配電網(wǎng)故障電流造成不同的影響。為了能夠在分布式電源大量接入配電網(wǎng)的情況下，保護裝置的可靠動作，有必要在深入分析分布式電源接入后對配電網(wǎng)電壓、潮流和網(wǎng)損等的影響，進而對傳統(tǒng)保護配置進行改進，為分布式發(fā)電技術(shù)在配電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用掃除技術(shù)上的障礙[6-13]。

本文首先通過分析光伏特性，說明分布式光伏輸出對并網(wǎng)的影響，接著進一步闡述了分布式電源接入配電網(wǎng)對配電網(wǎng)保護的影響，最后提出了一種分工況保護方案，對于配電網(wǎng)消納高滲透分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)具有積極意義。

1 光伏特性分析

自1839年法國科學(xué)家E.Becquerel發(fā)現(xiàn)了液體的光生伏特效應(yīng)，光伏電池的發(fā)電效率不斷提升，目前工業(yè)化單晶硅光伏電池的發(fā)電效率已經(jīng)超過30%，單晶、多晶和非晶光伏電池已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域。

1.1 光伏建模

如圖1所示的光伏等效電路，光伏等效內(nèi)部關(guān)系如式(1)～(3)，輸出電流為I，輸出電壓V.

(1)

Vd=V+RsI

(2)

(3)

圖1 光伏電池等效電路

其中，Id是流過二極管的電流(A)；Io是反向飽和電流(暗電流)(A)；Iph是光生電流(A)；Rsh是并聯(lián)電阻(Ω)；Rs是串聯(lián)電阻(Ω)；q是電子電荷(1.6×10-19C)；k是波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)；T是光伏絕對溫度(273+T1)；n是二極管品質(zhì)因子，實際攝氏溫度表示為T1，hv為光子能量。

由式(1)～(3)，得到輸出電流I表達式：

(4)

由于Rs一般數(shù)量級為mΩ，而Rsh一般數(shù)量級為Ω，因此式(4)可簡化為式(5).

(5)

當(dāng)光伏開路時，I=0，由式(5)可得到開路電壓Voc.

(6)

因此反向飽和電流Io可表示為

(7)

當(dāng)光伏短路時，此時Id非常小，可忽略，此時光伏的短路電流Isc等于輸出電流，即Isc=I，由式(4)得：

(8)

(9)

(10)

由式(1)到(5)光伏的輸出功率P可表示為式(10)。當(dāng)環(huán)境溫度和光照強度外界因素變化時，光伏電池的輸出功率會隨著外部因素的變化而變化。

1.2 光伏輸出特性

圖2 相同光照強度下光伏功率電壓輸出特性曲線

光伏的輸出特性具有強烈的非線性，且與光照強度有直接關(guān)系，一般來說，部分遮蔽下的輸出特性比相同光照強度下的輸出特性更為復(fù)雜。圖2顯示了光伏在相同溫度不同光照強度情況下的功率-電壓輸出曲線，其中光照強度變化為100 W/m2，光照強度變化范圍由100 W/m2～1 kW/m2，溫度為35 ℃.圖3顯示了光伏在復(fù)雜遮蔽情況下，光伏的功率-電壓特性。由圖可知，光伏輸出在任何情況下都存在一個實際的最大功率點，只是在相同光照強度情況下只有一個，在部分遮蔽情況下有多個。由于最大功率點跟蹤策略能夠有效提升光伏輸出的電能，因此得到了廣泛的應(yīng)用[15-16]。

此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率跟蹤策略，輸出功率達到最大功率Pmax后，該工況下的最佳工作電壓Vmpp和電流Impp的就決定了，工況不變，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率不可能發(fā)生變化。

圖3 復(fù)雜遮蔽下光伏功率電壓輸出特性曲線

2 分布式光伏接入對配電網(wǎng)保護的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般為放射狀結(jié)構(gòu)，因此在配置保護裝置時，通過采用三段式電流保護，可以簡單、經(jīng)濟和有效的實現(xiàn)線路的保護，如圖4所示。但是分布式電源接入配電網(wǎng)將給傳統(tǒng)的輻射型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的繼電保護帶來諸多影響，如繼電保護裝置的誤動、拒動或重合閘重合不成功等，其并網(wǎng)后給系統(tǒng)帶來的影響是不容忽視的[13-14]。其中，圖4是含有單個DG的配網(wǎng)系統(tǒng)，QF0、QF1、QF2、QF3、QF4和QF5是繼電保護開關(guān)，在饋線上接分布式電源。

圖4 含有分布式電源的配網(wǎng)系統(tǒng)圖

現(xiàn)對系統(tǒng)的故障分析如下：

(1)假設(shè)在系統(tǒng)線路AB上的K1點發(fā)生短路故障，如上圖所示，在QF0斷開前，系統(tǒng)短路電流由電源和分布式電源同時向故障點K1供應(yīng)，QF1上只流過系統(tǒng)電源提供的短路電流，小于K1處的短路電流值，QF1保護靈敏度降低。此外當(dāng)QF1動作后，由于DG任會向K1點提供短路電流，可能會使K1處的瞬時故障變?yōu)橛谰眯怨收希?/p>

(2)假設(shè)在系統(tǒng)線路BC上的K2點發(fā)生短路故障，在QF1斷開前，系統(tǒng)短路電流由電源和分布式電源同時向故障點K2供應(yīng)，QF2保護靈敏度增大；

(3)假設(shè)在系統(tǒng)線路K3點發(fā)生短路故障，系統(tǒng)短路電流由電源和分布式電源同時向故障點K3供應(yīng)，導(dǎo)致QF3上短路電流增加，QF3保護靈敏度增大；此外當(dāng)短路電流過大時，也有可能會導(dǎo)致上一級BC線路上的QF2動作，擴大故障范圍；

(4)假設(shè)在系統(tǒng)線路AD上的K4點發(fā)生短路故障，保護動作與K2點發(fā)生短路故障相識，系統(tǒng)短路電流由電源和分布式電源同時向故障點K4供應(yīng)，QF4保護靈敏度增大；

(5)假設(shè)在系統(tǒng)線路K5點發(fā)生短路故障，保護動作與K2點發(fā)生短路故障相識，系統(tǒng)短路電流由電源和分布式電源同時向故障點供應(yīng)，保護靈敏度增大；此外當(dāng)短路電流過大時，也有可能會導(dǎo)致上一級線路上的保護動作，擴大故障范圍；

綜上所述，高滲透分布式電源接入配電網(wǎng)會對配電網(wǎng)保護造成巨大的影響。分布式電源的接入一方面會造成上游線路故障時靈敏度降低、保護延遲、越級跳閘和擴大故障范圍等問題；另一方面會造成下游線路故障時靈敏度增加，同時也有可能造成故障點上一級越級動作，擴大故障范圍。

3 解決方案

分布式光伏作為分布式電源的重要成員之一，是最易于與城市建筑一體化的微電源，因此，高滲透分布式電源的未來發(fā)展方向也只可能是分布式光伏海量接入配網(wǎng)。目前，分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)均已采用了孤島檢測策略，即并網(wǎng)電流、電壓、頻率和相位等信息均需要按照一定時間間隔定期采集，其中系統(tǒng)逆變器的輸出電流與光伏陣列的輸出有直接關(guān)系，忽略掉控制器和逆變器的損耗，光伏輸出功率與并網(wǎng)功率是相等的。因此，設(shè)計高滲透分布式光伏接入配電網(wǎng)保護的策略應(yīng)包括以下三種情況：

(1)等功率：分布式光伏輸出Pmax與用戶端負載PLoad消耗完全相等，即分布式光伏并網(wǎng)但并不往配電網(wǎng)輸送電能。此時，線路上發(fā)生短路故障時，只需考慮是否孤島即可；

(2)欠功率：分布式光伏輸出小于用戶端負載消耗，即分布式光伏并網(wǎng)且需要配電網(wǎng)輸送給用戶端部分電能P'。線路上發(fā)生短路故障時，必將減少用戶端電能輸入，即分布式光伏輸出無法提供給用戶端負載足夠的電能供應(yīng)，必將導(dǎo)致電流或電壓的劇烈變化；

(3)過功率：分布式光伏輸出大于用戶端負載消耗，即分布式光伏并網(wǎng)且往配電網(wǎng)輸送部分電能。線路上發(fā)生短路故障時，分布式光伏并網(wǎng)端電流Ic必然有一個突然的增加，改變的大小與故障發(fā)生點距離線路始端的距離有關(guān)，距離越遠改變越??；同時，由于分布式光伏一般工作在最大功率點附近，即輸出功率是最大，當(dāng)發(fā)生短路故障時，輸出功率不可能進一步增大的情況下(此時光伏陣列輸出最佳電壓和電流不變)，并網(wǎng)電流Ic的增加必將導(dǎo)致并網(wǎng)電壓Vc的下降；如果是光伏陣列輸出電壓和電流變化導(dǎo)致的分布式光伏并網(wǎng)端輸出突變則不在考慮；因此在孤島檢測的同時判斷分布式光伏并網(wǎng)端并網(wǎng)電壓和電流的突變是否是因為光伏陣列突變導(dǎo)致的，是判定保護裝置是否動作的關(guān)鍵。如果并網(wǎng)電壓和電流發(fā)生突變，并判定并不是應(yīng)為光伏陣列由于遮蔽導(dǎo)致的輸出功率突降導(dǎo)致的，則計算故障電流Ik和故障區(qū)域，如果Ik大于KkIset，則保護動作，否則，保持并網(wǎng)狀態(tài)。其中，Kk是可靠系數(shù)，Iset是設(shè)定的動作電流。

圖5 分布式光伏并網(wǎng)電路

分布式光伏并網(wǎng)電路示意圖如圖5所示，在DC/DC變換器出口處可以采集到Pmax、Vmpp、Impp等相關(guān)數(shù)據(jù)，在DC/AC逆變器和電網(wǎng)并網(wǎng)處可以采集到P'、Vc、Ic、Pload等相關(guān)數(shù)據(jù)。由此得出，在孤島檢測的同時，利用采集到的電壓、電流、相位等突變信息，可以有效地判定配電網(wǎng)線路上是否出現(xiàn)了故障和故障發(fā)生的區(qū)域。上述解決方案如圖6所示。

圖6 分工況保護解決方案

4 結(jié)論

隨著與城市建筑一體化的分布式光伏滲透率的增加，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)固有的隨機性、間歇性和反調(diào)峰特性對配電網(wǎng)電能質(zhì)量、電壓波動、調(diào)壓、繼電保護、安全控制等各個方面帶來了不可忽視的影響。通過研究分布式光伏輸出特性，發(fā)現(xiàn)在孤島檢測的同時，對光伏陣列輸出端和分布式光伏并網(wǎng)端電壓和電流突變信息進行分析和控制，可以有效地實現(xiàn)配電網(wǎng)保護。