光伏电站并网对配电网继电保护的影响

分布式电源 低压电器 （ 2011No． 23）陶 梅 玉 （ 1965 ） ，男 ， 工程师 ， 从事电力系统及其自动化等 方 面 的 管 理 工作 。光伏电站并网对配电网继电保护的影响陶梅玉 ， 余 婕 ， 钱 军 ， 余 涛（ 上海市电力公司 市南供电公司 ， 上海 200233）摘 要 基于 PSCAD/EMTDC 仿真平台 ， 研究了光伏电站接入放射式配电网后 ， 对反时限过流保护 、 母线自投切装置 、 自动重合闸装置产生的影响 。 仿真结果得到了验证 。关键词 光伏电站 ； 放射式配电网 ； 继电保护 ； PSCAD 仿真中图分类号 TM 615 ． 2 文献标志码 A 文章编号 1001-5531（ 2011） 23-0037-05Effects of Photovaltaic Station on Relay Protection inPower Distribution SystemTAO Meiyu， YU Jie， QIAN Jun， YU Tao（ SouthernPower Supply Company， ShanghaiMunicipal Electric PowerCompany， Shanghai200233， China）Abstract The effects of PV station on relay protection and the causesof different effects in most common ra-dial distribution systemwere studied ．The relay protection includes inverse time relay with definite minimum time o-ver-current protection， bus automationswitching and automation-closure device ．Simulation results was verified ．Key words PV station； radial distribution system； relay protection ； PSCAD simulation余 婕 （ 1982 ） ， 女 ， 硕士研究生 ， 研究方向为电网调度 、 光伏发电与电网接入技术等 。钱 军 （ 1967 ） ， 男 ， 工程师 ， 从事电网调度及其自动化等方面的研究工作 。0 引 言太阳能是最为丰富的可再生能源 ， 具有安全 、清洁 、 分布广泛 、 用之不尽等特点 ， 被认为是化石能源的理想替代 。 而光伏发电则是太阳能的有效利用形式 。 近年来 ， 世界各国均加深了对光伏发电技术的研究和推广 ， 光伏产业已成为发展最迅速的高科技产业之一 ［ 1］ 。由于光伏电站容量较小 （ 一般小于 10 MW） ，并网运行是目前最为普遍的运行方式 。 但对于常见的放射式配电网络 ， 光伏电站的接入改变了原有拓扑结构 ， 对配电网的短路电流大小 、 潮流方向等产生不可避免的影响 ［ 2］ 。 此外 ， 可能引发的孤岛运行对母线自投切装置以及自动重合闸装置也产生一定影响 。 配网继电保护装置对供电可靠性 、 设备安全稳定运行至关重要 ， 因此光伏电站并网后 ， 对配电网原有继电保护配置进行相应改造 ，适当调整调度运行方式是必要的 ［ 3］ 。1 放射式配网的特点以及保护配置配网的结构类型主要包括环网式 、 树干式和放射式 。 其中放射式接线简单可靠 、 保护整定容易 、 扩充方便 ， 应用最为广泛 ［ 4］ 。 以枢纽光伏电站为实例进行研究 ， 配网结构图如图 1 所示 。图 1 光伏电站并网点配网结构图73低压电器 （ 2011No． 23） 分布式电源 1． 1 反时限过流保护反时限保护使用的是反时限保护的标准式 ，即 t 0． 14 KII op0 ． 02－ 1式中 t 反时限动作的时间 ， 为检测电流值 I 的减函数I 故障相电流的有效值I op 起动电流 ， R1、 R2 、 R3、 R6 取 320 AK 动作常数 ， 取 0． 051． 2 母线自切装置二分段母线配有母线自投切装置对提高供电可靠性有非常重要的作用 。 正常运行时 ， 两段母线分段运行 ， 自切装置实时检测母线电压 。 当检测到某段母线电压持续跌落在正常水平以下 ， 而另一段母线电压水平正常时 ， 自切保护动作 ， 使非正常电压的母线进线断路器分闸 ， 母线分段断路器合闸 ， 实现负荷转移 ， 从而提高供电可靠性 ， 提高了电网的稳定运行能力 。 实例中采用的 10 kV分段自 切 保 护 整 定 值 （ 一 次 测 ） 为 有 压 监 测6． 5 kV； 失压鉴定 2． 5 kV， 延时 2． 5 s； 自切后加速0． 2 s。1． 3 前加速重合闸装置10 kV 等效模块配置了前加速重合闸 ， 当测得短路电流值非常大时 ， 先快速反应使断路器分闸 ， 经一定延时进行合闸 ； 若故障切除 ， 则系统经过自调整后能够稳定运行 ； 若故障未切除 ， 则通过反时限过流保护跳开断路器 ， 切除故障 。 前加速保护能够实现快速切除大电流短路 ， 提高供电可靠性 ［ 5］ 。2 光伏电站并网对反时限过流保护的影响2． 1 可能性分析图 1 的 A 点发生短路故障时 ， 由于光伏电站的并网 ， 使系统短路电流发生变化 。 保护 QF6 短路电流测量值实际上由 35 kV 等效模块和光伏电站共同提供 ， 该值显然大于光伏电站未并网时的短路电流值 。 因此保护 QF6 的灵敏度将有所提高 ［ 6］ 。 并网后对反时限继电保护造成的影响视故障类型不同有所差异 ， 主要包括以下两点 （ 1） 该网络为非直接接地系统 ， 光伏电站接入前发生故障时 ， 短路电流较直接接地系统小 。发生单相短路故障时 ， 系统可持续供电 2 ～ 3 小时 。 当光伏电站并网后 ， 若 A 点发生单相短路故障 ， 光伏电站助增 A 点的短路电流 ， 可能导致实际短路电流值达到反时限过流的整定值 ， QF6 保护动作于开关跳闸 ， 使系统不再具有单相短路短时运行的能力 。（ 2） 在 A 点发生较为严重的短路故障时 ， 保护 QF10 将感受到由光伏电站提供的电流 ， 当光伏电站的容量较大时 ， 这个电流有可能超过保护QF10的整定值 ， 使得保护 QF10 误动作 。利用不对称短路分析法将图 1 所示线路的二段母线进行序网分解 ［ 7］ 。 各序网络如图 2 所示 。其中虚线部分为光伏电站并网后相对序网所增添的部分 。（ a） 正序网络（ b） 负序网络（ c） 零序网络图 2 正负零序网络假设对于 A 点 ， 并网前的各序等值电抗为x 、 x － 、 x0 ， 并网后为 x 、 x － 、 x 0， 则显然有如下关系 x x / /（ xpv xT10 x1 ）x － x－ / /（ xpv － xT10－ x1 － ）x 0 x0短路电流的变化取决于三序阻抗的变化 。 其中 x 的大小和光伏电站的容量正相关 。 即如果光伏电站容量较小 ， xpv 值较大 ， 对 x 造成较小的影响 。 x_ 的变化大小和光伏电站逆变器的控制83 分布式电源 低压电器 （ 2011No． 23）策略有关 ， 若采用正负序解耦控制 ， 并且抑制负序电流 ， 则 xpv- 的值较大 ， 对 x_的影响可以忽略 。 由于光伏并网变压器为 dyn11 型变压器 ， 光伏电站发出的零序电流不会流入电网中 ， 对电网零序阻抗没有影响 。2． 2 仿真验证以忽略使用对比法 ， 在 PSCAD/EMTDC 中搭建仿真模型 ， 对并网和非并网两种模式进行 A 点短路故障仿真 ， 选取 4 种最常见的故障类型 ， 即单相接地短路 、 两相不接地短路 、 两相接地短路和三相短路 。 故障为瞬时性故障 ， 在仿真时间 0． 8 s后引入 ， 2． 8 s 后自动清除 。 调整光照辐射度 ， 令光伏电站出力最大 ； 稳态运行时光伏电站输出电流有效值为 310 A。 记录各自的短路电流最大值 ， 光伏电站输出电流最大值以及反时限保护动作时间 ， 数据见表 1。由该表可得 ， 并网之后 ， 各种故障的短路电流都有上升的趋势 。 但是就本例而言 ， 相较于 35 kV等效网络的短路容量 ， 光伏电站的装机容量较小 ，并网之后对短路电流的影响较小 。 并网后 ， QF6灵敏度的增加幅度较小 ， 单相短路故障情况下仍能保持运行 。 只要 QF10 的电流起动值选取适当 ，就不会造成 QF10 的误动作 。 但是随着今后光伏电站容量的增大 ， 或者光伏电站接入点的增多 ， 将造成短路电流的增大 ， 加深对保护整定的影响 。表 1 反时限过流保护影响仿真分析故障类型光伏电站非并网运行状态短路点短路电流 /A 反时限保护动作时间 /sA-G 154 不动作AB 11 022 0． 903 0AB-G 10 961 0． 903 0ABC-G 13 254 0． 896 8故障类型光伏电站并网运行状态短路点短路电流 /A光伏电站输出短路电流 /A反时限保护动作时间 /sA-G 168 322 不动作AB 11 171 556 0． 902 0AB-G 11 117 553 0． 902 0ABC-G 13 729 571 0． 896 03 光伏电站并网对母线自切保护的影响3． 1 可能性分析当图 1 系统进线发生严重断线或者短路故障时 ， 母线将与 35 kV 等效大电网脱离 。 并网状态下 ， 光伏电站与二段母线的其余负载构成了电力孤岛 。 由于光伏电站出力无法调节 ， 输出功率取决于环境因素 ， 无法支持孤岛运行 ， 因此孤岛系统的电压幅值和频率会随着系统负载情况的不同而产生较大差别 。 若自切装置依然选取前述的控制手段 ， 可能对电网造成如下的影响 （ 1） 仅在 B 点发生断线故障 ， 二段母线上的光伏电站与负载形成电力孤岛 ； 孤岛区域电压提升 ， 自切装置低压检测失效 ， 无法实现自切动作 。（ 2） 在 B 点与 C 点同时发生断线故障 ， 二段母线上的光伏电站与负载仍形成电力孤岛 ； 此时孤岛区域的电压提升 ， 一段母线的电压跌落 ， 自切装置检测到两段母线电压值满足自切动作条件 ，错误地进行合闸操作 ， 致使孤岛区域扩大至一段母线 。3． 2 仿真验证针对上述的两种影响 ， 做相应的仿真分析 ， 研究并网与非并网状态下发生断线故障 （ 故障在0． 8 s引入 ， 持续 2 s） ， 系统自切装置的动作特性 。3． 2． 1 仅在 B 点发生断线故障母线断路器状态值为 1 和 0 分别代表断路器断开状态与合闸状态 。 由图 3 可得 ， 发生断线故障后 ， 二段母线所连接的光伏电站与负载不匹配 ，进入孤岛运行状态 ， 运行电压高达 19 kV， 自切装置无法进行正确判断即实施合闸动作 。3． 2． 2 在 B 点与 C 点同时发生断线故障由图 4 可得 ， 发生断线故障后 ， 二段母线所连接的光伏电站与负载不匹配 ， 系统进入孤岛运行状态 ， 一段母线失电 ， 此状态符合自切装置动作要求 ， 自切装置在此状态持续 2． 5 s 后合闸 ， 致使孤岛运行的范围进一步扩大 。综合上述两种分析 ， 在光伏电站并网后 ， 若保护配置不当 ， 将出现孤岛运行 ， 甚至还可能导致孤岛运行范围的进一步扩大 。 因此 ， 需要引入孤岛检 测 装 置 ， 及 时 将 光 伏 电 站 从 系 统 中 切 除 。IEEE Std ． 929 2000住宅和中继光电系统设备接93低压电器 （ 2011No． 23） 分布式电源 （ a） 母线自切断路器动作情况（ b ） 二段母线线电压有效值（ c） 二段母线电压频率图 3 仿真结果 B 点断线故障口用推荐规范标准中规定 一旦电网停止供电 ， 分布式电源必须在 2 s 内检测到孤岛状态并停止向周围的负载提供电能 。4 光伏电站并网对前加速重合闸的影响4． 1 可能性分析该系统原为单侧电源的放射性结构 ， 线路前加速重合闸成功恢复供电时 ， 对设备并不会造成破坏 。 光伏电站接入后 ， 一旦故障引起前加速动作 ， 断路器跳闸 ， 光伏电站与二段母线上的负载形成电力孤岛 ， 与外系统的电压无论在波形 、 幅值 、频率上都存在不同 。 若保护 QFi2 重合闸成功 ， 将导致外系统与孤岛系统非同期并列 。 由于合闸冲击电流很大 ， 对系统内的发电机 、 变压器等设备造成严重的冲击 ， 甚至可能使故障电弧重燃 ， 绝缘损坏 。 此外 ， 机组将发生剧烈振荡 ， 使转轴变形甚（ a） 母线自切断路器动作情况（ b） 一段母线线电压有效值（ c） 二段母线电压频率图 4 仿真结果 B、 C 同时断线故障至断裂 ［ 10］ 。 就整个系统而言 ， 光伏电站还可能造成系统发生功率振荡 ， 扰乱系统的正常运行 ， 严重时可能导致系统崩溃 。重合闸瞬间 ， 会产生较大的冲击电流 ， 这可能导致邻近的线路发生误动作 。 重合后 ， 系统发生功率振荡 ， 无法稳定地运行 。 因此 ， 光伏电站接入使得自动重合闸无法正常工作 。 为了解决自动重合闸的非同期合闸故障 ， 光伏电站并网点应该要安装孤岛检测装置 ， 在检测到孤岛后将光伏电站与系统解列 。 并且重合闸时 ， 需要安装检同期装置 ， 避免非同期重合闸的发生 。4． 2 仿真验证仿真进行 0． 8 s 后在 D 点引入瞬时性三相短路故障 ， 故障时间延续 0． 05 s， 保护 QFi2的前加速重合闸起动 ， 在 1． 8 s 发生重合闸动作 ， 图 5 分别为重合闸 D 点 A 相电流波形以及光伏电站输出功率的波形 。04 分布式电源 低压电器 （ 2011No． 23）图 5 D 点 A 相电流有效值波形图及光伏电站输出功率5 结 语随着光伏电站的装机容量的不断增大 ， 对并网系统的继电保护将会产生更严重的影响 ， 因此 ，在光伏电站并网前 ， 必须对系统原有的继电保护装置进行合理调整 ， 才能确保并网后系统仍可安全可靠运行 。 此外 ， 需要引入孤岛检测装置 ， 以确保及时检测到孤岛状态后迅速将光伏电站解列 。当光伏电站容量较大时 ， 一般不能与系统解列 ， 因此 ， 还要进行孤岛运行策略的研究 ， 实现孤岛情况下功率的控制 。【 参 考 文 献 】［ 1］ 赵平 ． 并网光伏发电系统对电网影响的研究 ［ J］ ．电气技术 ， 2009（ 3） 41-44．［ 2］ 昌金铭 ． 国内外光伏发电的新进展 ［ C］ / / 袁竹林 ，金保升 ． 可再生能源规模化发展国际研讨会暨第三届泛长三角能源科技论坛论文集 2006 ．［ 3］ 杨文宇 ， 杨旭英 ， 杨俊杰 ． 分布式发电及其在电力系统中应用研究综述 ［ J］ ． 电网与水力发电进展 ，2008， 24（ 2） 39-43．［ 4］ 苏剑 ， 刘伟 ， 彭冬 ， 等 ． 光伏发电接入智能配电网后的 系 统 问 题 综 述 ［ J］ ． 电 网 技 术 ， 2009， 33（ 19） 1-6．［ 5］ 张弘鹏 ， 余贻鑫 ． 配电网拓扑结构概念聚类及其在优化规划中的应用 ［ J］ ． 电力系统自动化 ， 2003，27（ 22） 31-35．［ 6］ 刘为 ． 配电网输电线路反时限过流保护探讨 ［ J］ ．继电器 ， 2003， 31（ 3） 23-25．［ 7］ 章红 ， 李林 ． 前加速重合闸与后加速重合闸优缺点的论述 ［ J］ ． 林业科技情报 ， 2005， 37（ 1） 23-25．［ 8］ 周卫 ， 张尧 ， 夏成军 ， 等 ． 分布式发电对配电网继电保护的影响 ［ J］ ． 电力系统保护与控制 ， 2010， 38（ 3） 1-5．［ 9］ 刘凯 ． 基于故障分量正序 、 负序和零序综合阻抗的线路 纵 联 保 护 新 原 理 ［ J］ ． 电 力 自 动 化 设 备 ，2010， 30（ 4） ［ 10］ 曹海燕 ， 田悦新 ． 并网逆变器孤岛控制技术 ［ J］ ．电力系统保护与控制 ， 2010， 38（ 9） 72-74．收稿日期 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿2011 － 10 － 08（ 上接第 31 页 ）［ 10］ WU K D， WU J C， JOU H L， et al ．Simplified controlmethod for parallel- connected DC/AC inverters［ J］ ．IEE Proceedings on Electric Power Applications，2006， 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