并网光伏电站短路特性分析与计算

《宁夏电力 》2011 年第 6 期 摘 要： 分析讨论并网光伏电站短路电流输出特性，提出并网光伏电站短路计算等效模 型，并基于 DIgSILENT仿真平台，结合实例对短路计算结果进行对比分析，验证了该短路计算 模型的有效性 。结果表明，区别于传统旋转电源，基于逆变技术的光伏发电短路电流输出特 性主要取决于逆变器电流饱和模块的限值 。 关键词： 并网光伏电站； 短路计算； 等效模型 中图分类号： TM71； TM727 文献标志码： B 文章编号： 1672- 3643（ 2011） 06- 0005- 03 并网光伏电站短路特性分析与计算 杨文华 （宁夏电力公司， 宁夏 银川 750001） Short-circuit characteristics analysis and calculation of Grid-connected photovoltaic power plant YANG Wenhua （ Ningxia Electric Power Company, Yinchuan Ningxia 750001, China） Abstract: Discuss and analize of grid-connected photovoltaic power plant output characteristics of short-circuit current. Then the equivalent circuit model for short-circuit calculating is proposed ,and the short-circuit calculation based on DIgSILENT is done and the effectiveness of short -circuit calculation model is verified. The result shows that the short-circuit current output characteristics of photovoltaic power generation, which is based on invert technology, is different from the traditional rotarypowergeneration. Keywords: grid-connectedphotovoltaicpowerplant;short-circuitcalculation;equivalentmodel 收稿日期： 2011-09-08 作者简介： 杨文华（ 1977），男，工学硕士，工程师，从事电力系统规划工作 。 以光伏为代表的清洁能源开发利用已经日益成 为社会各界关注的焦点 。在我国，清洁能源的开发采 用 “大规模集中式开发，远距离输送 ”和 “分布式开 发，就地消纳 ”并举 2 种模式 。其中分布式并网光伏 电站的建设和运营在满足本地的供电负荷和可靠性 需求，节能减排等方面具有重要的积极意义 。但是， 分布式并网光伏电站的接入在改变电网原有拓扑结 构和潮流方向的同时，也给电网带来了负面的影响， 主要体现在：规划设计 、电能质量 、运行控制 、安全保 护 、配电自动化 、电能交易等方面 [1-5] 。 本文重点讨论分布式光伏电站的短路电流输 出特性及其对电网继电保护的影响，在此基础上 提出并网光伏电站的短路电流等效计算模型，并 基于 DIgSILENT 仿真平台进行对比验证 。 1 对 继 电 保 护 影 响 的 定 性 分 析 光伏电站作为分布式发电的一种形式，接入 5· · 《宁夏电力 》2011 年第 6 期 电网后可能对原有的继电保护造成影响 。图 1 所 示为一简单配电网结构，分布式光伏电站（ DG）接 在线路上 。通过分析可知： （ 1）当 F1 点发生短路故障时，由于光伏电站 的接入，流过保护装置 1 和 2 的故障电流增大， 对于定时限过电流保护有利于保护的动作，但对 于保护装置 2 的速断保护和限时速断保护，其保 护范围可能会延伸到下一条线路，引起其保护的 误动，从而失去选择性； （ 2）当 F2 点发生短路故障时，由于光伏电站 的接入，流过保护装置 3 的故障电流减小，保护装 置 3 的速断保护范围减小 、限时速断保护和定时 限过电流保护的灵敏度降低，可能引起保护装置 3 的拒动或延时动作； （ 3）当 F3 点发生短路故障时，由于光伏电站 的接入可能会引起保护装置 3 的反向误动； （ 4）当 F4 点发生短路故障时，光伏电站接入 的影响同（ 1），可能会引起保护装置 4 的误动 。 当光伏电站接在母线 B 处时，对保护影响的 理论分析同（ 1） 、（ 3）和（ 4） 。 2 光 伏 电 站 等 效 短 路 计 算 模 型 光伏电站为逆变型分布式电源 。由于逆变器 等电力电子装置的热过载能力很低，为了保护元 件不被损坏往往限制逆变器的输出电流，这就意 味着逆变型并网的分布式电源在电网故障时对故 障点短路电流的贡献不可能很大 。文献［ 3］中的研 究成果表明：逆变型分布式电源短路电流一般为 （ 2~4）倍的额定电流，持续时间大约为 1.2 ms~5 ms， 约为（ 0.06~0.25）个周波，具体取决于控制装置 [6-7] 。 根据一个实际光伏电站的试验结果表明瞬时短路 电流在 2 倍额定电流范围内，持续时间小于 200 μs， 逆变器在故障后 0.5 个周波关断 [8] 。 逆变器具体的短路电流特性可以从其控制系 统的传递函数中详细得知 。当系统发生短路故障 时，逆变器提供的电流增大，直到达到饱和模块的 限定值 。在此刻起，电压外环的反馈回路将被破 坏，双环控制回路变成了单独的电流控制回路，其 参考电流为一个定值 [9] 。电流控制环节如图 2 所示 。 由图 2 可以得到并网逆变器在故障情况下输 出的电压和电流关系： I（ S） ＝ G（ S） SL+R+G（ S） I*（ S） - 1 SL+R+G（ S） U s （ S）（ 1） 式中： U s — 并网逆变器故障情况下的输出电压； I — 并网逆变器故障情况下的输出电流； I* — 电流饱和限值 。 实际计算中 U s 、I、I* 可取以逆变器额定容量为 基准的标幺值 。 从式（ 1）中可以看出，加入电流饱和限制模块 的逆变器在故障情况下的动态响应特性可以等效 为一个受控电流源和一个并联阻抗，等效电路如 图 3 所示 。 由于逆变器控制器的响应速度很快，在电网 发生扰动后几个毫秒内便能够达到稳态值，在系 统达到稳态（电压扰动量消失）时，输出短路电流 等于电流饱和回路设定值 [10] 。 图 3中， I 为光伏系统在额定负荷运行情况下 的额定电流； I* 为电流饱和模块设定值； G * （ S）为 受控电流源传递函数； Z（ S）为并联阻抗传递函 图 1 分布式光伏电站接入对保护的影响 图 2 电流控制环节 并网光伏电站短路特性分析与计算 图 3 动态响应等效模型 6· · 《宁夏电力 》2011 年第 6 期 数 。因此在分析光伏电站对配电网继电保护最恶 劣的影响时，可在短路电流计算中将其等效为一 个电流源 。根据相关技术规定当检测到电网侧发 生短路时，光伏电站向电网输出的短路电流应不 大于额定电流的 150%，短路电流计算中典型系 数可取 1.5。 3 短 路 电 流 定 量 计 算 分 析 3.1 配电网系统等值参数的确定 图 4 所示为某 10 kV 配电网结构，本文基于 DIgSILENT 仿真平台建立含光伏发电接入的该配 电网络模型，并对光伏电站的短路特性进行定量 计算和分析，该配电网系统等值参数如下 。 3.1.1 系统等效阻抗及短路容量 最大运行方式下的系统等效阻抗为 0.35 Ω， 最小运行方式下的系统等效阻抗为 0.70 Ω。母线 A 的基准电压为 10.5 kV，母线 A 的最大短路容量 为 300 MVA，最小短路容量为 150 MVA。 3.1.2 线路参数 线路型号为 LGJ-150、线路电抗为 0.34 Ω/km， 电阻为 0.24 Ω/km，额定电流为 500 A，线路 AB 长 为 5 km， BC 长为 6 km， CD 长为 8 km， AE 长为 5 km， EF 长为 7 km， AG 长为 5 km， GH 长为 7 km。 3.1.3 负荷模型 仿真模型中由于没有采用无功补偿装置，为 保证系统内各点电压不至于过低，负荷的功率因 数取 0.98 且为恒阻抗模型 。这样处理对仿真结 果不造成影响 。在母线 B、C、D 处分别接入容量 为 1 MVA 的恒阻抗负荷，在 E、F、G、H 处分别接 入容量为 2 MVA 的恒阻抗负荷 。 3.1.4 保护配置 在各段线路的首端分别配置瞬时电流速断保 护和限时电流速断保护 。 设光伏电站的容量设置为 8 MW，以单位功率 因数输出，在系统最大运行方式下运行 。分别采用 考虑保护环节的逆变器详细模型和等效电流源模 型进行对比验证 。 3.2 仿真分析 3.2.1 仿真分析（ 1） 光伏电站接入母线 A，以单位功率因数输出， 仿真数据如表 1 所示 。 两种模型接入母线 A 后在各段线路末端进行 三相短路电流计算，流过各段线路首端的短路电 流最大不超过光伏电站接入前短路电流的 0.3%， 因此可以忽略其对瞬时电流速断保护的影响 。同 时根据电力系统中三相短路和两相短路之间的关 系可以推知，光伏电站接入后对限时电流速断保 护的影响也可以忽略 。另外，通过仿真分析可知两 种模型对短路电流的贡献基本相同 。 根据叠加原理可知，光伏电站提供的短路电 流会通过系统阻抗和线路阻抗分流，由于仿真中 系统阻抗相对线路阻抗很小，光伏电站提供的短 路电流大部分流向系统，因此，故障点短路电流的 增加量很小 。 3.2.2 仿真分析（ 2） 光伏电站接入分段母线 B，仿真数据如表 2所示 。 两种模型接入分段母线 B 后，在光伏电站接 入的同一馈线的下游发生短路故障时，短路电流 增加的水平较大，在母线 C 发生三相短路时短路 电流水平增加量分别达到了 7.9%和 8.5%；而在光 图 4 10 kV 配电网结构 并网光伏电站短路特性分析与计算 （下转第 21 页） 表 1 接入母线 A 三相短路电流仿真数据 故障点 DG 接入前 DG 接入后 详细模型 等效模型 母线 B 2.652 2.657 2.654 母线 C 1.285 1.286 1.285 母线 D 0.750 0.751 0.751 母线 E 2.655 2.659 2.657 母线 F 1.174 1.174 1.174 kA 表 2 接入分段母线 B 三相短路电流仿真数据 故障点 DG 接入前 DG 接入后 详细模型 等效模型 母线 B 2.652 2.652 2.652 母线 C 1.285 1.387 1.394 母线 D 0.750 0.812 0.816 母线 E 2.655 2.656 2.655 母线 F 1.174 1.174 1.174 kA 7· · 《宁夏电力 》2011 年第 6 期 伏电站接入的相邻馈线发生短路故障时，短路电 流基本不变 。瞬时电流速断保护在可靠系数取 1.2 [11] 的情况下，只有当流过相应保护的短路电流 的增量超过 20%时才可能会发生误动现象，而本 文两种模型中流过各保护的短路电流的最大增 量为 8.5%，因此不会破坏保护之间原有的配合， 相反由于光伏电站的接入，提高了保护装置 1 和 2 的灵敏度 。 4 结 论 （ 1）本文深入分析讨论了并网光伏电站短路 电流输出特性及其对配电网原有保护的影响，在 此基础上建立了并网光伏电站短路计算等效电流 源模型，并通过仿真对比验证了模型的有效性 。 （ 2）基于逆变技术的光伏发电短路电流输出 特性区别于传统旋转电流，主要取决于逆变器电 流饱和模块的限值 。 （ 3）光伏电站接入对配电网原有保护的影响 程度，取决于光伏电站的装机容量 、接入位置 。只 有光伏电站在电网故障时短路电流输出达到一定 的程度才可能导致保护的误动或拒动 。 （ 4）光伏电站接入对原有保护的影响还与光 伏电站以及系统的运行方式有关，下一步将作深 入的研究与探讨 。 参考文献 : ［ 1］ 刘振亚 . 智能电网技术［ M］ . 北京 : 中国电力出版社 , 2010. ［ 2］ 惠欣 . 分布式发电及其对配电网的影响［ J］ . 宁夏电 力 , 2009, 4: 25-28. ［ 3］ 李黎 . 分布式发电技术及其并网后的问题研究［ J］ . 电 网与清洁能源 , 2010, 2: 55-60. ［ 4］ 冯希科 . 考虑分布式发电的配电网保护方案研究［ D］ . 上海：上海交通大学， 2010. ［ 5］ 郭铭 . 含分布式发电系统的配电网保护研究［ D］ . 上 海：上海交通大学， 2010. ［ 6］ 丛伟 , 潘贞存 , 王成山 , 于春光等 . 含高渗透率 DG 的 配电系统区域纵联保护方案［ J］ . 电力系统自动化 , 2009, 33（ 10） : 81-84. ［ 7］ 赵为 . 太阳能光伏并网发电系统的研究［ D］ .合肥：合 肥工业大学， 2003. ［ 8］ J. Kelle,B. Kroposki. National Renewable Energy Labo－ ratory［ Z］ .Understanding Fault Characteristics of Invert－ er-Based Distributed Energy Resources , 2010. ［ 9］ Roberto Caldon, Fabrizio Rossetto, Roberto Turri， Analysid of Dynamic Performance of Dispersed Genera－ tion Connected Through Inverter to Distribution Net－ works［ C］ . 17 th International Conference on Electricity Distribution .2003： 12-15. ［ 10］董鹏 . 微网的控制与保护策略研究［ D］ .北京 : 华北电 力大学 , 2009. ［ 11］张保会 ,尹项根 .电力系统继电保护［ M］ . 北京 :中国电 力出版社 ,2009. !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接第 7 页） 进行了全面改造，考虑配电自动化系统建设的需 要，优先使用带有电动操作机构的断路器及高质 量熔断器等免维护或少维护的新技术设备 。既有 效减少了供电元器件故障率及不必要的维护，又 缩短了因设备维护造成的计划停电时间 。 5 结 论 （ 1）经过近几年可靠性管理工作的开展，银川供 电局供电可靠性取得了一定的进步 。但供电可靠性 指标水平与国内先进供电企业还有一定差距，针对 此情况，银川供电局还需进一步加强可靠性管理，以 科学发展的眼光深入研究提高可靠性的对策措施 。 （ 2）应从控制预安排停电率入手，通过新技 术 、新设备的应用，减少预安排停电对可靠性的影 响，提高设备的健康水平，杜绝因设备故障引起的 停电事故，加强防外力破坏手段 。 （ 3）在今后的配网建设规划中应进一步加大 主 、配网之间，以及与地方城市建设规划的有效衔 接力度，加强配网的网架结构研究和建设，试点开 展电缆旁路作业，减少检修停电范围；根据国网公 司要求，探讨配网状态检修，制定实施方案；深化 配电自动化实用化应用，提升自动化和智能化水 平，继续提高城市供电可靠性 。 参考文献： ［ 1］ 王益民，张磊，赵鹏 .用户供电可靠性管理工作手册 ［ M］ .北京：中国电力出版社， 2009. ［ 2］ 陈德润 、彭育涛 、陈忠明 .浅谈如何提高配电网可靠性 ［ J］ .都供电力， 2011（ 03）： 14-15. 银川供电局城市配电网供电可靠性管理 21· ·