分布式光伏接入配電網(wǎng)繼電保護的解決方案

崔查秀

內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司阿拉善電業(yè)局，內(nèi)蒙古 阿拉善 750306

0 引言

近年來，經(jīng)濟發(fā)展帶來的環(huán)境問題日益加重，為此我國提倡加大新型清潔能源的開發(fā)與應(yīng)用，以風(fēng)電與光伏發(fā)電為代表的新發(fā)電技術(shù)獲得迅速發(fā)展，使能源問題得到有效改善。結(jié)合分布發(fā)電與大電網(wǎng)，以節(jié)約更多的資本與能耗投入，提升電力系統(tǒng)的靈活性和可靠性。為了避免分布光伏接入配電網(wǎng)后對繼電保護產(chǎn)生的影響，可對保護配置進(jìn)行改進(jìn)，使分布發(fā)電的應(yīng)用問題得到妥善解決。

1 配電網(wǎng)繼電保護裝置

1.1 無時限電流速斷保護（Ⅰ段保護）

在短路故障保護范圍內(nèi)，保護裝置在符合常規(guī)要求情況下，可以通過增加負(fù)荷電流的方式為短路電流提供保護依據(jù)，并能夠隨時切斷短路電流。由于其具有無時限保護的特點，動作時間為零，可使保護裝置更具選擇性。在大部分情況下，保護范圍不涵蓋該條線路末端。在短路狀態(tài)下，依靠保護裝置的最大短路電路，可對三相短路電流進(jìn)行整定，整定公式如下：

式中：I1為保護動作電流；K1為可靠系數(shù)，取值范圍為1.2～1.3；Imax為短路電流最大值。

其中，K1指標(biāo)的引入可使速斷保護區(qū)間內(nèi)保護裝置能夠靠動作，使短路故障被有效切除。在電力系統(tǒng)中，無論是硬件設(shè)備還是軟件計算期間均可能產(chǎn)生不同誤差，導(dǎo)致實際短路電流超過理論值，同時需要分析必要的裕度，有必要引入可靠系數(shù)[1]。

1.2 限時電流速斷保護（Ⅱ段保護）

通常情況下，無時限電流速斷保護適用于主保護中，但無法對線路全長進(jìn)行保護，需要與其他方式配合使用。限時電流速斷保護可使整段線路得到保護，還可在Ⅰ段保護拒動情況下進(jìn)行近后備保護，依靠較短的延時將線路中任意位置的故障切除。要想提高整條線路的保護效果，要求保護范圍超過該條線路直到線路末端。當(dāng)該線路起始位置發(fā)生故障時，線路中的限時電流速斷保護便會開啟。為了確保繼電保護選擇性，可在限時電流保護延遲后再動作，需盡量減少延時，以滿足裝置的速動要求。該保護模式的整定公式為

式中：Iop1為該線路中動作電流；K1為可靠系數(shù)，取值范圍為1.1～1.2；Iop2為電流Ⅰ段的動作電流。

為了保障不同段之間的合理保護，限時電流保護動作應(yīng)超過Ⅰ段的時限，其表達(dá)式為

式中：t1為限時速斷保護動作時限；t2為電流Ⅰ段動作時限，通常為0 s；Δt為時限階段。

1.3 過電流保護（Ⅲ段保護）

過電流保護的原理是根據(jù)線路選擇性要求，當(dāng)電流發(fā)生故障時可通過保護裝置，將故障線路切除。此類電流可分為兩種：一種是以動作時間為定值進(jìn)行保護；另一種是動作時間與短路電流為反比時的保護，但動作整定值均相同，即超過線路正常運輸電流時，應(yīng)對繼電器中的自啟動電流進(jìn)行復(fù)位。整定公式如下：

式中：Ire為返回系數(shù)，通常取0.85；Krel為可靠系數(shù)，取值范圍為1.15～1.25；Kss為自起動系數(shù)，取值范圍為1～3；ILmax為被保護線路中負(fù)荷電流最大值。

為了確保電流的選擇性，對動作時間進(jìn)行分析。該項保護為第三段保護，在每組電流保護中，過電流動作時間均為最長。

2 分布式光伏接入配電網(wǎng)保護的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以放射狀為主，在設(shè)置保護裝置時，可通過三段式電流保護方式，簡單高效地完成線路保護工作。但是，分布式光伏與配電網(wǎng)相連后，將對輻射型配電網(wǎng)繼電保護產(chǎn)生較大影響，如保護裝置拒動、勿動，重合閘不順利等，在并網(wǎng)后為系統(tǒng)帶來的影響較大。以帶有單一分布式電源的配網(wǎng)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，配網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。圖1中，QF0～5均為繼電保護開關(guān)，將分布式電源連接在饋線上[2]。

圖1 配網(wǎng)系統(tǒng)圖

（1）如果在AB線路中的K1位置發(fā)生短路，在QF0斷開前，短路電流從電源、分布電源一同傳入K1點，在QF1上只流過電源中的短路電流，與K1位置的短路電流相比較短，QF1保護靈敏度減少。此外，在QF1發(fā)生動作后，因分布式電源仍然向K1位置傳輸短路電流，容易將K1位置的瞬時故障變?yōu)橛谰眯浴?/p>

（2）如果在BC線路中的K2位置發(fā)生短路，在QF1正式斷開前，短路電流從電源與分布電源一同流入K2位置，此時QF2的靈敏度提升。

（3）如果在K3位置出現(xiàn)短路情況，短路電流則從電源、分布電源的位置向故障點K3位置流動，此時QF3上的短路電流值提升，靈敏度也會隨之增加。值得注意的是，當(dāng)短路電流增加到一定值后，容易引發(fā)BC線路中的QF2動作，擴大故障范圍。

（4）如果在AD線路中的K4位置出現(xiàn)短路，保護動作與K2處的故障相似，短路電流從電源與分布電源一同從超過K4的位置流入，此時QF4位置的靈敏度提高。

（5）如果在K5位置出現(xiàn)短路，保護動作與K2位置相識，短路電流從電源與分布電源一同流入故障位置，此時靈敏度會提升。當(dāng)短路電流達(dá)到一定程度后，也可能造成一級線路保護動作，使故障范圍擴大[3]。

3 分布式光伏接入配電網(wǎng)保護方案具體實施

當(dāng)前，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)利用孤島檢測策略，包括電壓、電流、頻率、相位等方面，均嚴(yán)格按照特定時間間隔進(jìn)行采集，其中逆變器、光伏列陣輸出之間存在緊密聯(lián)系，可忽視控制器與逆變器間的損耗，使光伏輸出與并網(wǎng)間的功率相同。對此，可采取以下措施進(jìn)行光伏接入配電網(wǎng)保護。

（1）在等功率策略中，光伏輸出與用戶端負(fù)載的消耗基本相同，即光伏并網(wǎng)并不向配電網(wǎng)中傳輸電能。在此情況下，如果線路出現(xiàn)短路情況，只需判斷是否出現(xiàn)孤島即可。

（2）在欠功率策略中，光伏輸出低于用戶負(fù)載消耗，即光伏并網(wǎng)需要配電網(wǎng)運送給用戶端的電能。當(dāng)線路出現(xiàn)短路故障時，將降低用戶端電能輸入，即光伏輸出難以為用戶端提供充足的電能供應(yīng)，導(dǎo)致電壓或電流值發(fā)生巨大變化。

（3）在過功率策略中，光伏輸出超過用戶負(fù)載消耗，即光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)傳輸?shù)牟糠蛛娔?。?dāng)線路處于短路狀態(tài)時，光伏并網(wǎng)側(cè)的電流會瞬間提升，電流變化主要受故障點與線路起始端距離的影響，如果距離較遠(yuǎn)，則變化相對較小。同時，因分布光伏通常在最大功率點周圍分布，即輸出功率達(dá)到最大。當(dāng)短路故障發(fā)生后，輸出功率無法繼續(xù)增加時，并網(wǎng)電流的增加勢必會導(dǎo)致并網(wǎng)電壓降低；如果光伏陣列輸出電壓、電流發(fā)生改變，導(dǎo)致光伏并網(wǎng)一側(cè)輸出突變則將其忽視。在孤島檢驗方面，可對光伏并網(wǎng)側(cè)電壓、電流變化原因進(jìn)行判斷，檢驗其是否因光伏陣列而突然改變，由此可知保護裝置是否發(fā)生動作。如果并網(wǎng)電流、電壓均突然發(fā)生變化，則可判定并非由光伏陣列中輸出功率突變導(dǎo)致，需要對故障電流、故障區(qū)間進(jìn)行計算，如果Ik＞KkIset（Ik為故障電流，Kk為可靠系數(shù)，Iset為設(shè)定動作電流），則為保護動作，反之則為并網(wǎng)狀態(tài)。

在光伏并網(wǎng)電路的DC/DC變換器位置采集光伏輸出等數(shù)據(jù)，在逆變器與電網(wǎng)并聯(lián)網(wǎng)址采集并網(wǎng)電流、并網(wǎng)電壓、配電網(wǎng)傳入用戶端電能等數(shù)據(jù)?？梢?，在孤島檢測過程中，依靠電壓、電流、相位等信息便可準(zhǔn)確判斷配電網(wǎng)線路運行狀態(tài)，如果判定為故障狀態(tài)，則可對故障位置進(jìn)行確定，具體解決方案如下。在正式開始后采集光伏輸出電流、電壓值，采用最大功率跟蹤與并網(wǎng)策略，采集并網(wǎng)電流、并網(wǎng)電壓，利用孤島檢測策略，在光伏輸入與用戶端負(fù)載相同的情況下，只保留重要負(fù)載，將剩余負(fù)載剔除。如果二者并不相同，前者小于后者，則電能值急速降低，光伏切換到孤島運行模式，將非重要負(fù)載剔除，只保留重要負(fù)載即可；如果前者大于后者，則并網(wǎng)電流值急速提升，光伏輸出增加，對故障電流與位置進(jìn)行確定，如果光伏輸出超過設(shè)定電流值，則開始保護動作。

4 結(jié)束語

綜上所述，在分布電源與配電網(wǎng)相連后，電網(wǎng)內(nèi)原本的單側(cè)電源輻射變成多側(cè)電網(wǎng)，使繼電保護難以滿足電網(wǎng)的要求，由此導(dǎo)致電壓波動、繼電保護、安全控制等影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，需要采取有效的解決措施。為此，文章通過分析光伏輸出特性，在孤島檢測的基礎(chǔ)上對光伏并網(wǎng)端的電壓、電流變化情況進(jìn)行控制，使配電網(wǎng)繼電保護要求得到充分滿足，順利實現(xiàn)配電網(wǎng)保護的目標(biāo)，確保電網(wǎng)與設(shè)備的穩(wěn)定運行。