光伏電站弱電源特性對送出線路繼電保護的影響

瞿繼平 ，吳興全 ，閆 凱 ，張保會

（1.甘肅省電力設(shè)計院，甘肅 蘭州 730050；2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

由于太陽能資源地理分布的差異性［1］，大規(guī)模光伏發(fā)電集中式接入電力系統(tǒng)是我國光伏并網(wǎng)的重要形式［2-3］。這種并網(wǎng)形式是通過專用的送出線路將大中型光伏電站接入電網(wǎng)中。人們對光伏系統(tǒng)的故障電流特性已有一定的認識［4-6］，但仍未見針對光伏電站送出線路故障特性的研究，針對風(fēng)能、太陽能等新能源接入電網(wǎng)引起的電網(wǎng)特性問題的分析還有待進一步完善［7-12］。由于光伏電站的故障電流受到光伏逆變器低電壓穿越（LVRT）控制的限制［13］，且單個光伏電站的容量占所接入系統(tǒng)容量的比例很低，光伏側(cè)的故障電流受限是該線路不同于常規(guī)線路的最大特性，該特性會對送出線路現(xiàn)有繼電保護的動作特性產(chǎn)生嚴重影響。

光伏電站送出線路配備快速動作的主保護和線路兩側(cè)的后備保護。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)定，一般情況下，專線電網(wǎng)接入公用電網(wǎng)的光伏電站宜配置光纖電流差動保護作為主保護［14］，10 kV和35 kV送出線路配置階段式電流保護作為后備保護，而110 kV送出線路的后備保護一般為距離保護和零序電流保護［15］。

目前尚未見到關(guān)于光伏電站送出線路繼電保護的分析與研究。因此，本文分析送出線路繼電保護的動作性能，考察現(xiàn)有保護配置是否存在問題，并利用光伏發(fā)電系統(tǒng)電磁暫態(tài)模型進行仿真驗證，提出保護配置的建議，具有一定的實際意義。

1 光伏送出系統(tǒng)故障特征分析

電網(wǎng)故障期間，為保證光伏逆變器具備LVRT能力，控制環(huán)節(jié)必須對電流進行限幅，以保護電力電子開關(guān)器件不過流。限制故障時電流的大小一般不超過逆變器額定負載電流的1.1倍［16］，即故障期間電流不會顯著增大，這會對依靠電流大小門檻值來識別故障的保護造成嚴重的影響。當(dāng)送出線路故障時，流過光伏送出側(cè)保護安裝處的故障電流與故障前的正常電流接近，故電流保護Ⅰ、Ⅱ段元件不能正常動作，電流保護Ⅲ段元件按常規(guī)方法整定也難以可靠動作，而流過系統(tǒng)側(cè)保護安裝處的故障電流與光伏電源特性無關(guān)，故系統(tǒng)側(cè)電流保護可以正常動作。因此，送出線路的光伏側(cè)電流保護在區(qū)內(nèi)故障時拒動，而系統(tǒng)側(cè)電流保護可以正常動作。

一般情況下，光伏電站所接入系統(tǒng)的短路容量至少為光伏電站額定容量的20～30倍，故送出線路故障時系統(tǒng)提供的短路電流一般至少為額定負荷電流的20～30倍。因此，系統(tǒng)與光伏電站提供的故障電流大小相差懸殊，光伏電站的弱電源特性十分顯著。

圖1為某110 kV光伏電站送出線路故障示意圖，保護1和保護2分別為光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的距離保護，Rg為過渡電阻，Ipv和Is分別為光伏電站和系統(tǒng)提供的故障電流。

圖1 某110 kV光伏電站送出線路故障示意圖Fig.1 Schematic diagram of outgoing transmission line fault of a 110 kV PV station

設(shè) Is滯后 Ipv的相位角 θ∈［-180°，180°］，兩者倍數(shù)比M為：

θ與光伏逆變器的LVRT控制方式和故障嚴重程度密切相關(guān)。

a.當(dāng)逆變器在故障期間發(fā)送無功（規(guī)程要求光伏電站在故障期間提供無功支撐）時，一般有θ<0°。發(fā)送的無功功率越多，Ipv的無功電流分量越大，則Ipv的相位越滯后，θ越小。

b.當(dāng)逆變器在故障期間僅發(fā)送有功（實際運行的光伏電站在故障期間往往無功支撐能力不足）時，一般有θ>0°。這是由于光伏電站的送出變壓器和各光伏發(fā)電單元的升壓變壓器都要消耗無功，而光伏電站的無功補償裝置（電容器、動態(tài)無功補償裝置等）受母線電壓下降和裝置響應(yīng)速度不夠快的影響，在故障期間補償?shù)臒o功功率不足，光伏電站要從外界吸收一定的無功。光伏電站從系統(tǒng)吸收的無功越多，則Ipv的相位越超前，θ越大。

c.故障后Ipv的相位變化要經(jīng)歷一個暫態(tài)過程，導(dǎo)致θ變化不定。這是由于逆變器的控制器中鎖相環(huán)的響應(yīng)有暫態(tài)過程。鎖相環(huán)的作用是提取逆變器出口處的電壓相位作為控制器的參考信號。故障越嚴重，鎖相環(huán)的暫態(tài)響應(yīng)波動越劇烈；當(dāng)故障特別嚴重時，逆變器出口電壓降得很低，鎖相環(huán)的輸入信號太小，其響應(yīng)難以達到穩(wěn)態(tài)，θ在-180°～180°范圍內(nèi)變化。故障的嚴重程度受過渡電阻、故障點位置和故障類型的影響。

而M約等于系統(tǒng)短路容量與光伏電站額定容量的比值。光伏電站容量占接入系統(tǒng)的容量比例越小，則M越大，一般至少為20～30，比一般線路大得多。

設(shè)光伏側(cè)保護1的測量電壓為Um，保護安裝處到故障點的線路壓降為Uk，過渡電阻上的壓降為Ug，其中光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的故障電流在過渡電阻上產(chǎn)生的壓降分別為 U′g和 U″g，則上述電壓、電流之間的關(guān)系為：

由式（1）、（2）不難看出：

特別強調(diào)，光伏電站的上述弱電源特性主要體現(xiàn)在非接地故障中。從圖1可以看出，光伏電站本身在不接地方式下運行，零序網(wǎng)絡(luò)僅包含送出變壓器和送出線路。當(dāng)送出線路發(fā)生接地故障時，光伏側(cè)的零序阻抗是變壓器的零序阻抗，與光伏電站無關(guān)，其大小遠小于正、負序阻抗，因此零序電流較大，這使得兩側(cè)電流幅值比M比不接地故障時小得多。

參考西北地區(qū)某110 kV光伏電站實際參數(shù)在PSCAD/EMTDC上搭建圖1所示光伏送出系統(tǒng)的模型。該光伏電站電源接入容量為50 MW，系統(tǒng)短路容量Sk=1500 MV·A（取最小運行方式），送出線路長度L=15 km，線路阻抗z1=0.132+j0.385 Ω/km。經(jīng)計算，送出線路的額定負荷電流IN=262.4 A。

給定該光伏電站模型的逆變器LVRT控制策略為故障期間發(fā)送一定無功功率的方式，光伏電站出力為額定功率的80%。當(dāng)送出線路中點K1處發(fā)生過渡電阻為3 Ω的三相短路故障時，Ipv和Is的幅值分別為245 A和5204 A，得M=21.2，同時測得θ達到穩(wěn)態(tài)后為 -62.5°。而 Um、Uk、Ug的幅值分別為 9.30kV、0.15kV和9.21kV，由此可見，Uk幅值很小，Ug是Um的主要分量。A相Ipv和Is的瞬時值如圖2所示。

圖2 送出線路故障時光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的故障電流Fig.2 PV-and system-side faulty currents when fault occurs on outgoing transmission line

將光伏電站模型的逆變器LVRT控制策略改為故障期間發(fā)送定有功電流的方式，其他條件不變，故障期間Ipv和Is的相角差θ變?yōu)?05°，其變化范圍比一般線路大得多。該故障條件下2種控制策略下θ的變化如圖3所示。

圖3 發(fā)無功和僅發(fā)有功時送出線路兩側(cè)故障電流相角差Fig.3 Faulty current phase difference between two sides of outgoing transmission line for generator with and without reactive power generation

將故障類型改為單相接地故障，其他條件不變，測得相應(yīng)故障回路的兩側(cè)電流幅值比M=5.9。受零序電流的影響，與非接地故障時相比，單相接地故障下的M要小得多。

2 光伏送出線路保護動作性能分析

2.1 電流差動保護

當(dāng)光伏送出線路故障時，電流差動保護所采用的兩端故障電流分別由光伏電站和系統(tǒng)提供。光伏電站送出線路配置的是分相電流差動保護，采用兩端電流的相量和作為動作量，在理論上不受電源類型、過渡電阻和運行工況的影響，可瞬時切除區(qū)內(nèi)故障。圖4為電流差動保護的動作特性（k為斜率），動作方程如式（4）所示。

圖4 電流差動保護動作特性示意圖Fig.4 Operating characteristic diagram of current differential protection

當(dāng)送出線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，由于光伏電站的弱電源特性，系統(tǒng)側(cè)故障電流幅值Is遠大于光伏側(cè)故障電流幅值Ipv，Ipv幾乎可以忽略。送出線路的故障類似于單端電源線路故障，差動保護的靈敏度（差動電流與制動電流的比值）很低，故弱電源特性降低了電流差動保護的靈敏度。

2.2 距離保護

由于系統(tǒng)提供的故障電流遠大于光伏電站提供的故障電流，下面分析故障位置不同時距離保護因過渡電阻影響可能產(chǎn)生的問題。

a.區(qū)內(nèi)故障可能拒動。

區(qū)內(nèi)故障時，距離保護因沒有耐受過渡電阻能力而可能拒動。圖5為送出線路中點K1處（見圖1）發(fā)生區(qū)內(nèi)相間故障時，光伏側(cè)距離保護拒動的示意圖。圖中，Zm為測量阻抗，Zk為保護安裝處點Op到故障點K1的線路阻抗，測量電流Im=Ipv；實線圓為距離保護Ⅰ段的方向圓動作特性，虛線圓為Zm可能的取值組成的軌跡。各物理量的關(guān)系滿足式（5）。

圖5 區(qū)內(nèi)故障時光伏側(cè)距離元件動作特性圖Fig.5 Operating characteristic chart of distance protection at PV side when in-zone fault occurs

由圖5可知，當(dāng)線路中點K1處發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，盡管過渡電阻Rg很小，但由于很大，故偏移矢量AB的模值可能比故障線路阻抗的模值還要大，則測量阻抗Zm可能落在動作區(qū)外，導(dǎo)致距離保護元件拒動。

此外，由于受故障條件和光伏逆變器LVRT控制方式的影響，光伏側(cè)故障電流Ipv的相角不確定。因此，兩側(cè)故障電流的相角差θ也不確定。測量阻抗Zm落在以點A為圓心、MRg為半徑的圓軌跡上。

顯然，一般線路的距離保護雖然也受到過渡電阻的影響，但由于M較小，θ也較小且固定，Zm的偏移一般不會過大，偏移方向較固定，可通過改善距離保護元件的動作特性來提高其耐受過渡電阻能力。然而，對于光伏電站送出線路，由于兩側(cè)故障電流的幅值比M很大、相角差θ不確定，測量阻抗Zm受過渡電阻的影響遠比一般線路的距離保護要大。由圖5可知，不論θ的大小和變化情況，只要M較大，距離保護元件就極易在區(qū)內(nèi)故障時拒動。

b.區(qū)外故障可能誤動。

下級線路區(qū)外故障時，距離保護元件因沒有耐受過渡電阻能力而可能誤動。圖6為送出線路下級出口K2處（見圖1）發(fā)生區(qū)外相間故障時，光伏側(cè)距離保護誤動的示意圖，圖中各物理量含義與圖5相同。

圖6 正方向區(qū)外故障時光伏側(cè)距離元件動作特性圖Fig.6 Operating characteristic chart of distance protection at PV side when out-zone fault occurs in positive direction

由圖6可知，當(dāng)下級出口K2處發(fā)生正方向區(qū)外故障時，盡管過渡電阻Rg很小，但由于系統(tǒng)側(cè)與光伏側(cè)故障電流的幅值比M很大且相角差θ不確定，偏移矢量的模值很大、方向不確定，測量阻抗Zm落在以點C為圓心、MRg為半徑的圓軌跡上。測量阻抗Zm很有可能落在動作區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致距離保護元件誤動。

此外，系統(tǒng)側(cè)距離保護在K2處故障時也可能發(fā)生反方向故障的誤動，參考圖6便可作出其動作特性圖，在此不再贅述。

由圖6可知，距離保護元件在區(qū)外故障時的誤動發(fā)生在θ>0°時；當(dāng)θ<0°，距離保護元件可能拒動，但不會誤動。因此，距離保護元件誤動發(fā)生在嚴重故障后的暫態(tài)過程中或逆變器在故障期間僅發(fā)送有功的條件下。

由以上分析可知，光伏電站送出線路距離保護在光伏側(cè)極易發(fā)生拒動和誤動，在系統(tǒng)側(cè)極易發(fā)生反方向故障的誤動。顯然，這些誤動和拒動均是由于距離保護的測距原理未考慮對端故障電流受過渡電阻的影響而造成的，一般均假設(shè)保護安裝處電流與故障電流同相位，通過改進保護的動作區(qū)域提高耐受過渡電阻能力。而在光伏送出線路中，系統(tǒng)側(cè)故障電流與光伏側(cè)故障電流間較大的幅值比M與不確定的相角差θ嚴重放大了原理性誤差的影響，導(dǎo)致很小的過渡電阻也會造成距離元件的不正確動作。

c.接地距離保護元件的耐受過渡電阻能力大于相間距離保護元件。

由第1節(jié)的分析可知，送出線路接地故障中的零序阻抗遠小于正、負序阻抗，故零序電流成為故障電流的主要分量，縮小了兩側(cè)故障電流幅值的差距，M比不接地故障時小得多。因此，接地故障時，測量阻抗因過渡電阻產(chǎn)生的偏移較小，接地距離保護元件比相間距離保護元件可耐受更大的過渡電阻。

綜上所述，光伏電站提供的故障電流遠小于系統(tǒng)提供的故障電流，導(dǎo)致送出線路距離保護耐受過渡電阻能力差，易發(fā)生誤動與拒動。

3 仿真算例

用圖1所示的模型對光伏電站送出線路的保護動作性能進行仿真驗證。光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)距離保護Ⅰ段均為方向圓特性，定值均為線路阻抗的85%（5.189∠71.1°Ω）。設(shè)定圖1中光伏電站模型的逆變器的LVRT控制策略為故障期間發(fā)送一定無功功率的方式。

送出線路電流差動保護的動作情況見表1。在不同的故障類型和過渡電阻下，區(qū)內(nèi)故障時均可靠動作，區(qū)外故障時均可靠不動作，動作的準確性完全不受光伏故障電流特性的影響。

表1 送出線路電流差動保護動作情況Table 1 Action situation of current differential protection of outgoing transmission line

然而，由于故障中Is比Ipv大得多，Ipv可忽略不計，則ID≈Is、IB≈Is。盡管電流差動保護可正確判斷區(qū)內(nèi)外故障，但由于光伏電站的弱電源特性，光伏側(cè)故障電流很小，差動電流ID與制動電流IB接近，故差動保護的靈敏度降低。

表2 和表3分別為送出線路中點K1處故障時光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)距離保護的動作情況。表2、3中，BCG故障取BG回路測量阻抗，ABC故障取BC回路測量阻抗；某些嚴重故障情況下測量阻抗沒有穩(wěn)態(tài)值，單下劃線表示暫態(tài)過程中某一時刻對應(yīng)的測量阻抗值，而其余測量阻抗均為穩(wěn)態(tài)值；雙下劃線表示該動作結(jié)果不正確，后同。

表2 區(qū)內(nèi)故障時送出線路光伏側(cè)距離Ⅰ段動作情況Table 2 Zone-Ⅰaction situation of distance protection at PV side of outgoing transmission line when in-zone fault occurs

表3 區(qū)內(nèi)故障時送出線路系統(tǒng)側(cè)距離Ⅰ段動作情況Table 3 Zone-Ⅰaction situation of distance protection at system side of outgoing transmission line when in-zone fault occurs

由表2和表3知，當(dāng)無過渡電阻時，測量阻抗準確反映了保護安裝處到故障點K1的線路阻抗Zk，兩側(cè)距離保護元件均正確動作。當(dāng)過渡電阻為0.5 Ω時，系統(tǒng)側(cè)的測量阻抗幾乎未發(fā)生偏移，而光伏側(cè)測量阻抗偏移到了動作區(qū)外。當(dāng)過渡電阻為5 Ω時，系統(tǒng)側(cè)的測量阻抗在某些類型的故障下也偏移到了動作區(qū)外。由此可見，光伏側(cè)距離保護元件在區(qū)內(nèi)故障時耐受過渡電阻能力極差，很小的過渡電阻便會引起很大的測量誤差，造成保護拒動。系統(tǒng)側(cè)的距離保護耐受過渡電阻能力較強，在送出線路全長阻抗只有6.105 Ω的情況下仍可耐受幾歐姆的過渡電阻。

由表2和表3還可以看出，光伏側(cè)距離保護的耐受過渡電阻能力在接地故障時強于相間故障時，但仍然比系統(tǒng)側(cè)距離保護弱。

需要指出，兩相短路接地故障的2個接地回路比相間回路耐受過渡電阻能力強，原因是接地故障回路中主要分量為零序電流，兩側(cè)測量電流幅值比M較小。以表2中過渡電阻為0.5 Ω的BCG故障為例，BG和CG回路的保護可以動作，但BC回路的測量阻抗為11.546∠-22.4°Ω，BC回路的保護顯然拒動。

將光伏電站模型的逆變器LVRT策略改為故障期間發(fā)送定有功電流的方式，表4和表5分別為送出線路的下級出口K2處故障時光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)距離保護的動作情況。

表4 區(qū)外故障時送出線路光伏側(cè)距離Ⅰ段動作情況Table 4 Zone-I action situation of distance protection at PV side of outgoing transmission line when out-zone fault occurs

表5 區(qū)外故障時送出線路系統(tǒng)側(cè)距離Ⅰ段動作情況Table 5 Zone-I action situation of distance protection at system side of outgoing transmission line when out-zone fault occurs

表4 中，該故障對于光伏側(cè)距離保護而言是正方向區(qū)外故障，但當(dāng)過渡電阻為0.3 Ω時，相間短路和三相短路故障的測量阻抗落在了動作區(qū)內(nèi)，即發(fā)生了穩(wěn)態(tài)超越。因此，光伏側(cè)距離元件在正方向區(qū)外故障時耐受過渡電阻能力極差，極易發(fā)生穩(wěn)態(tài)超越，引起誤動。表5中，該故障對于系統(tǒng)側(cè)距離保護而言是反方向區(qū)外故障，但當(dāng)過渡電阻為0.3 Ω時，相間短路和三相短路故障的測量阻抗卻朝反方向增大，落在動作區(qū)內(nèi)。因此，系統(tǒng)側(cè)距離保護在反方向區(qū)外故障時耐受過渡電阻能力極差，極易發(fā)生反方向故障的誤動。

需要特別指出的是，弱電源特性對距離保護元件耐受過渡電阻能力的影響問題在光伏送出線路上表現(xiàn)得尤為突出，但其影響不僅僅限于光伏送出線路，而是涉及到所有的弱電源送出線路。一側(cè)故障電流受限會極大地降低距離保護的耐受過渡電阻能力。

4 保護配置建議

上述分析揭示了光伏電站送出線路現(xiàn)有保護受弱電源特性的影響性能下降的問題，需要改進保護配置方案，以滿足送出線路安全運行的要求。

送出線路的主保護仍應(yīng)采用電流差動保護。由于電流差動保護在光伏電站送出線路上可正確動作，故除了110 kV送出線路之外，現(xiàn)有規(guī)程要求在10 kV或35 kV的低壓光伏電站送出線路上也要配備電流差動保護，以取代不能正確動作的電流保護和距離保護作為主保護。唯一需要注意的是，光伏電站故障特性降低了差動保護的靈敏度，因而應(yīng)按單電源線路對送出線路差動保護進行整定。

送出線路的后備保護應(yīng)重新配置如下。

a.對于接地故障，仍采用現(xiàn)有的零序電流保護。從圖1可以看出，零序網(wǎng)絡(luò)僅包含送出變壓器高壓側(cè)和送出線路，零序電流保護與光伏電站的電源特性無關(guān)，仍然可正確動作。

b.對于相間故障，系統(tǒng)側(cè)仍可采用電流保護，而光伏側(cè)可考慮配置低電壓保護。由于光伏電站為電網(wǎng)的弱電源端，當(dāng)故障發(fā)生時，相應(yīng)故障回路的電壓顯著降低。低電壓保護的配置原則是：當(dāng)送出線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，應(yīng)動作于跳閘；當(dāng)電網(wǎng)或光伏電站內(nèi)部故障時，應(yīng)可靠不動作。低電壓保護的時間整定值應(yīng)能躲過系統(tǒng)中發(fā)生的區(qū)外故障。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生區(qū)外故障時，其動作延時應(yīng)與下級線路后備保護的動作時間相配合。此外，光伏側(cè)保護應(yīng)加裝方向元件，避免光伏電站集電線路或送出變壓器故障時發(fā)生反方向誤動。

5 結(jié)論

本文就弱電源特性對光伏電站送出線路繼電保護的影響進行了詳細的分析和仿真驗證，得出以下結(jié)論。

a.弱電源特性使光伏送出側(cè)電流保護在區(qū)內(nèi)故障時不可用。

b.弱電源特性不影響電流差動保護的正確動作，但降低了差動保護的靈敏度。

c.弱電源特性使相間距離元件耐受過渡電阻能力極差，在實際中不可用；接地距離元件耐受過渡電阻能力也較差。

d.建議光伏電站送出線路以電流分相差動保護作為主保護，零序電流保護作為接地故障的后備保護，低電壓保護作為相間短路的后備保護。