大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)新疆電網(wǎng)繼電保護(hù)影響的研究

贠 劍 常喜強(qiáng) 魏 偉 牛嘉鑫 王 琛

（1. 國網(wǎng)新疆電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011；2. 國網(wǎng)新疆電力公司電力調(diào)度控制中心，烏魯木齊 830002）

新疆太陽能資源豐富，其水平表面太陽輻射度年總量為 5×105～6.5×105J/（cm2·a），年平均為5.8×105J/（cm2·a），年總輻射量比同緯度地區(qū)高10%～15%，比長江中下游15%～25%，僅次于青藏高原，位居全國第二位。由于新疆其獨(dú)特的地理優(yōu)勢，再加上近幾年來政府對(duì)新能源發(fā)電尤其是光伏發(fā)電的政策經(jīng)濟(jì)扶持，截止2013年底，新疆電網(wǎng)光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá) 277.1萬千峰瓦，占全網(wǎng)總裝機(jī)容量6.8%。

隨著光伏發(fā)電站在電力系統(tǒng)中裝機(jī)容量所占的比例越來越大，光伏電站對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃、仿真、調(diào)度、控制的影響也引起了廣泛的關(guān)注。隨著光伏電站的大規(guī)模接入，很有可能會(huì)改變故障電流的方向、大小和時(shí)間等，會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)，其對(duì)電網(wǎng)的影響無論從深度還是廣度而言都將是深遠(yuǎn)而巨大的。因此，非常有必要深入研究光伏接入對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)產(chǎn)生的影響。本項(xiàng)目通過中國電力科學(xué)研究院“PSD電力系統(tǒng)軟件工具”對(duì)光伏接入進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算及仿真，著重分析研究光伏接入對(duì)繼電保護(hù)的影響。為后續(xù)光伏接入選擇合理的繼電保護(hù)配置及運(yùn)行方式，對(duì)保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行具有非常積極的意義。

1 仿真研究工具

本文主要采用的仿真軟件為中國電力科學(xué)研究院“PSD電力系統(tǒng)軟件工具（PSD Power Tools）”的PSD-BPA程序和PSCAD電磁暫態(tài)分析軟件，主要有：

1）PSD-BPA潮流計(jì)算程序（4.1版）。

2）PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序（4.0版）。

3）PSD-CurveMaker穩(wěn)定曲線繪制程序。

4）PSCAD電磁暫態(tài)分析軟件（4.2版）。

研究遵循如下導(dǎo)則、規(guī)程等：

1）GB/T 14285—2006繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程。

2）DL/T 559—2007 220～750kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程。

3）DL/T 584—2007 3～110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程。

4）國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施。

2 光伏電站的模型介紹

2.1 光伏電池組件的基本模型

控制器、光伏電池板和逆變器是構(gòu)成光伏電站最為主要的部分。光伏電站并網(wǎng)后，將光能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在光伏電池中，光伏電池發(fā)出直流電能，通過逆變器轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)相同頻率的交流電能。光伏電站可以為電網(wǎng)提供有功和無功，同時(shí)也可以從電網(wǎng)吸收有功或無功，通常將光伏電站等效為電流源或電壓源的型式接入電網(wǎng)。傳統(tǒng)的離網(wǎng)型光伏電站需要蓄電池來儲(chǔ)存光能轉(zhuǎn)換的電能，而并網(wǎng)型光伏電站不需要蓄電池，直接降低了光伏電站運(yùn)行成本，同時(shí)還提高了電網(wǎng)的運(yùn)行和供電可靠性?；诠夥姵鼐_等效電路模型，這里用式（1）表示光伏電池輸出電流I。

式中，K代表玻爾茲曼常數(shù)，且K=1.38×10-23J/K；A是二極管的理想因子，通常在1～2之間變化；T是絕對(duì)溫度，單位K；λ是光照強(qiáng)度，單位kW/m2；q是電子電荷，且q=1.6×10-19C；ISC表示光照強(qiáng)度為1kW/m2，環(huán)境溫度為298K的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下所產(chǎn)生的光生電流，且有Iλ=ISC。

在大部分工程中，光伏電池供應(yīng)廠商通常僅提供Um、Im、UOC、ISC等重要技術(shù)參數(shù)。

1）在通常情況下，由于（U+IRS）/Rp值遠(yuǎn)小于光生電流，所以可忽略該項(xiàng)。

2）在通常情況下，由于RS遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮?，所以可設(shè)定短路電流等于光生電流。

根據(jù)以上兩點(diǎn)，并基于光伏電池供應(yīng)廠商所提供的技術(shù)參數(shù)，通過近似后，可以建立光伏電池實(shí)用近似工程模型。

在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（光照強(qiáng)度為1kW/m2，環(huán)境溫度為 298K），一般用式（2）～式（4）表示光伏電池輸出電壓與電流的關(guān)系。

通過抽樣測試證實(shí)，式（2）的精確度在6%以內(nèi)，能夠滿足一般工程對(duì)光伏電池模型精度的需求。同時(shí)，開路狀態(tài)下有I=0，U=UOC；最大功率點(diǎn)時(shí)有I=Im，U=Um。將以上等式帶入式（2）可得C1、C2的等式，分別為

可見，C1和C2的值在已知光伏電池供應(yīng)商所提供的Um、Im、UOC、ISC這4個(gè)參數(shù)后可以求出。再將C1和C2代入式（2），得到光伏電池的輸出特性曲線（標(biāo)準(zhǔn)工作條件下）。

2.2 光伏方陣模型及其串并聯(lián)效率

光伏電站工程中，將光伏組件排列組合成方陣，由于輸出電壓電流有一定的損失，會(huì)導(dǎo)致輸出功率產(chǎn)生一定的損耗。通常將光伏方陣功率損失因子稱作組合因子η。n個(gè)光伏組件組成的光伏方陣的組合因子可以用以下等式表示：

式中，Pi代表n個(gè)光伏組件中第i個(gè)組件的輸出功率；P代表光伏方陣實(shí)際輸出功率。

光伏組件的特性不一致、串并聯(lián)二極管及接線損失等原因是光伏方陣功率損失的主要來源。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)證明，實(shí)際工程中光伏方陣的功率無法達(dá)到100%（一般在 90%～99%之間），通常光伏電站的輸出電壓、輸出電流以及輸出功率可以直接用電壓值、電流值和功率值乘以組合因子η來表示：

式（6）至式（8）中，U、I分別代表單個(gè)光伏組件的出口電壓和出口電流；Np、Ns分別代表光伏電站方陣中光伏組件的串聯(lián)和并聯(lián)數(shù)目；Parray、Uarray、Iarray分別代表光伏方陣的輸出功率、電壓和電流。

2.3 DC/DC斬波電路數(shù)學(xué)模型

在大型光伏電站（兆瓦級(jí)以上）中，MPPT的理想選擇是 Boost電路，因?yàn)槠淠苁馆斎腚娏鬟B續(xù)工作并具有電壓提升功能。Boost斬波電路的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系如下：

式中，D為開關(guān)管占空比，Uarray為斬波電路交流輸入電壓，Udc為斬波電路直流輸出電壓。

考慮到斬波電路二極管VD和晶體管VT的本身損耗，其輸出電流Idc可表示為

式中，Pdcloss表示斬波電路的功率損耗；Pdc表示斬波電路的輸出功率。

光伏電站并入電網(wǎng)發(fā)電，需保證光伏逆變器輸出的交流電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相，光伏逆變器通常采用三個(gè)單相全橋SPWM逆變電路。采用此種逆變電路的好處是可以使光伏電站輸出的功率達(dá)到最大（功率因數(shù)為1），同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤電網(wǎng)的參數(shù)變化。

單相逆變器輸出相電壓基波有效值Uac為

式中，Udc代表逆變器輸出的直流電壓，m為正弦調(diào)制波與三角載波的幅值之比，稱作調(diào)制系數(shù)。單相逆變器輸出的相電壓基波幅值Uacm為

單相逆變器的輸出功率可表示為

式中，PNL表示單相逆變器輸出的無載功率；Pdc表示斬波電路的輸出功率；Bout是常數(shù)，表示單相逆變器輸入與輸出功率之間的關(guān)系，即

式中，ηR代表單相逆變器的效率；PRO代表單相逆變器的額定輸出功率。

綜上，逆變器的輸出電流為

式（11）至式（15）是單相逆變器的數(shù)學(xué)模型。

3 新疆某電網(wǎng)光伏電站基本情況

新疆某電網(wǎng)光伏電站主要通過匯集站方式接入電網(wǎng)，且主要有兩個(gè)光伏匯集站，即光伏匯集站 A和光伏匯集站B，光伏匯集站A有6個(gè)20MWp的光伏電站，然后通過兩臺(tái)容量為150MVA的升壓變接入某220kV電網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 光伏匯集站A系統(tǒng)圖

光伏匯集站B有兩個(gè)20MWp的光伏電站，通過兩臺(tái)容量為20MWp、電壓為10.5/121kV升壓變T接到某線路上，如圖2所示。

圖2 光伏匯集站B系統(tǒng)圖

4 光伏電站對(duì)線路保護(hù)的影響分析

這里將以光伏匯集站A 35kV線路5，光伏匯集站B 110kV線路接入變電站A－變電站B為例來分析光伏電站對(duì)線路保護(hù)的影響。

4.1 光伏電站送出線路故障時(shí)電流與電壓的特性

仿真 1.2s時(shí)刻在光伏電站 5送出線路中點(diǎn) K1處發(fā)生三相短路，分別獲得光伏電站側(cè)電流i2、母線電壓u2以及電力系統(tǒng)側(cè)電流i1、母線電壓u1，電流和電壓如圖3、圖4所示。

圖3 K1點(diǎn)故障時(shí)系統(tǒng)側(cè)電流與光伏側(cè)電流

由圖3可以看出，光伏電源提供故障電流取決于光伏逆變器的最大電流和持續(xù)時(shí)間。發(fā)生故障后，網(wǎng)側(cè)變流器將采取限流措施，進(jìn)入低電壓穿越后，故障電流相對(duì)于正常工作時(shí)的電流減小。

為了分析光伏電站6對(duì)K1點(diǎn)故障時(shí)是否有助增電流情況，特別仿真當(dāng)光伏電站6投入運(yùn)行時(shí)K1點(diǎn)故障電流波形情況，如圖5所示。

對(duì)比圖 3和圖5可以看出，當(dāng)線路 5中點(diǎn)K1處發(fā)生三相短路時(shí)光伏電站6對(duì)故障點(diǎn)的助增電流相對(duì)于系統(tǒng)短路電流較小，可以忽略不計(jì)。

圖4 K1點(diǎn)故障時(shí)系統(tǒng)側(cè)電壓與光伏側(cè)電壓

圖5 光伏電站6投入，系統(tǒng)側(cè)和光伏電站側(cè)電流

光伏電站具有弱電源接入特性。以光伏匯集站B到變電站A-變電站B的110kV線路為例，在t=2s時(shí)在線路中點(diǎn)發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間0.1s，得到線路兩側(cè)電流、電壓值如圖6、圖7所示。

4.2 光伏電站對(duì)35kV線路保護(hù)的影響分析

35kV線路5主保護(hù)采用比率差動(dòng)保護(hù)，仿真計(jì)算不同類型（差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)區(qū)外）的故障，差動(dòng)元件均可以正確判斷故障屬于區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障。

圖8為線路5 K1點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)繼電保護(hù)差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的變化情況，圖9為保護(hù)的動(dòng)作軌跡。

圖6 單相短路時(shí)系統(tǒng)側(cè)電流與光伏側(cè)電流

圖7 單相短路時(shí)系統(tǒng)側(cè)電壓與光伏側(cè)電壓

圖8 線路5 K1點(diǎn)故障時(shí)的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流

圖9 線路5 K1點(diǎn)短路故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作軌跡

當(dāng)在送出線路K2點(diǎn)（線路5保護(hù)外）發(fā)生三相短路時(shí)差動(dòng)電流與制動(dòng)電流的情況如圖10所示。

圖10 送出線路K2點(diǎn)故障時(shí)差動(dòng)電流與制動(dòng)電流

從圖中可以看出在線路外側(cè)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)可靠不動(dòng)作。

4.3 光伏電站對(duì)110kV線路保護(hù)的影響分析

光伏匯集站B 110kV出線主保護(hù)采用比率差動(dòng)保護(hù)，仿真計(jì)算不同類型（差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)區(qū)外）的故障，差動(dòng)元件均可以正確判斷故障屬于區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障。

圖11為t=2s時(shí)在光伏匯集站B 110kV出線中點(diǎn)發(fā)生三相金屬性接地，故障持續(xù)時(shí)間 0.1s，繼電保護(hù)差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的仿真結(jié)果，圖12為保護(hù)的動(dòng)作軌跡。

圖11 110kV出線中點(diǎn)故障時(shí)差動(dòng)電流和制動(dòng)電流

圖12 110kV出現(xiàn)中點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作軌跡

選相元件是基于電流信息來判斷相別的，光伏電站送出線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，差動(dòng)元件的動(dòng)作特性將會(huì)受到光伏電站故障電流變化特征的影響，這里將不同類型的故障仿真結(jié)果記錄在表1、表2中。

表1 對(duì)稱分量選相元件動(dòng)作結(jié)果

表2 相電流差突變量選相元件動(dòng)作結(jié)果

通過以上圖表可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)送出線路發(fā)生接地故障時(shí)，電網(wǎng)側(cè)的故障電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非故障相的相電流，然而光伏電站側(cè)的故障電流主要為零序電流，從而使三相電流的幅值比較相近，同時(shí)由于電網(wǎng)側(cè)與光伏電站側(cè)的電壓均為相電壓跌落，光伏電站的這種弱特性會(huì)使故障選相元件產(chǎn)生誤判。通過線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作結(jié)果可以看出，光伏電站對(duì)線路縱差保護(hù)沒有影響，縱差保護(hù)元件能夠可靠動(dòng)作。

5 光伏電站對(duì)變壓器保護(hù)的影響分析

以光伏匯集站A 2號(hào)主變?yōu)槔?，假設(shè)最惡劣的故障情況。即當(dāng)光伏匯集站A 2號(hào)主變?cè)趖=1.2s時(shí)刻低壓側(cè) K2點(diǎn)發(fā)生三相金屬性短路故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.1s，得到此時(shí)變壓器兩側(cè)的三相電流（一次值）如圖13所示。

這里僅分析A相電流差動(dòng)，其動(dòng)作量與制動(dòng)量如圖14所示，相電流差動(dòng)的動(dòng)作量與制動(dòng)量不會(huì)出現(xiàn)過大的波動(dòng)；差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性如圖15所示；三相差動(dòng)動(dòng)作量中二次諧波所占的比例如圖16所示。

從圖16可以看出，在故障初始階段，差動(dòng)保護(hù)二次諧波制動(dòng)元件將會(huì)閉鎖差動(dòng)保護(hù)約5～10ms一段很短的時(shí)間，因?yàn)檫@時(shí)電流中二次諧波含量較大。隨后，二次諧波制動(dòng)特性將隨著故障電流的衰減而逐漸削弱，比率差動(dòng)的動(dòng)作結(jié)果也將落于保護(hù)動(dòng)作區(qū)內(nèi)，從而保證差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作，通常一個(gè)周期后相量值差動(dòng)保護(hù)就能夠可靠動(dòng)作。

圖13 系統(tǒng)側(cè)電流與光伏電站側(cè)電流

圖14 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作量與制動(dòng)量

圖15 相量值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作結(jié)果

圖16 差動(dòng)電流2次諧波所占比率

當(dāng)變壓器保護(hù)區(qū)外故障時(shí)，A相電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性如圖17所示，可見此時(shí)保護(hù)可靠不動(dòng)作。

圖17 區(qū)外故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作軌跡

6 結(jié)論

從本文仿真分析中可以看出，光伏電站對(duì)線路縱差保護(hù)沒有影響，縱差元件能夠可靠動(dòng)作。由于光伏電站弱電源特性使線路保護(hù)的故障選相元件產(chǎn)生誤判，在保護(hù)配置中應(yīng)注意。對(duì)于光伏電站變壓器內(nèi)部故障而言，在故障初期，差動(dòng)保護(hù)二次諧波制動(dòng)元件會(huì)閉鎖差動(dòng)保護(hù)約5～10ms一段很短的時(shí)間，因?yàn)檫@時(shí)電流中二次諧波含量較大。隨后，二次諧波制動(dòng)特性將隨著故障電流的衰減而逐漸削弱，比率差動(dòng)的動(dòng)作結(jié)果也將落于保護(hù)動(dòng)作區(qū)內(nèi)，從而保證差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作，通常一個(gè)周期后相量值差動(dòng)保護(hù)就能夠可靠動(dòng)作。

本文針對(duì)大規(guī)模光伏電站接入，以新疆某電網(wǎng)為研究基礎(chǔ)，通過中國電力科學(xué)研究院“PSD電力系統(tǒng)軟件工具”對(duì)光伏接入進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算及仿真，著重分析研究光伏接入對(duì)繼電保護(hù)的影響。本文研究內(nèi)容可以為后續(xù)光伏接入選擇合理的繼電保護(hù)配置及運(yùn)行方式，對(duì)保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行具有非常積極的意義。

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