光伏發電并網對電流保護的影響分析

　　摘 要： 光伏系統的研究以光伏發電系統本身以及對外部電網的影響為主。本文分析并建立了光伏并網發電系統的暫態模型， 通過PSASP(電力系統分析綜合程序)仿真詳細分析了不同位置和容量光伏發電系統并網對配電網繼電保護和自動重合閘的影響，提出了相應的解決方案。

　　關鍵詞： 光伏發電; 配電網; 線路保護; 短路電流計算; 重合閘;

　　推薦閱讀：《云南水力發電》(雙月刊)創刊于1985年，由云南水力發電工程學會主辦。本刊宗旨是宣傳黨和國家的能源，水電建設方針政策，論述云南水電資源的開發在國家能源開發和國民經濟發展中的重要作用。

　　一、光伏發電系統模型

　　基于換流器并網的三相光伏發電系統由光伏陣列、逆變器及交流電路組成。其中， 交流電路由濾波器和變壓器組成。

　　二、含光伏發電系統的電網短路故障仿真分析

　　(一)仿真系統圖

　　本文算例為光伏并網系統并入某市實際配電網絡，在PSASP 中建立仿真網絡，如圖1所示。光伏并網系統出口電壓為400V，通過升壓變壓器在10kV 配網并入主電網。圖中： B1、B2和B3為線路保護裝置。

　　圖1 含光伏發電系統的仿真系統圖

　　(二)不同位置和不同容量光伏發電系統接入短路計算

　　根據傳統配電網繼電保護配置情況，在快速切除光伏系統的前提下，配電網出現短路故障時，光伏系統只對電流速斷保護產生影響。光伏并網對保護產生的影響，主要取決于光伏系統的接入位置和容量。

　　(1)不同位置接入光伏發電系統短路計算

　　按光伏系統與保護的相對位置可分為光伏系統在保護的上游和下游，所謂的上游是指光伏系統對保護的相對電勢的方向與根節點相同，下游即方向與根節點相反。未引入光伏系統時，若分別假設節點1、3、4和6發生三相短路故障，流過節點和保護的短路電流如表1所示。

　　在配電網中，節點3和4分別接入額定容量為3MW 的光伏系統， 如圖1所示。分別假設節點1、3、4和6發生三相短路故障，流過節點和保護的短路電流如表2所示。

　　(2)接入不同容量光伏發電系統短路計算

　　當光伏系統接入位置為保護上游，且短路點在保護下游時，由于光伏系統對短路點增流， 使得短路點短路電流增大。在節點4分別接入額定容量為1.5MW、3MW 和5MW的光伏系統，若節點6發生三相短路，進行短路計算得出的結果如表3所示。

　　三、光伏并網系統對繼電保護的影響

　　(一)光伏并網系統對電流保護的影響

　　(1)光伏系統位置對電流保護影響

　　圖1中，當節點4接入光伏系統時，光伏系統在保護B3 的上游，若此時節點3發生三相短路，短路節點3短路電流的增加非常明顯，通過保護B3 的電流幾乎為0，對保護B3 無影響;若節點6發生三相短路，短路點短路電流增幅明顯，流過保護B3 的短路電流可保證其可靠動作，增加了保護的靈敏度。節點3和4接入光伏系統的情況相似。可見當光伏系統在保護的上游，故障點在保護下游時，由于光伏系統對短路電流的助增作用，會增大電流速斷保護的靈敏度，但如果線路5-6為非終端線路，則相鄰下一級線路故障有可能使保護B3 失去選擇性，因此必須校核其速斷保護整定值。而且由表3和4可知，光伏系統距離故障點越近， 短路電流增加越明顯。

　　節點4分別接入光伏系統時，對于保護B1 和B2，光伏系統在保護的下游，若此時節點1發生三相短路，即在保護上游發生故障，由表3可知，光伏系統接入對短路點的短路電流增益很明顯， 并且隨著光伏系統距故障點的接近而增大。當故障點在保護上游時，節點3接入時，流過保護B2 的電流接近其整定值，如果光伏系統接入位置距離故障點足夠近或光伏系統容量達到一定值時，很可能引起誤動;故障點在保護和光伏系統的中間時，短路點的短路電流增幅明顯，流過保護的電流主要由根節點提供，與不接光伏系統時相差不大;而故障點在光伏系統的下游時，流過保護B1、B2的短路電流反而比未接光伏系統時小，此時會降低保護的靈敏度。

　　(2)光伏系統容量對電流保護的影響

　　光伏系統產生逆向短路電流即光伏系統在保護的下游， 而短路點在保護的上游， 光伏系統會對故障點和光伏系統之間的保護產生影響， 當光伏系統容量足夠大時會向短路點提供很大的短路電流而使保護誤動作跳閘。

　　(二)光伏并網系統對重合閘的影響

　　光伏系統接入配電網后， 一旦保護因故障動作跳閘， 在光伏系統未從線路解列的情況下， 形成由光伏系統供電的電力孤島。這些電力孤島雖然能夠保持功率和電壓在額定值附近運行， 但是將對自動重合閘產生以下兩種潛在的威脅。

　　(1)非同期合閘

　　配電網形成電力孤島后， 在線路斷路器斷開至重合閘動作這段時間內， 光伏系統與系統電源的電勢角會擺開， 當電勢角達到一定值時， 導致非同期重合閘， 進而在光伏系統和系統電源之間形成很大的沖擊電流或電壓。在沖擊電流的作用下， 保護設備很可能誤動， 使自動重合閘失去迅速恢復瞬時故障的能力。同時， 沖擊電流也很可能對主電網和未解列的光伏并網系統中的逆變器等設備產生致命的沖擊。

　　(2)故障點電弧重燃

　　當配電網失去系統電源后， 未解列的光伏系統會繼續對故障點供電， 進行重合閘時， 光伏系統提供的故障電流阻礙了故障點電弧的熄滅， 引起故障點持續電弧， 可能導致原本的瞬時故障變為永久性故障。

　　四、結論

　　光伏并網發電已成為太陽能利用的主要形式，光伏并網系統的大規模運行， 對配電網的結構和短路電流分布產生深刻影響， 由此給傳統配電網繼電保護帶來一些影響。本文結合某市實際配電網線路和保護配置， 在建立光伏發電系統模型的基礎上， 利用PSASP 對不同位置、不同容量的光伏系統并網發生三相短路故障進行了仿真分析，得出了光伏發電系統并網對繼電保護和重合閘的影響， 并提出相應建議。有助于提高配電系統的安全可靠運行以及并網光伏發電的普及。