光伏发电系统并网时对配电网保护的影响

张泽云，黄家栋，段晓波

(1．华北电力大学，河北 保定 071003；2．河北省电力研究院，石家庄 050021)

近年来，随着光伏发电系统并网技术的深入研究和设备成本的不断降低，其在电力系统中的应用逐渐增加。当配电网接有多个光伏电源时，短路电流将会增大，这可能导致电流保护之间的配合出现问题，可能使某些保护出现拒动或误动，而且过大的短路电流还会影响熔断器的正常工作。另外，未接入光伏发电系统之前的配电网一般是辐射状的网络，其保护不具有方向性，而接入光伏发电系统以后，整个配电网从无源网络变成有源网络，网络潮流的流向具有不确定性。因此，有必要研究光伏发电系统并网对配电网保护的影响。

1 配电网保护的配置

配电网的保护相对于高压大电网的继电保护而言，保护不是很复杂。在配电网中常用的继电保护有电流保护、电压保护和距离保护等。由于放射式配电网的潮流是单向流动的，且考虑到80%～90%的故障都是瞬时性故障，所以为了简化保护配置，传统配电网主馈线保护一般采用电流速断保护和过电流保护组成的两段式保护，并配置三相重合闸装置。传统的配电网电流保护依赖于当地信息及预设整定值，以时限配合来完成主、后备保护功能，其灵敏性、选择性及速动性都很难满足运行方式灵活多变的光伏发电并网配电系统的要求。其中电流速断保护按照最大运行方式下躲开本线路末端发生短路时的最大短路电流的方法整定，不能保护线路全长；过电流保护不仅可以保护本线路的全长，而且可以保护相邻线路的全长，起到远后备保护的作用；而对分支线路则采用高压熔断器保护。

2 光伏发电系统并网时的保护配置

光伏发电并网系统一般由光伏阵列、并网逆变器和控制器组成。 光伏发电并网系统通过并网逆变器直接把电能送入电网。逆变器是光伏发电并网系统的核心，因此，需要各种完善的保护措施,除了应具有基本的保护功能(如短路、过压、过流、欠频、过频、过热等)以外,还应具有预防孤岛效应的特殊功能。逆变器的故障电流取决于电流限制器的最大电流水平和持续时间。光伏并网保护装置，一方面对光伏发电系统进行保护，防止孤岛效应等发生；另一方面防止线路事故或功率失稳。

光伏系统输出和并网点之间的并网保护装置，用以保证在光伏逆变系统发生异常时，光伏系统不对电网产生较大的不良影响，还可以保证在电网发生故障时，电网不对光伏系统产生损坏，常用的并网保护功能有低电压保护、过电压保护、低频率保护、过电流保护和孤岛保护等。

3 光伏发电系统并网时对配电网保护的影响

3.1 光伏发电系统对配电网电流保护的影响

3.1.1 影响状况

光伏发电系统一般通过10 kV馈线接入配电系统，当故障发生时，接入光伏电源的配电网，其故障电流的大小和分布明显与不接光伏电源时不同。当光伏电源容量与配电网系统容量相比足够大时，将会影响配电网原有继电保护装置的正常运行。由于光伏电源对故障电流的助增或者分流作用，流过保护装置的故障电流可能增大也可能减小，它将改变保护的范围和灵敏度，给各个保护装置的相互配合带来问题。结合图1所示的典型配电网进行分析,光伏电源对配电网电流保护的影响主要在以下几个方面：

图1 光伏发电系统与配电网典型接线示意

a. 光伏发电系统所在馈线上游发生故障时，可能导致光伏电源所在馈线保护误动作。如图1所示，如果在馈线BC段接入PV1，当AB段任意点k3发生故障时，保护R2将感受到由PV1提供的反向故障电流。由于保护R2没有判断电流方向的元件，若PV1容量足够大时，反向故障电流将可能超过保护R2处的电流速断保护的整定值,保护R2就会误动作。而保护R3的故障电流仅由系统侧电源提供，与不接PV1时的情况一样，其动作不受PV1接入的影响。

b. 相邻馈线故障时，反向故障电流可能导致本馈线保护误动。如图1所示，如果在馈线BC出口处接入PV2。当相邻馈线AE上的k4点发生故障时，保护R4感受到由系统侧电源、PV1和PV2共同提供的故障电流，其电流值大于未接入PV1、PV2时的值，保护R4的灵敏性将提高。而保护R3将感受到由PV1和PV2共同提供的反向故障电流，保护R2将感受到由PV提供的反向故障电流，当PV1和PV2容量较大时，反向电流有可能超过电流速断保护的整定值，使保护R2或R3误动作。

c. 不同容量的光伏发电系统或故障点位置不同时，导致本馈线部分保护灵敏度降低甚至拒动，而部分保护灵敏性增加。如图1所示，当馈线BC段k2处发生故障时，按照保护的选择性原则应由保护R2动作切除故障。故障点k2的故障电流由系统侧电源和PV1共同提供，大于接入PV1前的故障电流，而保护R2仅仅感受到由系统侧电源提供的故障电流，同时由于PV1的分流作用使得保护R2感受到的故障电流减小，这将影响保护R2的灵敏性，如果PV1的容量很大，保护R2甚至会拒动。如果是k1点发生故障，则保护R1感受到由系统侧电源和PV1共同提供的故障电流，由于PV1的助增电流作用，使保护R1的灵敏性增加。

d. 光伏发电系统并网后可能使某些配电网电流保护的范围扩大或缩小。如图1所示，按照继电保护配置的选择性原则，在未接入任何光伏电源时，当k2点故障时，应由保护R2动作切除故障馈线，如果出现R2拒动时，应由R2的远后备保护R3动作切除故障。假设只有PV2接入配电网，在k2点故障时，流过保护R2的故障电流随着PV2容量的增大而增大，而流过保护R3的故障电流却因PV2的分流作用而小于未接PV2时的值。与接入PV2之前相比，对于k2点的故障，保护R2感受到的故障电流增加，保护R3感受到的故障电流减小，这将使得保护R2的保护范围增大，而保护R3(作为保护R2的远后备保护)的保护范围减小。

e. 当仅10 kV母线A出口接入PV3时，由母线A引出的各馈线发生故障时，PV3的作用相当于增大系统的容量，在一定程度上增大短路电流，提高各馈线电流保护的灵敏性。

f. 随着PV容量的增大，可能导致保护失去选择性。如图1所示，仅有PV2接入配电网时，当馈线CD的出口发生故障时，应由保护R1动作切除故障馈线。但是当PV容量足够大时，保护R2的保护范围将可能延伸到CD段。在这种情况下，如果馈线CD的出口发生故障，保护R2、R1感受到的故障电流都达到甚至超过其各自的整定值，2个保护都动作，继电保护失去了选择性。

3.1.2 解决方案

综上所述，当光伏电源接入位置或接入容量不同时，对配电网保护的影响程度不同。如果光伏电源的容量相对配电网容量来说很大时，它提供的短路电流足以使某些保护拒动或误动，不能满足继电保护的灵敏性、选择性要求。针对上述情况，文献[1]提出利用电抗器高阻抗值的特性,来限制分布式电源提供的短路电流,有效地解决分布式电源与保护之间的协调性问题,但高阻抗电抗器会对正常运行时的电压产生影响。文献[2]还提出采用故障限流器来解决分布式电源助增电流对保护选择性的影响。文献[3]提出了2种含分布式电源(DG)的配电网馈线保护新方案，一种方案是在DG所在线路上游的两端加装方向元件,并借助两端通信的方法来满足选择性；另一种方案是只在DG上游第1条馈线的始端装设一套电流保护,同时,在上游每条馈线末端都加装方向元件。发生故障时,利用广域网将方向元件检测到的功率方向信息,与始端馈线上装设的那套电流保护的判别结果结合起来,可精确区分出故障区段,保证选择性和全网保护的速动性。文献[4]提出将配电网中的分布式发电系统分成不同的功率带，采用自适应方法进行保护配合，但这样需要分布式发电容量大于本地负荷容量，而且需要配备功率控制装置。在光伏并网系统中，可以采用反应两端电气量比较的光纤纵联差动保护等，来避免频繁改变保护整定值， 满足继电保护的选择性、速动性。

3.2 光伏发电系统对自动重合闸的影响

自动重合闸(AAR)是当线路断路器因事故跳闸后，立即使断路器自动再次合闸的一种保护装置。如果线路为非全电缆线路，为了能够在线路发生瞬时性故障时，快速恢复对负荷的供电，保护通常投入重合闸保护功能。标准IEEE 1547规定，分布式电源在电网电源失去后，必须跳离线路。在重合闸前加速方式下，任何位置的故障都必须跳开光伏发电系统，增加了线路恢复运行时的工作复杂度和工作量，延长了对用户的停电时间。否则，重合闸动作时，故障点由于去游离时间不足，电弧可能重燃，使得重合闸动作不成功，扩大故障范围。

因此，在含有光伏发电系统的配电网系统侧的断路器跳闸后，必须保证有充分的时间使故障点的电弧熄灭，才能保证重合闸成功。光伏发电系统和瞬态重合闸之间存在着明显的冲突，系统侧宜延长重合闸时限，以便保证光伏发电系统在重合时间内已退出运行，光伏发电系统侧需装设低周、低压解列装置。同时为避免非同期合闸给配电网和光伏发电系统带来致命冲击，系统侧重合闸继电器宜检线路无压，光伏发电系统侧检同期[5]。同时，解列后再连接时的判断同期问题成为减少对配电网的冲击所必须考虑的重要问题，应有一定的控制策略和保证手段。

3.3 光伏发电系统保护与配电网保护的配合

10 kV以下光伏发电系统的特点是可以直接挂接在380 V配电网上，光伏发电系统与本地负载相连，再通过断路器连接到配电网上。当光伏发电系统接入点附近发生故障时，存在着光伏发电系统侧断路器和系统侧断路器动作时限配合的问题。在自动重合闸断开时间间隔内，应确保光伏发电系统快速有效地切断，但当有多个光伏发电系统接入系统时，并不是所有的光伏发电系统都会对线路保护和重合闸产生影响，这与光伏发电系统接入点和故障之间的距离长短有关，还与光伏发电系统的容量大小有关，特别是配电网80%的故障都是瞬时性的，不加选择地切除光伏发电系统，会极大地降低光伏发电系统的利用效率，而且经常起停光伏发电系统设备，会使设备的使用寿命降低。另外，故障发生时，电力电子设备中的过渡过程可能击穿大功率半导体器件等。为此，有必要研究当配电网线路发生故障时，配电网保护和光伏发电系统保护之间的配合问题。尤其是在光伏发电系统接入点附近发生故障时，它们之间的动作时限配合问题。

4 结束语

当今能源匮乏，光伏发电作为高效、环保的新能源，其应用前景正日益得到社会的普遍认同，光伏发电并网技术的应用推广也更具有现实意义。然而，光伏发电并网运行将深刻影响配电网中短路电流的大小、流向及分布。另外，要使已有的继电保护系统有效地保护含光伏发电的配电系统，还有许多经济技术方面的问题需要解决。

参考文献：

[1] 王希舟,陈 鑫.分布式发电与配电网保护协调性研究[J].继电器,2006,34(3):15-19.

[2] 吴 罡，陆于平，花丽丹，等.分布式发电采用故障限流器对继电保护性能的影响[J].江苏电机工程，2007，26(2):1-4.

[3] 分布式电源及其并网时对电网的影响[J]．高电压技术,2007,33(1)：33-40.

[4] Brahma S M,Girgis A A.Development of Adaptive Scheme for Distribution System with High Penetration of Distributed Generation[J].IEEE Trans on Power Delivery,2004,19(1)：56-63.

[5] 张 超,计建仁,夏 翔,等.分布式发电对配电网馈线保护的影响[J].继电器,2006,34(13):9-12.