光伏低电压穿越期间无功补偿对差动保护灵敏度的影响分析

王秀莲, 胡 广, 毕大强



光伏低电压穿越期间无功补偿对差动保护灵敏度的影响分析

王秀莲1, 胡 广1, 毕大强2

(1.沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110168；2.清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京100084)

研究了具备低电压穿越(Low Voltage Ride-Through，LVRT)能力的光伏并网发电系统，送出线部分发生三相短路故障时，LVRT控制过程中发出的无功电流对传统比率制动式和新型标积制动式差动保护灵敏度的影响。理论分析表明故障期间无功补偿会导致两种差动保护的灵敏度下降，并通过Simulink搭建光伏并网发电系统仿真模型验证了这一结论。在此基础上，进一步对比得出发生金属性短路故障时，标积制动式差动保护的灵敏度受无功补偿影响较小，作为光伏电站送出线部分的保护效果更佳。最后通过差动特性曲线的整定方式，对如何提升差动保护灵敏度的问题提出改进建议。

LVRT；无功补偿；比率制动；标积制动；灵敏度

0 引言

随着光伏(Photovoltaic，PV)发电系统大规模并入电网，其对电网的安全稳定运行造成不可忽略的影响[1-3]，因此光伏并网发电系统在自身故障期间的保护措施，成为电网安全运行的关键因素之一[4-5]。PV为逆变器型电源，短路电流易受温度、光照等影响，其发出的电功率具有随机波动性和间歇性，可能导致线路电流纵差保护区内故障时拒动，区外故障时误动[6-9]。文献[10-12]研究的带有制动量的传统比率式和标积制动式差动保护，可有效克服外部故障时差动回路的最大不平衡电流、电流互感器饱和的影响，有效保证了差动保护工作的可靠性。

同时，为保证电网的安全稳定运行，世界各国对光伏并网发电的要求越来越严格，要求PV电站须具备LVRT能力：即当电网故障或并网点电压波动时，光伏电站在其可承受范围内能够不间断并网运行，同时为支撑电网电压恢复，逆变器须发出一定量无功电流注入电网。文献[13]指出低电压穿越控制策略可能改变故障电流的大小以及电流、电压间的相位关系，这对依靠电流大小门槛值来识别故障的保护以及依靠检测电压、电流之间相位来判别故障位置的方向元件，均会产生一定的影响。无功量的注入必将导致电网潮流的变化，对继电保护装置产生不可避免的影响。

本文主要研究了光伏并网发电系统低电压穿越期间，逆变器无功补偿对比率制动特性和标积制动特性差动保护灵敏度的影响。通过理论推导分析得出LVRT控制中发出的无功会导致两种差动保护的灵敏度下降，采用Simulink仿真分析验证了这一结论。并且进一步研究得出发生金属性短路故障时，标积制动特性差动保护灵敏度受无功补偿影响较小，用于光伏电站送出线保护效果更佳。

1 比率制动与标积制动特性

1.1 传统比率制动式差动保护

比率制动特性是利用故障电流来产生制动作用，故障电流越大时制动作用就越大，反之则越小，与此同时继电器的动作电流也随之增大或减小。可以有效防止外部短路引起的误动。

取继电器差动电流d为

制动电流z为

(2)

式中：d为差动电流；z为制动电流；1、2分别为电流互感器两侧电流向量(1正方向为流入互感器，2正方向为流出互感器)。

比率制动式差动保护判据为

式中：s为启动电流；z.0为拐点电流；1为比率制动特性的斜率。

根据文献[14]中的计算导则对参数进行整定，s取为0.2N，z.0取为0.8N，1取为0.5。图1所示为纵差保护的比率制动特性。

图1 比率制动特性曲线

1.2 标积制动式差动保护

实际上，标积制动式差动保护仅仅是比率制动式差动保护的另一种表达方式[15],根据比率制动式差动保护表达式：

展开得

(5)

2 系统建模与分析

2.1 光伏低电压穿越无功补偿标准

国家电网公司 2011 年颁布的《光伏发电站接入电力系统技术规定》对光伏发电站的动态无功支撑能力提出了确切的要求[16]。

(1) 自电网电压跌落的时刻起，动态无功电流的相应时间不大于30 ms。

(2) 自动态无功电流响应起一直到电压恢复至0.9PU期间，光伏发电站注入电力系统的动态无功电流T应实时跟踪并网点电压变化，并应满足：

根据新的国家标准，在检测到并网点电压跌落时，要求光伏发电系统在0.625 s之内不脱网。并且根据电压跌落的深度，持续向电网注入相应等级的无功电流支撑电网电压恢复。实际上，导致并网点电压跌落的故障因素有很多，本文研究的仅是三相电压短路接地情况。按差动保护的保护范围故障类型又分为两类：光伏发电系统送出线部分的区内故障和送出线以外部分的区外故障。

2.2 光伏发电系统建模

光伏并网发电系统主要由光伏阵列、三相逆变器、稳压电容、滤波电感、公共电网等部分组成。对于逆变器的控制，采用基于电网电压定向的矢量双闭环控制策略。具体的光伏并网系统结构如图2所示。

图2 光伏并网发电系统结构

2.3 故障线路分析

由《光伏发电站接入电力系统技术规定》可知，当电网发生区外故障(AB段以外线路)电压低于0.9PU差动保护不应立即动作，需要有一定的延迟用以电网输电线路的主保护动作切除故障[17]。然而发生如图3所示的AB段发生故障(区内故障)时，差动保护应立即动作，切除保护区域内的故障。故此，在确保差动保护装置不误动的同时，应尽量保证其灵敏度在较高水平。

图3 短路故障示意图

根据差动保护的灵敏系数定义有：

2.3.1无无功补偿的系统区内故障

在理想情况下，当光伏并网发电系统发生区内短路故障且不进行无功补偿时，故障点F两侧电流的相位正好相反，可以假定两侧的短路电流标量分别为1.2N与N。此时，比率制动特性差动保护的动作电流与制动电流由式(1)、式(2)可知：

(11)

(12)

标积制动特性差动保护的动作电流与制动电流分别为

(14)

但是，在实际的线路短路故障中，网侧电流2大小取决于线路阻抗及电网容量的配值，远大于2.8N。由式(12)比率制动特性下动作电流即。可知，在实际工况下被保护线路发生短路故障，标积制动式差动保护的灵敏度高于比率制动式差动保护的灵敏度。

2.3.2有无功补偿系统的内部故障

光伏并网发电系统发生区内短路故障进行无功补偿时，补偿量的大小随着电压跌落的深度变化而变化，无功电流的注入必将导致系统功率因数的改变。根据国标对无功补偿的要求可知，注入系统的无功电流应为容性，用以支撑电网电压恢复。

正如图3所示，故障期间故障点F左侧电流的相位在无功补偿期间超前于电压相位，从而故障点两侧的电流相位差小于180°。有无功补偿时，故障点两侧电流的矢量差(1-2)和矢量和(1+2)如图4所示。

图4 电流矢量合成

对于比率制动特性差动保护，无功电流注入光伏发电系统使得差动电流d(矢量差)减小而制动电流z(矢量和)增大，导致灵敏度会有下降；对于标积制动特性差动保护，虽然相位差取值范围在，制动电流zb=0，但是差动电流db减小，其灵敏度也会下降。

3 仿真分析

3.1 系统仿真

本文采用Matlab软件作为仿真工具，搭建额定功率为250 kW光伏并网发电系统，对前面分析的可行性和正确性进行仿真验证。光伏发电系统的具体参数如表1所示。

光伏发电系统在0.2 s时发生三相短路故障(区内故障)电网电压跌落。本文仿真的电压跌落深度依次为30%、50%、70%及100%。电压跌落100%期间未采取LVRT控制时逆变输出的三相电压及故障点F两侧A相电流、电流相位、电流相位差的波形如图5所示。采取LVRT控制后的波形如图6所示。

表1 系统参数设置

图6 采取LVRT控制的仿真波形

Fig. 6 Simulation waveforms with LVRT control

由图6可以看出，无LVRT控制策略时，逆变器输出故障电流通过限制电流内环给定值dref，使其输出的故障电流均不超过额定电流的1.2倍。未采取LVRT控制时，逆变器输出的故障电流相位没有发生改变而电网侧故障电流的相位与故障前相反，导致故障点F两侧的电流有相位差；采取LVRT控制后，逆变器在短路故障发生时发出一定量的无功电流使得输出电流相位发生改变，导致故障点两侧相位差接近90°。

3.2 故障期间不采取无功补偿时比率制动和标积制动的灵敏分析

光伏并网发电系统发生内部短路故障，电压跌落深度的变化导致比率制动特性的灵敏度和标积制动特性的灵敏度的变化如表2所示。随着电压跌落深度的增大，比率制动特性灵敏度呈下降趋势而标积制动特性差动保护的灵敏度有相应程度的增大。同时，验证了在理想情况下未采取无功补偿措施且制动电流小于z.0时，比率制动特性和标积制动特性差动保护的灵敏度相等，但在实际线路故障中比率制动特性的灵敏度低于标积制动特性的灵敏度这一分析结论。

表2 电压跌落深度与各参数对应关系

3.3 故障期间采取无功补偿时比率制动和标积制动的灵敏度分析

由图6的仿真波形分析得到，差动保护的保护范围内发生短路故障时，光伏逆变器侧电流幅值限制到1.05N，而电网侧电流幅值没有限制明显增大、故障点F两侧的相位差为，因此故障期间采用LVRT控制对系统有着不可忽略的影响。根据表2与表3所示的电压跌落深度与各参数的对应关系，电压跌落深度相同时，采用LVRT控制的差动电流d较未采用LVRT时小，即采用LVRT控制时的灵敏度低于未采用LVRT控制时的灵敏度。特别是在发生金属性短路故障电压跌落100%情况下，无功补偿对比率制动特性差动保护影响更大，标积制动特性受到的影响相对较小。因此，标积制动特更适合于具有低电压穿越技术的光伏电站输出线路差动保护。

表3 电压跌落深度与各参数对应关系

由于比率制动式差动保护的灵敏度与动作特性曲线密切相关，制动曲线上启动电流、拐点电流及斜率等因素直接影响着保护装置的灵敏度，但是不能仅改变其中任一个因素用以提升保护的灵敏度。在保证最大制动电流对应的动作电流相等的前提下，可以适当降低启动电流整定值的同时提高拐点电流整定值，此时斜率已然确定。而标积制动式差动保护在送出线路发生区内故障时，制动量为0。因此标积制动原理反应内部故障灵敏度仅与启动电流整定有关，在确保可靠性的前提下适当降低启动值可以起到提升保护灵敏度的作用。

4 结语

本文采用理论推导和仿真验证相结合的方法，分析了光伏并网发电系统低电压穿越过程中比率制动特性和标积制动特性差动保护灵敏度受到的影响情况，得出结论如下：

(1) 经过理论推导表明低电压穿越控制过程中，逆变器发出的无功电流导致两种差动保护的灵敏度下降；

(2) 通过仿真对理论推导所得结论加以验证，并且对比分析了标积制动式和比率制动式差动保护的灵敏度，进一步得出前者受到的影响更小，更适合用于光伏电站送出线路的保护。

最后通过差动特性曲线的整定方式，对如何提升差动保护灵敏度的问题提出改进建议，下一步将重点研究光伏并网发电系统低电压穿越过程中差动保护灵敏度的提升方法。

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(编辑 姜新丽)

Impact analysis of reactive power compensation on sensitivity of differential protection during the low voltage ride-through of photovoltaic systems

WANG Xiulian1, HU Guang1, BI Daqiang2

(1. Shenyang Ligong University, Shenyang 110168, China; 2. State Key Lab of Power Systems, Dept of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The influence of reactive power compensation on sensitivity of differential protection of ratio-restraining characteristic and product-restraining characteristic is studied, when the output line of grid-connected photovoltaic (PV) systems with low voltage ride-through capability occurs three-phase short-circuit failures. It is found that the use of LVRT results in the decline of two kinds of sensitivity of the differential protection. The model of grid-connected photovoltaic (PV) system is set up, and verified by Simulink simulation. And further conclusion shows that the impact of differential protection of product-restraining characteristic on sensitivity is smaller, when the reactive power compensation is injected, and is better for the protection of output lines of photovoltaic power station, when the short-circuit fault occurs. Finally, this paper presents recommendations about how to improve the sensitivity of the differential protection by the tuning mode of differential characteristic curve.

LVRT; reactive power compensation; ratio-restraint; product-restraint; sensitivity

10.7667/PSPC150696

2015-04-24；

2015-07-01

王秀莲(1965-)，女，博士，教授，硕士生导师，研究方向为电力系统自动化、智能电网及新能源技术；

胡 广(1989-)，男，通信作者，硕士研究生，研究方向为光伏并网发电技术；E-mail: 15910364042@163.com

毕大强(1973-)，男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统主设备继电保护、电力电子技术在电力系统中的应用。