光伏电源接入配电网的方向元件新判据

张惠智，李永丽

（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

光伏电源接入配电网的方向元件新判据

张惠智，李永丽

（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

光伏电源的控制策略不同于传统电源，传统方向元件不能正确判断故障方向，可能导致保护装置错误动作.为此，研究了光伏电源在并网控制策略下的故障输出特性，以及光伏电源接入影响下的系统侧电源故障输出特性，得到了配电网发生故障时光伏电源及系统电源输出故障电流的相位特征，以此为基础提出了一种基于正序故障电流和故障前电压相位信息的方向元件新判据，并与传统方向元件进行了比较，得出了光伏电源接入的配电网中方向元件的特性及整定计算方法.结果表明该方向元件判据在配电网不同故障条件下均能保证正确动作，同时避免了传统方向元件易受电压死区及过渡电阻影响的问题.

方向元件；光伏电源；配电网

光伏电源是通过电力电子变流器接入电网的电源，其故障输出特性取决于自身控制策略，电网发生故障时，可能影响电网中传统保护的动作特性［1-2］.

基于方向元件的保护（包括方向过电流保护和方向纵联差动保护等）是配电网中一类重要的保护［3］，其核心元件是判定故障方向的方向元件.传统配电网中，流过各保护的故障电流由系统侧电源单一提供，系统侧电源供出的故障电流与保护安装处电压的夹角等于线路阻抗角，因此可以用功率方向判据判断故障方向［3］.然而，在光伏电源接入的配电网中，流过各保护的故障电流由故障输出特性不同的光伏电源与系统侧电源分别提供.光伏电源的故障电流输出特性受其控制策略影响，同时也将改变配电网中系统侧电源的故障电流输出特性.因此，在光伏电源及系统侧电源两种具有不同故障输出特性的电源同时接入的配电网中，各电源所供出的故障电流与保护安装处电压的夹角不再等于线路阻抗角［4-5］，传统功率方向元件可能错误判断故障方向.不仅如此，传统方向元件动作特性易受电压死区及过渡电阻影响的问题在光伏电源接入的配电网中依然存在［6-7］.为保证光伏电源接入的配电网中方向元件能正确判断故障方向，需研究能够在光伏电源接入配电网中正确判断故障正方向的方向元件新判据.

本文依据光伏电源故障输出特性分析了传统方向元件在光伏电源接入的配电网中的动作特性.在研究系统侧电源及光伏电源故障输出故障电流相位特征的基础上，提出了能够在光伏电源接入配电网中正确判断故障正方向的方向元件新判据，并在仿真平台上进行了验证.

1　光伏电源的故障输出特性

并网光伏电源如图1所示.

图1　并网光伏电源Fig.1 Grid-connected PV generator

正常运行条件下光伏电源的控制方程［7］为

式中：Ppv为正常运行条件下光伏电源交流侧输出的有功功率；为光伏电源输出的电流相量；正常运行时取为光伏电源并网点电压相量.对于接入低压配电网的小型光伏电源［8］，配电网故障时只输出有功功率［9］.光伏电源的控制方程为

式中Imax为光伏电源输出电流的限流值，通常为光伏电源额定电流的1.2～2.0倍.对称故障时取U.T为光伏电源并网点电压相量.不对称故障时取U.T为并网点正序电压相量，此时光伏电源输出三相对称的正序故障电流.

2　并网光伏电源接入对功率方向元件的影响

配电网广泛采用的功率方向元件的动作方程为

图2　含光伏电源的配电网模型Fig.2 Model of distribution system with PV generator

表1　电流与电压的相位关系Tab.1 Phase relationship of current and voltage

上述配电网中线路阻抗角为52°，代入式（3），得保护安装处非故障相相间电压和故障相电流相位差在（-128°，52°）范围内时，故障位于该保护的正方向.由表1数据易见，光伏电源接入前，各保护方向元件均能正确判断故障方向.光伏电源接入后，保护的方向元件可能错误判断故障方向.

分析上述仿真结果发现，光伏电源的故障输出特性不满足传统方向元件动作判据，同时受光伏电源影响，系统侧电源非故障相（a相）电流不等于零，且非故障相电流与保护安装处电压的相位关系不再满足传统方向元件的动作判据，基于功率方向判据的传统方向元件错误判断了故障方向.因此，需要研究适用于光伏电源接入的方向元件新判据以保证光伏电源接入的配电网中方向元件正确判断故障方向.

3　适用于光伏电源接入配电网方向元件判据

以图2所示配电网为例研究配电网发生故障时系统侧电源及光伏电源供出的故障电流的相位特征，得出适用于光伏电源接入配电网的方向元件新判据.

3.1光伏电源上游故障

如图2所示，光伏电源上游f点发生三相短路故障时，系统电源提供的故障电流特性不受光伏电源影响［10］，计及过渡电阻时，系统电源提供的故障电流I.s与系统侧电压E.s之间的夹角θs满足［3］

f点发生bc相间短路时，配电网的综合序网如图3（a）所示.其中，U.F为故障点电压相量（正负序电压相量相等），分别为流过保护1、2、3、4电流的正、负序分量.Zs为系统等值内阻，ZAB为线路AB的等值阻抗，ZBf、ZCf分别为A、B母线到f点线路的等值阻抗，ZL为光伏电源下游线路及负荷的等值阻抗，Zf为过渡电阻.忽略负荷电流得到简化综合序网如图3（b）所示.根据图3（b）所示研究系统及光伏电源供出的正序故障电流相位特征.

图3　光伏电源上游故障配电网等效电路Fig.3Equivalent circuit of distribution network during upstream fault of PV generator

1） 系统侧电源供出故障电流相位特征

易见，系统向故障点提供正序有功功率及无功功率［12］，令为系统侧电压相量超前系统供出的正序故障电流的夹角.由式（4）可得

对比式（4）和式（5）可见，光伏电源上游发生对称及不对称故障时，系统电源供出的正序故障电流相量（对称故障时无负序电流）与系统侧电压相量的夹角范围不变，可统一至式（5）.

2）光伏电源供出故障电流相位特征

f点发生相间短路故障时，光伏电源供出的故障电流流经保护4.将图3（b）所示电路等效为如图4（a）所示电路，进一步简化得到图4（b）所示电路.

图4中：

图4　光伏电源上游故障配电网简化等效电路Fig.4Simplified equivalent circuit of distribution network during upstream fault of PV generator

电压矢量关系如图5所示［12］.

图5中：ϕtotal为阻抗Ztotal的阻抗角；δpv为和的夹角（′超前时夹角角度为正角度）；分别为电压变化量的横分量［12］，即

光伏电源输出有功功率时满足

图5　电压矢量关系Fig.5 Voltage vector relationship

根据图5利用正弦定理可得

取系统侧电压为光伏电源并网的额定电压，则有

将式（2）和式（17）代入式（15）可得

将式（21）和式（22）代入式（11）和式（20）可得

其中

可解得

此外，光伏电源上游发生相间短路故障时，线路电抗上的压降满足［12］

根据式（26）和式（28）得系统侧电压相量E.s与光伏电源输出的故障电流I.pv的夹角θpv的取值范围为

即光伏电源侧保护正方向故障时，系统侧电压E.s与流过光伏电源侧保护电流的夹角在式（29）所示范围内.

3.2光伏电源下游故障

光伏电源下游f′点（见图2）发生故障时，正序等效电路如图6所示，其中ZAC为A母线到C母线线路的等值阻抗，ZCf2为C母线到f′点线路的等值阻抗.

图6　光伏电源下游故障配电网正序等效电路Fig.6 Positive equivalent circuit of distribution network during downstream fault of PV generator

f'点故障时，系统供出的电流流保护1、2、3、 4.与系统供出的正序故障电流仍满足式（5），系统侧电源供出的负序电流与系统侧电压仍无明确夹角关系.

3.3方向元件动作判据

由上述分析可见，系统侧电源及光伏电源供出的正序电流与系统侧电压E.s的夹角分别满足式（5）和式（29）所示的关系，因此可以根据各保护安装处正序电流与系统侧电压E.s的夹角关系得到相应的方向元件判据.

由于配电网正常运行时线路各点电压相位近似相等［13-14］，用配电网正常运行时保护安装处电压相量代替系统侧电压根据式（5）和式（29）得到系统电源侧保护正、反方向发生故障时，保护安装处电压和正序电流分别满足

定义保护正方向故障时，流经保护的正序电流相量所在区域为保护的正方向故障区；保护反方向故障时，流经保护的正序电流相量所在区域为保护的反方向故障区.则系统电源侧和光伏电源侧保护正、反方向故障区如图7所示.

图7　系统及光伏电源侧保护的正反方向故障区Fig.7Forward and backward fault area for system and PV generator side protection

光伏电源接入的配电网发生故障时，流经保护的正序电流不会落在图7中的空白区域.将各空白区域均分给与其相邻的正、反方向动作区，令扩展后的正方向故障区为方向元件的正方向动作区.则系统电源与光伏电源侧保护的方向元件动作判据分别为动作特性分别如图8和图9所示.

图8　系统电源侧保护方向元件的动作特性Fig.8Operation characteristic of directional component of system side protection

图9　光伏电源侧保护方向元件的动作特性Fig.9Operation characteristic of directional component of PV generator side protection

由上述分析可得，由于光伏电源的故障电流输出特性不同于传统电源，因此光伏电源接入的配电网中，方向元件动作判据有如下特点.

（1）光伏电源与系统侧电源的故障输出特性不同，因此对于光伏电源侧保护和系统电源侧保护的方向元件，其动作判据并不相同.

（2）光伏电源输出的故障电流与保护安装处电压的夹角并不等于线路阻抗角，系统侧电源受光伏电源影响，输出的故障电流与保护安装处电压的夹角也不再等于线路阻抗角，最大灵敏角概念不适用于光伏电源接入的配电网方向元件.

（3）光伏电源接入的配电网中，同一方向元件的正、反方向故障电流分别由不同类型电源（系统侧电源和光伏电源）提供，因此方向元件的正、反方向动作区域并不对称.

4　仿真验证

仿真模型参数同第2节所述.对本文所提方向元件判据验证如下.

4.1算例1

距离B母线2,km的f点处发生三相金属性短路时，流经保护1、2、3的正序电流相位如图10所示（光伏电源退出运行，保护4无故障电流流过）.由图10可见，流经保护1、3的正序电流在动作区域内（阴影区域为光伏电源侧保护方向元件和系统电源侧方向元件的动作区域，深色部分为两侧保护方向元件动作区域的重合区域，下同），方向元件动作（实线箭头表示，下同）；流经保护2的正序电流在不动作区域内，方向元件不动作（虚线箭头表示，下同）.

图10　上游三相金属性短路方向元件动作情况Fig.10 Action of directional component during three phase metallic upstream fault

距离B母线2,km的f点处发生三相短路，过渡电阻为10,Ω时，保护1、2、3的正序电流相位如图11所示.由图11可见，过渡电阻并未改变方向元件故障方向判定的结果.

图11　上游三相非金属性短路方向元件动作情况Fig.11 Action of directional component during three phase non-metallic upstream fault

4.2算例2

距离B母线2,km的f点处发生bc相间金属性短路时，保护1、2、3、4方向原件的动作情况如图12所示.由图12可见，流经保护1、3、4的正序电流在动作区域内，方向元件动作；流经保护2的正序电流在不动作区域内，方向元件不动作.

图12　上游相间金属性短路方向元件动作情况Fig.12Action of directional component during interphase metallic upstream fault

距离B母线2,km的f点处发生bc相间短路，过渡电阻为10,Ω时，流经保护1、2、3、4的正序电流相位如图13所示.由图13可见，过渡电阻并未改变方向元件故障方向判定的结果.

图13　上游相间非金属性短路方向元件动作情况Fig.13Action of directional component during interphase non-metallic upstream fault

4.3算例3

光伏电源下游距离C母线2,km处发生三相金属性短路时，保护1、2、3、4方向元件的动作情况如图14所示.由图14可见，流经保护1、3的正序电流在动作区域内，方向元件动作；流经保护2、4的正序电流不在动作区域内，方向元件不动作.

图14　下游三相金属性短路方向元件动作情况Fig.14Action of directional component during three phase metallic downstream fault

光伏电源下游距离C母线2,km处发生三相短路，过渡电阻为10,Ω时，保护1、2、3、4方向元件的动作情况如图15所示.由图15可见，过渡电阻并未改变方向元件故障方向判定的结果.

图15　下游三相非金属性短路方向元件动作情况Fig.15 Action of directional component during three phase non-metallic downstream fault

4.4算例4

光伏电源下游距离C母线2,km处发生bc相间金属性短路时，保护1、2、3、4方向元件的动作情况如图16所示.由图16可见，流经保护1、3的正序电流在动作区域内，方向元件动作；流经保护2、4的正序电流不在动作区域内，方向元件不动作.

图16　下游相间金属性短路方向元件动作情况Fig.16 Action of directional component during interphase metallic downstream fault

光伏电源下游距离C母线2,km处发生bc相间短路，过渡电阻为10,Ω时，保护1、2、3、4的动作情况如图17所示.由图17可见，过渡电阻并未改变方向元件故障方向判定的结果.

图17　下游相间非金属性短路方向元件动作情况Fig.17 Action of directional component during interphase non-metallic downstream fault

综上，本文提出的方向元件判据可以正确判断光伏电源接入的配电网中故障正方向，且不受过渡电阻的影响.

5　结　论

（1） 光伏电源接入的配电网中，系统电源和光伏电源的故障输出特性不同，因此系统电源侧和光伏电源侧保护方向元件的动作判据也不同.

（2） 同一保护的正、反方向故障电流由不同侧电源提供，因此其方向元件的动作区与不动作区不对称.

（3） 本文所提出的方向元件判据能正确判断光伏电源接入的配电网的故障正方向，且该判据不受过渡电阻和电压死区的影响.

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（责任编辑：王晓燕）

New Criterion of Directional Component in Distribution System with Photovoltaic Generator

Zhang Huizhi，Li Yongli
（Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Control strategy of photovoltaic（PV）generator is different from traditional generators.Conventional directional component cannot judge the fault direction correctly in distribution system with PV generator，due to the special fault characteristic of PV generator.Thus fault characteristic of PV generator under grid-connected control strategy was investigated as well as the fault characteristic of the grid side generator.Phase characteristics of PV generator and grid side generator fault current were revealed.A new directional component criterion based on the phase information of positive-sequence current and pre-fault voltage was proposed based on this.It was compared with the traditional directional component，and features and setting methods of the directional component in distribution system with PV generator were obtained.This criterion guarantees the reliability of the directional component in various fault situations of distribution system.Besides，it avoids the dead zone and transition resistance problem of traditional directional component.

directional component；photovoltaic generator；distribution system

TM733

A

0493-2137（2016）05-0520-08

10.11784/tdxbz201411064

2014-11-21；

2015-04-20.

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2009CB219704）.

张惠智（1988—），女，博士研究生，xiaozhi_610@126.com.

李永丽，lyltju@163.com.