分布式光伏接入配电网继电保护的解决方案

刘立群，刘天保，刘春霞

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

集中式发电系统以其大电网、大容量、超高压和远距离等特点，已经发展成为目前电力生产、输送、分配的关键手段。但是，大电网发电过程中需要消耗海量的一次能源，并带来全球变暖、温室气体和雾霾等一系列气候和环境问题。集中式发电在突发的自然灾害、人为破坏和电器故障等情况下，无法为用户提供可靠的电能，甚至有可能引起一系列的连锁反应，导致整个电网大停电或者崩溃。

近年来，以风电和光伏发电为代表的可再生能源分布式发电技术得到了快速的发展，大力发展可再生能源成为应对能源危机和环境问题的重要途径，大电网与分布式发电相结合可以节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性，未来电力系统“高比例可再生能源并网”理念已经在世界各国形成广泛共识[1-5]。分布式电源(distributed generation，DG)单独和集群并网将成为未来配电网的基本特征。DG并网与集群并网系统相比，一般接在中低压配电网系统，具有安装分散、满足多样化需求、距离用户较近、线路损耗少等诸多优点，降低了处理电压跌落和无功补偿的难度，可以有效地弥补大规模集中式发电和输电的不足，在一定程度上可以改善供电质量并在短时间内可以有效解决电能短缺等问题[2-4]。DG接入配电网后，使得配电网由传统的单一大容量电源网络变成单一大容量混合多个微电源网络，潮流方向也会变得异常复杂，进而导致配电网的运行、保护和控制等多方面都会受到影响，特别是传统的继电保护配置方案将不适用。同时，分布式电源容量、类型和接入位置等的不同都会对配电网故障电流造成不同的影响。为了能够在分布式电源大量接入配电网的情况下，保护装置的可靠动作，有必要在深入分析分布式电源接入后对配电网电压、潮流和网损等的影响，进而对传统保护配置进行改进，为分布式发电技术在配电网中的广泛应用扫除技术上的障碍[6-13]。

本文首先通过分析光伏特性，说明分布式光伏输出对并网的影响，接着进一步阐述了分布式电源接入配电网对配电网保护的影响，最后提出了一种分工况保护方案，对于配电网消纳高渗透分布式光伏发电系统具有积极意义。

1 光伏特性分析

自1839年法国科学家E.Becquerel发现了液体的光生伏特效应，光伏电池的发电效率不断提升，目前工业化单晶硅光伏电池的发电效率已经超过30%，单晶、多晶和非晶光伏电池已经被广泛的应用于发电领域。

1.1 光伏建模

如图1所示的光伏等效电路，光伏等效内部关系如式(1)～(3)，输出电流为I，输出电压V.

(1)

Vd=V+RsI

(2)

(3)

图1 光伏电池等效电路

其中，Id是流过二极管的电流(A)；Io是反向饱和电流(暗电流)(A)；Iph是光生电流(A)；Rsh是并联电阻(Ω)；Rs是串联电阻(Ω)；q是电子电荷(1.6×10-19C)；k是波尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)；T是光伏绝对温度(273+T1)；n是二极管品质因子，实际摄氏温度表示为T1，hv为光子能量。

由式(1)～(3)，得到输出电流I表达式：

(4)

由于Rs一般数量级为mΩ，而Rsh一般数量级为Ω，因此式(4)可简化为式(5).

(5)

当光伏开路时，I=0，由式(5)可得到开路电压Voc.

(6)

因此反向饱和电流Io可表示为

(7)

当光伏短路时，此时Id非常小，可忽略，此时光伏的短路电流Isc等于输出电流，即Isc=I，由式(4)得：

(8)

(9)

(10)

由式(1)到(5)光伏的输出功率P可表示为式(10)。当环境温度和光照强度外界因素变化时，光伏电池的输出功率会随着外部因素的变化而变化。

1.2 光伏输出特性

图2 相同光照强度下光伏功率电压输出特性曲线

光伏的输出特性具有强烈的非线性，且与光照强度有直接关系，一般来说，部分遮蔽下的输出特性比相同光照强度下的输出特性更为复杂。图2显示了光伏在相同温度不同光照强度情况下的功率-电压输出曲线，其中光照强度变化为100 W/m2，光照强度变化范围由100 W/m2～1 kW/m2，温度为35 ℃.图3显示了光伏在复杂遮蔽情况下，光伏的功率-电压特性。由图可知，光伏输出在任何情况下都存在一个实际的最大功率点，只是在相同光照强度情况下只有一个，在部分遮蔽情况下有多个。由于最大功率点跟踪策略能够有效提升光伏输出的电能，因此得到了广泛的应用[15-16]。

此外，光伏发电系统采用最大功率跟踪策略，输出功率达到最大功率Pmax后，该工况下的最佳工作电压Vmpp和电流Impp的就决定了，工况不变，光伏发电系统输出功率不可能发生变化。

图3 复杂遮蔽下光伏功率电压输出特性曲线

2 分布式光伏接入对配电网保护的影响

传统配电网一般为放射状结构，因此在配置保护装置时，通过采用三段式电流保护，可以简单、经济和有效的实现线路的保护，如图4所示。但是分布式电源接入配电网将给传统的辐射型配电网结构的继电保护带来诸多影响，如继电保护装置的误动、拒动或重合闸重合不成功等，其并网后给系统带来的影响是不容忽视的[13-14]。其中，图4是含有单个DG的配网系统，QF0、QF1、QF2、QF3、QF4和QF5是继电保护开关，在馈线上接分布式电源。

图4 含有分布式电源的配网系统图

现对系统的故障分析如下：

(1)假设在系统线路AB上的K1点发生短路故障，如上图所示，在QF0断开前，系统短路电流由电源和分布式电源同时向故障点K1供应，QF1上只流过系统电源提供的短路电流，小于K1处的短路电流值，QF1保护灵敏度降低。此外当QF1动作后，由于DG任会向K1点提供短路电流，可能会使K1处的瞬时故障变为永久性故障；

(2)假设在系统线路BC上的K2点发生短路故障，在QF1断开前，系统短路电流由电源和分布式电源同时向故障点K2供应，QF2保护灵敏度增大；

(3)假设在系统线路K3点发生短路故障，系统短路电流由电源和分布式电源同时向故障点K3供应，导致QF3上短路电流增加，QF3保护灵敏度增大；此外当短路电流过大时，也有可能会导致上一级BC线路上的QF2动作，扩大故障范围；

(4)假设在系统线路AD上的K4点发生短路故障，保护动作与K2点发生短路故障相识，系统短路电流由电源和分布式电源同时向故障点K4供应，QF4保护灵敏度增大；

(5)假设在系统线路K5点发生短路故障，保护动作与K2点发生短路故障相识，系统短路电流由电源和分布式电源同时向故障点供应，保护灵敏度增大；此外当短路电流过大时，也有可能会导致上一级线路上的保护动作，扩大故障范围；

综上所述，高渗透分布式电源接入配电网会对配电网保护造成巨大的影响。分布式电源的接入一方面会造成上游线路故障时灵敏度降低、保护延迟、越级跳闸和扩大故障范围等问题；另一方面会造成下游线路故障时灵敏度增加，同时也有可能造成故障点上一级越级动作，扩大故障范围。

3 解决方案

分布式光伏作为分布式电源的重要成员之一，是最易于与城市建筑一体化的微电源，因此，高渗透分布式电源的未来发展方向也只可能是分布式光伏海量接入配网。目前，分布式光伏并网系统均已采用了孤岛检测策略，即并网电流、电压、频率和相位等信息均需要按照一定时间间隔定期采集，其中系统逆变器的输出电流与光伏阵列的输出有直接关系，忽略掉控制器和逆变器的损耗，光伏输出功率与并网功率是相等的。因此，设计高渗透分布式光伏接入配电网保护的策略应包括以下三种情况：

(1)等功率：分布式光伏输出Pmax与用户端负载PLoad消耗完全相等，即分布式光伏并网但并不往配电网输送电能。此时，线路上发生短路故障时，只需考虑是否孤岛即可；

(2)欠功率：分布式光伏输出小于用户端负载消耗，即分布式光伏并网且需要配电网输送给用户端部分电能P'。线路上发生短路故障时，必将减少用户端电能输入，即分布式光伏输出无法提供给用户端负载足够的电能供应，必将导致电流或电压的剧烈变化；

(3)过功率：分布式光伏输出大于用户端负载消耗，即分布式光伏并网且往配电网输送部分电能。线路上发生短路故障时，分布式光伏并网端电流Ic必然有一个突然的增加，改变的大小与故障发生点距离线路始端的距离有关，距离越远改变越小；同时，由于分布式光伏一般工作在最大功率点附近，即输出功率是最大，当发生短路故障时，输出功率不可能进一步增大的情况下(此时光伏阵列输出最佳电压和电流不变)，并网电流Ic的增加必将导致并网电压Vc的下降；如果是光伏阵列输出电压和电流变化导致的分布式光伏并网端输出突变则不在考虑；因此在孤岛检测的同时判断分布式光伏并网端并网电压和电流的突变是否是因为光伏阵列突变导致的，是判定保护装置是否动作的关键。如果并网电压和电流发生突变，并判定并不是应为光伏阵列由于遮蔽导致的输出功率突降导致的，则计算故障电流Ik和故障区域，如果Ik大于KkIset，则保护动作，否则，保持并网状态。其中，Kk是可靠系数，Iset是设定的动作电流。

图5 分布式光伏并网电路

分布式光伏并网电路示意图如图5所示，在DC/DC变换器出口处可以采集到Pmax、Vmpp、Impp等相关数据，在DC/AC逆变器和电网并网处可以采集到P'、Vc、Ic、Pload等相关数据。由此得出，在孤岛检测的同时，利用采集到的电压、电流、相位等突变信息，可以有效地判定配电网线路上是否出现了故障和故障发生的区域。上述解决方案如图6所示。

图6 分工况保护解决方案

4 结论

随着与城市建筑一体化的分布式光伏渗透率的增加，分布式光伏发电系统固有的随机性、间歇性和反调峰特性对配电网电能质量、电压波动、调压、继电保护、安全控制等各个方面带来了不可忽视的影响。通过研究分布式光伏输出特性，发现在孤岛检测的同时，对光伏阵列输出端和分布式光伏并网端电压和电流突变信息进行分析和控制，可以有效地实现配电网保护。