分布式光伏电源接入对配电网保护的影响

柳想 王芳禄

摘要：阶段式电流保护常用于配电网继电保护中，但分布式电源接入配电网后，会改变其短路电流大小及方向，导致保护误动拒动等。以ETAP软件为平台搭建含光伏电源的10 kV配电网模型，研究一定容量的光伏电源接入后对传统电流速断保护及反时限过电流保护动作配合的影响，并在不改变原有保护方案的基础上，仿真并验证限制光伏电源接入容量的保护策略。

关键词：光伏电源;ETAP软件;配电网保护;影响

中图分类号：TM615    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2020）05-0037-04

分布式光伏发电具有不会对空气造成污染、有太阳就能发电等优点，已成为重要的可再生能源之一。但是光伏发电接入配电网后，当线路发生故障时会改变短路电流的大小及方向，从而对配电网原有继电保护的正常运行造成影响。随着计算机仿真技术的发展，越来越多的软件可以实现电力系统继电保护计算及仿真。本课题利用ETAP 12.6.0建立光伏电源接入10 kV配电网的模型，对含光伏电源的配电网进行较为精确的仿真分析。

1 光伏电源接入对配电网保护的影响

1.1 仿真系统模型及参数

利用电力系统仿真软件ETAP（Enterprise Software Solutions for Electrical Power Systems）对分布式光伏电源并入配电网进行建模仿真分析。结合东北电网具体情况，设计10 kV典型配电网仿真模型（如图1所示）。

由图1可以看出：该10 kV配电网仿真模型由两线馈线组成，母线Bus3和母线Bus5分别位于馈线末端，直接与负荷相连。将等效电网系统容量设置为100 MVA，X/R设置为20，ETAP软件直接计算出等效电网短路阻抗的正序阻抗、负序阻抗、零序阻抗数值。传输线Line的导体类型为AAAC，阻抗值为0.859 Ω/km，AB线路长2.641 km，BC线路长1.497 km，DE线路长2.815 km，EF线路长1.000 km。

继电器Realy1～Relay4均选用ALSTOM的P121模型。电流互感器的变比均为2500/5。Iset′为电流速断保护的整定值，t′为电流速断保护的动作时间（0 s）;Iset′′′为反时限过电流保护的整定值，t′′′为其动作时间，动作时限满足逐级配合关系。具体参数设置见表1。

ETAP软件的光伏发电系统主要由光伏阵列和逆变器构成。根据实际太阳能电池阵列输出的总功率，配置不同串并联型式的光伏电池组合。设置光伏电源PVA1的容量为10.7 MW，逆变器直流额定电压为220 V，将其通过BC线路上H点接入配电网。

1.2 不同线路故障时光伏电源对保护的影响

1.2.1 当BC线路末端K1点短路 如图2所示，当BC线路上K1点发生三相短路故障时，流过保护Relay1的短路电流虽然仅由系统电源提供，但由于光伏电源的汲流作用，导致流过Relay1的短路电流值减小。由仿真结果可知，此时流过Relay1的短路电流为0. 685 kA，电流速断保护不会动作，过电流保护也不会动作。而仿真PVA1未接入配电网时K1点短路时的故障电流情况，流过Relay1的短路电流为1.217 kA。说明光伏电源的接入使得流过Relay1的短路电流明显减小，严重时Relay1甚至会拒动。

1.2.2 当AB线路中间位置K2点短路 如图3所示，在PVA1的容量与接入点均不变的情况下，当AB线路上K2点发生三相短路故障时，Relay2与Relay1的电流速断保护同时动作。流过Relay2的短路电流仅由系统电源提供，其并未受到光伏电源的影响，所以Relay2的电流速断保护能够正确动作。而此时光伏电源对Relay1提供了2.400 kA的反向故障电流，达到了Relay1电流速断保护的整定值，所以Relay1与Relay2的电流速断保护同时动作。说明光伏电源的接入导致保护Relay1误动作。

1.2.3 当DE线路首端K3点短路 如图4所示，在PVA1的容量与接入点位置均不变的情况下，当其他分支DE线路首端K3点发生短路故障时，流过Relay3的短路电流仅由系统电源流向故障点的电流所提供，所以Relay3的电流速断保护能够正常运行，切除故障。而此时在光伏电源的作用下，流过Relay1的反向故障电流突然增大，达到Relay1的电流速断保护整定值，所以其电流速断保护动作，使保护失去了可靠性。

2 改进方法

由以上分析可知，光伏电源接入配电网会使传统电流保护发生拒动或误动。在不改变原有电流保护方案的前提下，可以通过限制配电网中光伏电源接入容量来保证继电保护装置的可靠动作。为此，针对光伏电源接入后DE线路上K3点发生短路故障时的具体情况，仿真验证减小光伏电源接入容量的保护策略。

DE线路上K3点发生短路故障时，PVA1提供的流过Relay1與Relay2的反向短路电流相同，而保护装置越靠近线路末端，保护的整定值越小，保护越容易误动，因此只需要考虑Relay1的动作情况即可。并且PVA1对流过Relay3的电流具有助增作用。K3点发生短路故障时，流过Relay1的短路电流值为IK3，其电流速断保护整定值为Iset1′，只有当IK3

取原光伏电源容量的一半，将5.3 MW的光伏电源接入线路进行仿真验证。首先将PVA1容量设置为5.3 MW，其他元件参数不变，再将PVA1接入原来的位置。如图5所示，此时Relay3的电流速断保护动作，切除故障。光伏电源提供的助增电流为1.100 kA，流过Relay1的短路电流值并未达到Relay1的电流速断保护整定值，故Relay1不动作。继电保护恢复了快速、准确动作，保护正常运行。

减少光伏电源的接入容量后，线路上发生三相短路故障时PVA1所提供的短路电流相应减小，未达到Relay1的电流速断保护整定值，所以其不动作。而Relay3的电流速断保护在t=0 s时动作，如果Relay3的电流速断保护拒动，则由其反时限过电流保护在t=0.482 s时动作，切除故障，保护仍然可以可靠动作。可见，接入配电网的光伏电源的容量是影响保护装置正常运行的重要因素之一。接入光伏电源的容量越大，线路上发生故障时由其提供的短路电流越大，保护装置误动作的风险也就越大。因此，适当限制光伏电源的接入容量，可以有效解决故障电流对保护装置的影响。

3 结论

采用电力系统仿真软件ETAP建立典型的配电网模型，对10.7 MW的光伏电源PVA1接入线路上同一位置而不同线路发生故障时光伏电源对短路电流的影响进行仿真。当故障发生在光伏电源接入点上游时，故障点距其接入点越近，其提供的短路电流越大，保护装置越容易误动。光伏电源接入配电网的容量越大，其对短路电流的影响越大，当其容量足够大时，会引起保护误动和拒动，对配电网带来危害。以K3点短路时光伏电源对保护装置的具体影响情况为例，在不改变原有保护方案的前提下，仿真验证了限制光伏电源接入容量的保护策略，避免了保护误动作，并且未对原有配电网保护做出改动，经济性较好，是一种相对优化的方案。

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