分布式光伏电源并入配电网的故障分析及保护研究

2023-12-20林中原骆海雄

通信电源技术 2023年18期

莫伟，林中原，骆海雄

（广东皇鼎建设工程有限公司，广东中山 528445）

0 引言

在将分布式光伏电源纳入传统配电网时，电网的稳定性和可靠性面临着新的挑战。配电网常常受到各种故障的影响，如短路、过电压和欠电压等。需要深入研究分布式光伏电源在配电网故障情况下的行为，以及如何采取有效的保护策略来维护电网的稳定性和可靠性。本文将从故障分析、保护技术等方面展开研究，以期为分布式光伏电源与配电网的融合提供更深入的理解和有效的解决方案。

1 故障分析与影响评估

1.1 配电网常见故障类型

一是短路故障。短路故障是指电路中出现异常的电气连接，通常由于2 个或多个电导体之间的短暂接触，导致电流在这个异常连接处迅速增加，造成电流的异常流动。短路故障可能由设备损坏、绝缘材料老化、设备安装等问题引起。在短路事件发生时，电路中的电流可能会剧增，电压也会降低，导致电气设备过载、损坏甚至发生火灾。二是过电压故障。过电压故障是指电网中电压超过正常运行范围的情况。这种故障可能是由雷击、设备突发故障、负荷突然变化等引起的，会导致电网电压迅速升高，可能损坏电力设备，在长时间内影响设备的性能。此外，极端情况下，过电压故障可能引发设备损毁和电网的不稳定。三是欠电压故障。欠电压故障发生在电网中电压低于额定值的情况。这可能是由负荷突然增加、供电不足、电源故障等原因引起的。

1.2 分布式光伏发电对配电网故障的影响

一是电压稳定性与频率变化。随着分布式光伏发电系统的引入，电力系统面临了新的挑战，这是因为光伏发电的输出存在波动性和不稳定性。当配电网遭遇故障时，光伏发电系统的不稳定输出可能会导致电网电压的变化。特别是在天气阴沉或光照不均匀的情况下，光伏发电系统的电力产出可能会迅速波动，影响电网的电压稳定性。此外，光伏系统的接入还可能导致微小的电网频率变化，尤其是在光伏输出强烈变动时，频率的微小波动可能会对电力设备产生影响。二是电流倒流与谐波问题。在电网故障情况下，电流可能会发生倒流，也就是从配电网流向分布式光伏发电系统。这种现象能在一定程度上减轻电网的负荷，但同时也可能导致光伏系统逆向运行，影响电网的稳定性[1-2]。

2 分布式光伏发电保护策略

2.1 过电压保护策略

2.1.1 电压抑制与调节方法

一方面，为防止过电压的产生和传播，可以采用电压抑制装置。这种装置的核心部分是闪络管，其工作原理如下：当电压超过预设的阈值时，闪络管内的气体从绝缘状态转变为导电状态，这就形成了一个电流通路。这种放电过程可以迅速释放过多的电荷，从而使电压快速稳定在一个安全的范围内。闪络管的主要优点是它的响应速度非常快，可以在短时间内有效地抑制电压的急剧增加。另一方面，还可以通过配备变压器和电容器来进行电压调节。这是一种主动的方法，通过在电路中引入变压器和电容器等元件，可以有效地调整和控制电压的大小和波动。这种方法主要是为了适应光伏发电的不稳定性，确保电网的稳定运行。总的来说，为确保分布式光伏系统的安全和稳定运行，需要针对其特点和可能出现的问题，采取相应的保护策略。过电压保护是其中的一个重要方面，通过电压抑制和调节，可以有效地解决这一问题，为光伏发电的发展创造一个稳定和安全的环境。

2.1.2 频率响应与保护控制

在电力系统中，频率响应与保护控制是关键的过电压保护策略。分布式光伏发电系统的引入可能导致电网频率的变化，因此需要采取措施来确保频率稳定。频率响应是指电力系统对频率变化的敏感程度。分布式光伏发电系统与电网相互作用可能导致电网频率的微小变化。频率响应控制的目标是使电网频率保持在合适的范围内，防止频率偏离过大，用公式表示为

式中：P控制为需要控制的光伏功率；P光伏为实际光伏功率输出；f目标为目标电网频率；f电网为实际电网频率；K为频率控制系数。

2.2 短路保护策略

2.2.1 零序电流检测与保护方案

（1）分析零序电流检测原理。零序电流是指三相电流的几何平均值，其在正常情况下为0。然而，存在故障时（如短路）会导致零序电流的产生。通过监测零序电流的存在与大小，可以及早检测到短路故障。（2）设计具体方案。一是传感器布置与安装，在系统的关键位置，如光伏发电装置输出端或电力系统入口处，安装零序电流传感器。这些传感器将监测

电流的零序成分，以寻找异常情况。二是电流信号采集，传感器采集的电流信号将被传送至一个专门的监测单元，如保护继电器或监控装置。三是零序电流计算，监测单元将从传感器接收的三相电流信号计算得到零序电流值[3]。四是阈值设定与判定，设定零序电流的阈值，当实际零序电流超过设定的阈值时，系统将判定存在潜在的短路故障。五是短路保护措施触发，一旦检测到零序电流超过设定阈值，保护继电器将触发短路保护措施，如打开断路器、切断故障回路，以隔离故障。通过本零序电流检测与保护方案，能够迅速识别电力系统中可能的短路故障，并通过及时的保护措施来限制故障的影响[2]。零序电流的计算可以表达为

式中：Ia、Ib、Ic分别表示三相电流。

2.2.2 时序保护与快速切除机制

在应对电力系统内可能出现的短路故障时，特别是分布式光伏发电系统引入后，采取一套有效的时序保护与快速切除机制是确保电力系统稳定运行的关键一环。在时序保护方案设计中，时序保护方案旨在短路故障发生时，以明确的时序对故障做出快速响应。

详细的时序保护方案设计：（1）故障检测与定位，故障检测是指通过电流传感器等设备实时监测电力系统的电流情况，以侦测潜在故障，故障定位是指通过计算电流相位差和电流幅值，定位故障的具体位置，确保精准地保护操作[4]；（2）故障判定与响应，故障判定是指基于故障检测和定位结果，系统判定是否发生了短路故障，切除指令发出是指一旦故障被确认，系统迅速发送切除指令，准备启动切除机制；（3）快速切除机制设计，快速切除机制是时序保护的核心，通过迅速切除故障电路，防止故障扩大影响[5]。

详细的快速切除机制设计：（1）切除控制器，设计一个专门的切除控制器，负责接收切除指令，并发出执行切除动作的信号[6]；（2）切除动作执行，切除控制器在接收指令后，立即执行切除动作，如关闭相关的断路器或隔离开关。整个切除动作需要在毫秒级时间内完成，以确保快速的故障隔离，防止电力系统进一步受损[7]。

3 数值仿真与实验验证

3.1 系统仿真模型建立

3.1.1 光伏发电系统模拟

为了精确模拟光伏发电系统的操作，本次采用了基于MATLAB/Simulink 的模型[8]。这个模型考虑了光伏电池、逆变器、控制器和电网连接等关键组件的细节特性，可以模拟不同天气条件和电池性能下光伏发电系统的输出，公式为

式中：Ppv为光伏发电系统的功率输出，W；G为太阳辐照度，W/m2；A为太阳能电池的有效面积，m2；η为太阳能电池的转换效率，%。

3.1.2 配电网故障模拟

配电网作为电力系统的关键部分，其稳定性和安全性对于确保用户正常用电至关重要[4]。为了深入研究分布式光伏发电与配电网的相互作用，以及可能出现的故障情景，本次研究进行了配电网的故障模拟。（1）电压异常模拟。配电网中的电压异常是最常见的故障之一，可能由多种因素引起，包括分布式发电的注入、负荷突变、线路故障等[9]。（2）过电压模拟。模拟了由于分布式光伏发电输出突增导致的过电压情况，此外负荷的突然减小也可能导致过电压。（3）欠电压模拟。在模拟中考虑了负荷的突然增加或分布式光伏发电的减少导致的欠电压情况[10]。