光伏并网对配电网继电保护的影响研究

张 帆，赵中众

（国网陕西省电力有限公司延安供电公司，陕西 延安 716000）

0 引 言

随着可再生能源在全球能源结构中所占比重的不断增加，光伏发电作为一种清洁、可持续的能源方式，其并网发电已成为当前电力系统发展的重要趋势。光伏并网发电指将光伏发电系统产生的电力直接输送到电网，以有效分配和利用能源[1-2]。这种模式优化了能源结构，减少了化石能源的消耗。然而，光伏发电系统并网运行对现有的配电网继电保护系统提出了新的挑战[3]。光伏发电的不稳定性使其在配电网不同接入点并网会对继电保护系统产生不同的影响，其中一些影响可能会降低配电网的稳定性，因此文章针对这一问题展开了研究。

1 光伏发电系统

光伏发电系统能够将太阳能转换为电能，主要包含光伏组件、逆变器、电力调节系统以及储能设备[4-5]。系统的核心是光伏组件，通常由多个太阳能电池板组成，这些电池板能够捕捉太阳光并将其转化为直流电。然后，逆变器将直流电转换成交流电，供家庭、商业或者并网发电系统使用。这种系统可以是并网型，直接与电网连接，实现多余电力的输送和电网电力的补充，也可以是离网型，独立运行，适用于远离电网的地区。本研究主要研究并网型光伏发电系统，分析其对配电网的影响。

2 光伏并网对继电保护的影响

2.1 从配电网线路末端接入

当光伏系统接入配电网下游的D母线时（见图1），负载1 将转变为采用双电源的配电网模式。

图1 配电网线路图

图2 展示了图1 的等效电路图，其中U1表示电源电压；ZS表示电源的内阻；ZAE、ZCD、ZBC及ZB分别表示线路AE、CD、BC 及AB 的阻抗；U2表示光伏发电源的电压；ZPV表示光伏发电源的内阻；ZT表示变压器的等效阻抗。

图2 等效电路图

2.1.1 点q1发生短路

假如系统在点q1发生短路，经过保护器P1 的电流的方向和大小不会受到光伏电源的影响，因为此时系统电源将会给保护器P1 提供短路电流。因此，无须调整保护器P1 的设置，其保护范围与灵敏度均保持不变。同时，光伏发电对经过保护器P2 和保护器P3 保护装置的电流产生影响，改变了电流的方向和大小，提高了保护器P2 和P3 发生误动的可能性，导致D 母线的下游线路形成孤岛状况。短路电流的具体变化为

式中：k1表示线路AB 上故障点与电源的距离；IP1、IP2和IP3分别表示经过保护器P1、P2 和P3 的电流。

2.1.2 点q3发生短路

假如系统在点q3发生短路，保护器P3 的继电器会动作引发跳闸，而跳闸事故发生后，光伏发电向故障点持续提供短路电流的状态没有改变，所以经过保护器P1、P2 和P3 的电流不会受到影响。此外，故障点电弧未熄灭，会导致重合闸失败，进而引发大范围停电。流经3 个保护器的电流计算公式为

式中：k2表示在线路CD 上故障点与电源的距离；IP1、IP2和IP3分别表示经过保护器P1、P2 和P3 的电流。

2.1.3 点q4发生短路

如果在点q4发生短路故障，光伏电源产生的电流将与q4位置短路故障的电流方向不同，使得经过保护器P1、P2、P3 的短路电流减小，影响了保护装置的正常动作，从而扩大了故障的影响范围。当系统短路电流方向和光伏产生的电流一致时，保护器P4 的短路电流会相应增加，此时由于缺乏选择性，保护器P4 的动作范围被不当扩大。短路电流的具体变化为

式中：k3表示在线路AE 上故障点与电源的距离；IP1、IP2、IP3及IP4分别表示经过保护器P1、P2、P3及P4 的电流；U3和Zsd表示简化公式所定义的辅助变量。

U3和Zsd的具体计算公式为

2.2 从配电网线路中间接入

当光伏系统连接至配电网母线B 处时，负载2的供电结构保持为单一电源的辐射式供电模式。

2.2.1 点q1发生短路

如果在点q1发生短路故障，且当短路电流超过设定阈值时，会触发保护器P1，隔离故障线路。此时，光伏系统继续向网络供电，导致光伏接入点下游形成孤岛。而故障点q1因为持续接收光伏供应的短路电流，所以电弧无法熄灭，进而导致重合闸尝试未能成功。母线B 与q1故障点的直接连接可能引发更广泛的停电。

2.2.2 点q2发生短路

当q2点出现短路故障时，光伏系统和系统电源将共同提供故障电流。这使得保护器P2 电流增大，导致其保护范围扩展到CD 段线路。因故障响应，保护器P2 和P3 可能触发跳闸。对于不对称故障，保护器P3可能会因故障电流而动作；对于对称短路故障，保护器P3 可能无法检测到故障电流，导致保护选择性丧失。短路电流的具体变化为

式中：k4表示在线路BC 上故障点与电源的距离；IP1和IP2分别表示经过保护器P1 和P2 的电流；U4和表示简化公式所定义的辅助变量。

U4和的具体计算公式为

从式（8）和式（9）可以观察到，流经保护器P1 和P2 的故障电流的变化由ZAB、ZBC、ZPV、ZT以及ZS所决定。当故障点q2离光伏发电系统较近时，ZBC是一个较小的值，可以忽略光伏发电系统的影响。但是，光伏系统若离故障点远，母线B 至q2故障点的等效阻抗ZBC将会增大。若光伏发电距离故障点的位置处于2 种情况之间时，流过保护器P1 和P2 的故障电流值在这2 种情况下的电流幅值之间。

根据分析，可以得出当光伏发电系统接入电网后会显著影响故障电流，并导致保护器P1 装置的响应灵敏度显著降低，提高了保护器P1 故障时误动或拒动的可能性。同时，受光伏系统助增效应的影响，经过保护器P2 保护的短路电流将持续上升，进而扩大了保护器P2 的保护范围。此外，光伏系统的并网会导致保护器P2 无法与保护器P3 进行有效协作，从而减弱保护器P2 的选择性与精确度。配电网络的复杂性和分布式电源的增多使得继电保护设置的计算变得更加复杂。

2.3 从配电网线路始端接入

当光伏电源连接至10 kV配电网上游的母线A时，电力系统的整体输出功率会得到提高。尽管这可能导致经过保护设备的故障电流有所增长，但是光伏电源的输出相对较低，通常仅达数十兆瓦级别，因此当在点q1、q2、q3位置发生短路故障时，对保护设备的实际影响极小，可以忽略。

3 影响分析

3.1 对保护设备自身造成影响

在下游线路故障时，光伏电源产生的供电电流方向与系统的短路电流不同，导致下游保护装置所检测到的故障电流降低，影响了保护设备的敏感性，使其难以准确判断故障。光伏电源并网对经过线路保护的故障电流造成了影响，使其降低到预设电流值以下，影响保护装置的灵敏度与准确度。特别是当保护装置处于上游故障点和下游光伏电源之间时，判定电流来源和方向变得困难。如果短路电流超出内部设定阈值，保护装置在无法确认故障源的情况下可能误动，影响其选择性。

3.2 对保护范围造成影响

光伏电源并入后，短路电流随接入点不同而变化。这导致线路末端短路电流上升，虽然扩展了保护范围，但是减少了选择性。系统上游保护装置的保护范围和灵敏度也会因短路电流减少而降低，从而干扰了系统保护的整体协调，难以达成有效的保护配合。

4 改进措施

4.1 优化保护系统响应策略

为提高保护设备的敏感性和准确性，可考虑引入先进的智能保护装置，结合光伏电源并网后的电流方向特性进行调整和优化。通过实时监测光伏电源的电流方向，并在故障检测中考虑其影响，可以更精确地判断故障位置和类型，增强保护系统响应故障的能力。

4.2 精准调控保护范围

一方面，对于线路末端保护区域的扩大，可以考虑引入智能保护装置，通过实时监测光伏电源接入位置的变化，灵活调整保护区域的范围。通过动态适应接入位置的变化，保护系统能够更精准地确定故障位置，避免保护区域的不必要扩大，提升系统的选择性和准确性。另一方面，针对上游保护范围受短路电流变小的问题，可采用先进的保护算法和整定技术解决。综合考虑光伏电源的影响，优化保护装置的灵敏度和整定参数，可以使保护系统适应短路电流的变化。

5 结 论

光伏电源在能源领域的应用正稳步增长，同时光伏电源的并网技术得到了快速进展。然而，这一发展过程向配电网的继电保护系统引入了一系列挑战。为有效应对挑战，文章分析了光伏并网对配电网继电保护系统的影响，并就其产生的不利影响提出了相应的改进措施，从而提升了配电网的继电保护性能和可靠性。