光伏发电并网对电流保护的影响分析

　　摘 要： 光伏系统的研究以光伏发电系统本身以及对外部电网的影响为主。本文分析并建立了光伏并网发电系统的暂态模型， 通过PSASP(电力系统分析综合程序)仿真详细分析了不同位置和容量光伏发电系统并网对配电网继电保护和自动重合闸的影响，提出了相应的解决方案。

　　关键词： 光伏发电; 配电网; 线路保护; 短路电流计算; 重合闸;

　　推荐阅读：《云南水力发电》(双月刊)创刊于1985年，由云南水力发电工程学会主办。本刊宗旨是宣传党和国家的能源，水电建设方针政策，论述云南水电资源的开发在国家能源开发和国民经济发展中的重要作用。

　　一、光伏发电系统模型

　　基于换流器并网的三相光伏发电系统由光伏阵列、逆变器及交流电路组成。其中， 交流电路由滤波器和变压器组成。

　　二、含光伏发电系统的电网短路故障仿真分析

　　(一)仿真系统图

　　本文算例为光伏并网系统并入某市实际配电网络，在PSASP 中建立仿真网络，如图1所示。光伏并网系统出口电压为400V，通过升压变压器在10kV 配网并入主电网。图中： B1、B2和B3为线路保护装置。

　　图1 含光伏发电系统的仿真系统图

　　(二)不同位置和不同容量光伏发电系统接入短路计算

　　根据传统配电网继电保护配置情况，在快速切除光伏系统的前提下，配电网出现短路故障时，光伏系统只对电流速断保护产生影响。光伏并网对保护产生的影响，主要取决于光伏系统的接入位置和容量。

　　(1)不同位置接入光伏发电系统短路计算

　　按光伏系统与保护的相对位置可分为光伏系统在保护的上游和下游，所谓的上游是指光伏系统对保护的相对电势的方向与根节点相同，下游即方向与根节点相反。未引入光伏系统时，若分别假设节点1、3、4和6发生三相短路故障，流过节点和保护的短路电流如表1所示。

　　在配电网中，节点3和4分别接入额定容量为3MW 的光伏系统， 如图1所示。分别假设节点1、3、4和6发生三相短路故障，流过节点和保护的短路电流如表2所示。

　　(2)接入不同容量光伏发电系统短路计算

　　当光伏系统接入位置为保护上游，且短路点在保护下游时，由于光伏系统对短路点增流， 使得短路点短路电流增大。在节点4分别接入额定容量为1.5MW、3MW 和5MW的光伏系统，若节点6发生三相短路，进行短路计算得出的结果如表3所示。

　　三、光伏并网系统对继电保护的影响

　　(一)光伏并网系统对电流保护的影响

　　(1)光伏系统位置对电流保护影响

　　图1中，当节点4接入光伏系统时，光伏系统在保护B3 的上游，若此时节点3发生三相短路，短路节点3短路电流的增加非常明显，通过保护B3 的电流几乎为0，对保护B3 无影响;若节点6发生三相短路，短路点短路电流增幅明显，流过保护B3 的短路电流可保证其可靠动作，增加了保护的灵敏度。节点3和4接入光伏系统的情况相似。可见当光伏系统在保护的上游，故障点在保护下游时，由于光伏系统对短路电流的助增作用，会增大电流速断保护的灵敏度，但如果线路5-6为非终端线路，则相邻下一级线路故障有可能使保护B3 失去选择性，因此必须校核其速断保护整定值。而且由表3和4可知，光伏系统距离故障点越近， 短路电流增加越明显。

　　节点4分别接入光伏系统时，对于保护B1 和B2，光伏系统在保护的下游，若此时节点1发生三相短路，即在保护上游发生故障，由表3可知，光伏系统接入对短路点的短路电流增益很明显， 并且随着光伏系统距故障点的接近而增大。当故障点在保护上游时，节点3接入时，流过保护B2 的电流接近其整定值，如果光伏系统接入位置距离故障点足够近或光伏系统容量达到一定值时，很可能引起误动;故障点在保护和光伏系统的中间时，短路点的短路电流增幅明显，流过保护的电流主要由根节点提供，与不接光伏系统时相差不大;而故障点在光伏系统的下游时，流过保护B1、B2的短路电流反而比未接光伏系统时小，此时会降低保护的灵敏度。

　　(2)光伏系统容量对电流保护的影响

　　光伏系统产生逆向短路电流即光伏系统在保护的下游， 而短路点在保护的上游， 光伏系统会对故障点和光伏系统之间的保护产生影响， 当光伏系统容量足够大时会向短路点提供很大的短路电流而使保护误动作跳闸。

　　(二)光伏并网系统对重合闸的影响

　　光伏系统接入配电网后， 一旦保护因故障动作跳闸， 在光伏系统未从线路解列的情况下， 形成由光伏系统供电的电力孤岛。这些电力孤岛虽然能够保持功率和电压在额定值附近运行， 但是将对自动重合闸产生以下两种潜在的威胁。

　　(1)非同期合闸

　　配电网形成电力孤岛后， 在线路断路器断开至重合闸动作这段时间内， 光伏系统与系统电源的电势角会摆开， 当电势角达到一定值时， 导致非同期重合闸， 进而在光伏系统和系统电源之间形成很大的冲击电流或电压。在冲击电流的作用下， 保护设备很可能误动， 使自动重合闸失去迅速恢复瞬时故障的能力。同时， 冲击电流也很可能对主电网和未解列的光伏并网系统中的逆变器等设备产生致命的冲击。

　　(2)故障点电弧重燃

　　当配电网失去系统电源后， 未解列的光伏系统会继续对故障点供电， 进行重合闸时， 光伏系统提供的故障电流阻碍了故障点电弧的熄灭， 引起故障点持续电弧， 可能导致原本的瞬时故障变为永久性故障。

　　四、结论

　　光伏并网发电已成为太阳能利用的主要形式，光伏并网系统的大规模运行， 对配电网的结构和短路电流分布产生深刻影响， 由此给传统配电网继电保护带来一些影响。本文结合某市实际配电网线路和保护配置， 在建立光伏发电系统模型的基础上， 利用PSASP 对不同位置、不同容量的光伏系统并网发生三相短路故障进行了仿真分析，得出了光伏发电系统并网对继电保护和重合闸的影响， 并提出相应建议。有助于提高配电系统的安全可靠运行以及并网光伏发电的普及。