引言

近年來,隨著分布式光伏發(fā)電(Distributedphotovoltaicpowergeneration,以下簡稱PV）技術(shù)的迅猛發(fā)展以及國家新能源優(yōu)先調(diào)度政策的執(zhí)行,大量PV系統(tǒng)接入配電網(wǎng),使配電系統(tǒng)從放射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu),電網(wǎng)潮流和短路電流的大小、方向和分布特性均發(fā)生改變。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)慣量、調(diào)速器及勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng),不具備調(diào)壓、調(diào)頻以及調(diào)峰能力。受其發(fā)電特性影響,當線路發(fā)生故障后,光伏電源對系統(tǒng)注入的短路電流遠小于并網(wǎng)后提供的短路電流,線路保護的靈敏度下降,導(dǎo)致保護裝置誤動或拒動,相鄰線路的瞬時速斷保護失去選擇性等。因此,原有保護方案不能滿足接入PV系統(tǒng)后配電網(wǎng)繼電保護要求,必須評估PV系統(tǒng)對配電網(wǎng)繼電保護的影響,研究新的保護策略。

1分布式光伏發(fā)電與配電網(wǎng)連接

PV系統(tǒng)多分布在農(nóng)村或山區(qū),我國非城鎮(zhèn)地區(qū)配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)大多為單電源輻射狀,UN為10kV或35kV,采用三段式電流保護作為配電網(wǎng)饋電線路保護。PV系統(tǒng)作為獨立電源,分為離網(wǎng)光伏發(fā)電、并網(wǎng)光伏發(fā)電和多能微網(wǎng)發(fā)電3種形式,與配電網(wǎng)的連接如圖1所示。

2分布式光伏發(fā)電對配電網(wǎng)繼電保護的影響

2.1配電網(wǎng)潮流分布變化

PV系統(tǒng)并入配電網(wǎng)后改變了原放射狀配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu),將單電源供電網(wǎng)絡(luò)變?yōu)殡p電源或多電源供電網(wǎng)絡(luò)。圖2(a）所示的放射狀配電網(wǎng)穩(wěn)定運行時,網(wǎng)絡(luò)潮流分布沿著電源從始端A流向末端B。圖2(b）所示的接入PV系統(tǒng)后,配電網(wǎng)有兩個電源A和B,變?yōu)殡p電源結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)有功和無功的潮流分布點均發(fā)生變化,且隨PV系統(tǒng)投入容量、負荷性質(zhì)和大小、無功補償裝置投入容量等不同而出現(xiàn)位置不確定的情況。

2.2配電網(wǎng)電壓變化

正常運行時,放射狀配電網(wǎng)的電壓是沿著饋電線路潮流方向逐漸降低的。PV系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后,饋電線路上傳輸?shù)墓β蕼p少,而PV系統(tǒng)又支持無功功率的輸出,因此導(dǎo)致一些負荷節(jié)點的電壓被抬高甚至超標。

文獻建立了IEEE13節(jié)點的配電網(wǎng)仿真模型,發(fā)現(xiàn)要想有效控制因PV系統(tǒng)接入配電網(wǎng)而抬高的系統(tǒng)節(jié)點電壓,使其能在規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi),就必須確定配電網(wǎng)的接納能力,限制PV系統(tǒng)的最大準入容量。

2.3配電網(wǎng)繼電保護變化

我國放射狀配電網(wǎng)上的故障80%是瞬時性故障,通常采用三段式電流保護無需設(shè)置方向元件即可有效地保護線路全長。PV系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后,網(wǎng)絡(luò)潮流方向變復(fù)雜,功率分點不確定性增加,致使原網(wǎng)絡(luò)配置的繼電保護受到影響,具體表現(xiàn)為保護誤動作、重合閘不成功、保護范圍縮小等。文獻深入研究了PV系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的路徑位置和光伏發(fā)電裝機總量對放射狀配電網(wǎng)三段式電流保護選擇性和靈敏性的影響。

如圖3所示,在E節(jié)點接入PV系統(tǒng)。當f5處出現(xiàn)短路故障后,根據(jù)繼電保護選擇性原理切除故障的是保護裝置R5,流過R5的故障電流分別來自配電網(wǎng)電源和PV系統(tǒng),較接入PV系統(tǒng)前電流值增大,提高了保護裝置R5的靈敏性。當PV系統(tǒng)相鄰的饋電線路AB在f5處發(fā)生故障,流過保護裝置的故障電流包含配電系統(tǒng)電源和PV系統(tǒng)兩部分,提高了保護裝置R1的靈敏度。但是,在此過程中Pp系統(tǒng)向保護裝置R3和RV提供反向故障電流,因R3和RV不具備方向性,當故障電流達到整定值后就會出現(xiàn)誤動作的情況。

3基于方向元件的配電網(wǎng)繼電保護的改進

受逆變裝置的影響,配電網(wǎng)接入Pp系統(tǒng)后方向元件的判據(jù)與非接入Pp系統(tǒng)方向元件的判據(jù)不同。文獻經(jīng)過仿真研究確定,Pp系統(tǒng)采用非低電壓穿越控制時,配電網(wǎng)電源側(cè)和Pp系統(tǒng)側(cè)保護方向元件的動作判據(jù)分別為-84o≤g≤145o和-75o≤g≤144o:Pp系統(tǒng)采用低電壓穿越控制時,配電網(wǎng)電源側(cè)和Pp系統(tǒng)側(cè)保護方向元件的動作判據(jù)分別為-14o≤g≤145o和-75o≤g≤174o(g為保護安裝點電壓和正序電流之間的向量夾角）。

如圖V所示,配電網(wǎng)保護裝置R1、R2、RV動作于配電網(wǎng)絡(luò)電源提供的正向短路電流,保護裝置R3、R5動作于Pp系統(tǒng)提供的正向短路電流,二者不存在配合關(guān)系。按照文獻提出的電流保護整定原則,故障點出現(xiàn)在Pp系統(tǒng)的上游、下游或相鄰饋電線路上時,保護裝置均能夠按照設(shè)計的選擇性進行動作,切除故障部分,不會出現(xiàn)誤動作情況。

4結(jié)語

光伏發(fā)電裝機容量系統(tǒng)占比逐年加大,光伏發(fā)電受天氣影響較大、隨機性較強,給配電網(wǎng)繼電保護配置帶來了新問題。隨著科技水平的提高和理論創(chuàng)新,以及基于方向元件等保護技術(shù)的運用,光伏發(fā)電對配電網(wǎng)繼電保護的影響逐漸降低,運行可靠性不斷提高。