引言

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

光伏并網發(fā)電系統(tǒng)沒有旋轉慣量、調速器及勵磁調節(jié)系統(tǒng),不具備調壓、調頻以及調峰能力。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后提供的短路電流,線路保護的靈敏度下降,導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)后配電網繼電保護要求,必須評估PV系統(tǒng)對配電網繼電保護的影響,研究新的保護策略。

1分布式光伏發(fā)電與配電網連接

PV系統(tǒng)多分布在農村或山區(qū),我國非城鎮(zhèn)地區(qū)配電網拓撲結構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饋電線路保護。PV系統(tǒng)作為獨立電源,分為離網光伏發(fā)電、并網光伏發(fā)電和多能微網發(fā)電3種形式,與配電網的連接如圖1所示。

2分布式光伏發(fā)電對配電網繼電保護的影響

2.1配電網潮流分布變化

PV系統(tǒng)并入配電網后改變了原放射狀配電網的拓撲結構,將單電源供電網絡變?yōu)殡p電源或多電源供電網絡。圖2(a）所示的放射狀配電網穩(wěn)定運行時,網絡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,配電網有兩個電源A和B,變?yōu)殡p電源結構,網絡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配電網電壓變化

正常運行時,放射狀配電網的電壓是沿著饋電線路潮流方向逐漸降低的。PV系統(tǒng)接入配電網后,饋電線路上傳輸的功率減少,而PV系統(tǒng)又支持無功功率的輸出,因此導致一些負荷節(jié)點的電壓被抬高甚至超標。

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

2.3配電網繼電保護變化

我國放射狀配電網上的故障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)接入配電網后,網絡潮流方向變復雜,功率分點不確定性增加,致使原網絡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)接入配電網的路徑位置和光伏發(fā)電裝機總量對放射狀配電網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繼電保護的改進

受逆變裝置的影響,配電網接入Pp系統(tǒng)后方向元件的判據與非接入Pp系統(tǒng)方向元件的判據不同。文獻經過仿真研究確定,Pp系統(tǒng)采用非低電壓穿越控制時,配電網電源側和Pp系統(tǒng)側保護方向元件的動作判據分別為-84o≤g≤145o和-75o≤g≤144o:Pp系統(tǒng)采用低電壓穿越控制時,配電網電源側和Pp系統(tǒng)側保護方向元件的動作判據分別為-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,配電網保護裝置R1、R2、RV動作于配電網絡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的運用,光伏發(fā)電對配電網繼電保護的影響逐漸降低,運行可靠性不斷提高。