并网光伏发电系统对配电网继电保护的影响研究论文_赵天乐1,徐爱群2

（1.南京理工大学江苏南京 210094；2.国网山东省淄博供电公司山东淄博 255000）

摘要：近几年来，光伏电站接入配电网的比例越来越大，但光伏电站的接入改变了配电网的故障特性，对原有配电网的继电保护配置产生了影响。由于在所有短路故障中三相短路故障对配电网的影响最大，因此首先理论分析了不同故障点发生短路时，随着光伏电站接入容量的不同，对配电网继电保护产生的影响，然后在Matlab/Simulink中搭建模型，进行仿真验证，最后对所得到的研究结果进行分析。

关键词：光伏发电系统；配电网；继电保护

随着当今世界石油、煤炭等传统化石能源的逐渐枯竭和高速经济发展给生态环境带来的危害，各个国家都在积极完成由传统能源向新能源的过渡。由于我国电力系统的发展相对滞后，以前过度依赖燃煤发电，急需寻找能适应我国电力发展的可再生新能源。太阳能的成功发展，是各国可以在不阻碍经济发展的前提下，对气候变化采取行动的一个典范。光伏发电系统将太阳能直接转换为电能，不受地域的限制，即使在偏远的山区也可以正常供电，出力较稳定，能够保证供电可靠性，且能在并网技术的支持下合理实现并网运行。但光伏系统并网后会影响配电网潮流分布，尤其在发生故障后，由于光伏并网容量及故障位置的不同会对配电网原有继电保护带来不同程度的影响。

1光伏电站短路计算模型

并网光伏发电系统通常由光伏电池阵列，直流变换器和逆变器组成。其中逆变器是实现整个光伏发电系统并网的关键，将直流升压电路得到的电压通过逆变器得到三相交流电压后，再经过SPWM得到三相交流正弦波从而并入电网。

光伏电站的故障特性和短路计算模型主要取决于逆变器的控制策略。稳态下，光伏逆变器的常规控制采用的是基于电网电压定向的矢量控制，由直流电压外环和有功电流内环两部分构成，其中有功电流的输出直接取自外环结果，无功电流的输出为零。而当发生较严重故障如三相短路故障时，并网点电压将会发生较大程度的跌落，并且输出较大的短路电流，由于受电流内环限幅限制，直流电压外环将失去作用，双环控制变成了纯电流控制。此时光伏系统的输出电流将变为光伏逆变器的限幅值，因此文章在理论分析三相短路故障时，均是将光伏电源等效为一个受控电流源。

2光伏电站接入对配电网继电保护的影响

发生短路故障时，传统配电网只有输电网向短路点提供短路电流，但实现光伏电站并网后，在发生短路故障时，光伏电站也会向短路点提供一定大小的短路电流，这个电流的大小、方向都会对传统配电网的继电保护配置产生影响，导致继电保护装置的误动作。文章选取图1所示典型配电网模型作为研究对象，推导出不同故障点发生故障时，流过各保护装置的短路电流计算公式，得出光伏系统容量与短路电流的关系，并分析其对配电网继电保护的影响。

图1含光伏系统的配电网示意图

Fig 1 Distribution network with photovoltaic system diagram

图1所示含光伏系统的配电网等值模型的等效电路图如图2所示，并将文章所研究发生短路的位置标注于图中。设系统等效电源相电压为，等效系统阻抗为，光伏电源额定相电压为，等效电流源为，通常光伏电源出口侧装有低电压保护装置，当电压低于一定值时，保护装置动作自动与电网切除，所以光伏电源输出的短路电流一般不会超过额定值的两倍，因此当系统发生三相短路故障时，设光伏电站提供的短路电流为，为了方便分析，假设系统电源额定相电压与光伏电源额定相电压相等，即，忽略线路电阻，线路AB、BC、CD、AE的阻抗分别为，当配电网不同位置发生三相短路故障时，对流经各保护的短路电流进行推导，并分析对继电保护产生的影响。

图2含光伏系统的配电网等值模型

Fig 2 Equivalent Model of Distribution Network with Photovoltaic system

（1）系统电源侧发生故障

在电源进线侧点发生短路故障时，系统侧保护动作跳闸从而切除故障，跳闸后如果光伏系统没有和电网断开连接，则重合闸动作合闸时将有可能造成非同期合闸。因此光伏系统应快速从电网分离，配电系统的短路电流不受光伏系统并网的影响，原有配电网继电保护装置也不受影响。

（2）光伏电源所在馈线上游发生故障

当光伏电源所在馈线上游发生故障时，流过保护1的短路电流为：

是一个只与系统和线路参数有关的量，而与光伏电源容量无关，因此流过保护1的短路电流不受光伏系统并网的影响，保护1也不受光伏电源的影响。流过保护2的电流为：

因此流过保护2的电流为光伏电站提供的短路电流。

（3）光伏电源所在馈线下游发生故障

当光伏电源所在馈线下游发生故障时，流过保护1、保护2和保护3的短路电流为：

由上式可以看出，、、均是以为单一变量的函数，且和随着的增大会减小，因此当增大到某一定值时，流过保护2的短路电流会小于其Ⅲ段电流保护整定值，此时保护2无法作为下级线路的远后备保护，导致继电保护装置拒动。而随着的增大，流过保护3的短路电流会增加，当增大到某一定值时，保护3的短路电流会大于Ⅰ段电流保护的整定值，此时保护3的保护范围会延伸到下级线路，导致继电保护误动作。

（4）光伏电源相邻馈线发生故障

流过保护1、保护2和保护4的短路电流为：

由上式可以看出，、、均是以为单一变量的函数，且、和均随着的增大而增大，其中流过保护1和保护2的反向故障电流会增大，因此当增大到一定值时，流过保护1和保护2的短路电流会大于其各Ⅰ段保护的整定值，导致继电保护装置误动作。而对于来说，随着的增大，流过保护4的短路电流也会增大，但需要注意的是，系统阻抗远小于输电线路阻抗，因此可以认为保护4的短路电流基本不受并网光伏电源容量的影响。

3仿真分析

根据图2所示含光伏电站的配电网等值模型，在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型。系统侧电压选取配电网的额定电压为10.5kV，系统最大运行方式下的系统阻抗为，光伏电站通过升压变压器接入10kV配电网，每条馈线上所带负荷均为4MVA。其中AB、BC均为3km的架空线路，CD为3km的电缆线路，AE为5km的架空线路。