大规模光伏发电对新疆电网继电保护影响的研究

贠 剑 常喜强 魏 伟 牛嘉鑫 王 琛

（1. 国网新疆电力科学研究院，乌鲁木齐 830011；2. 国网新疆电力公司电力调度控制中心，乌鲁木齐 830002）

新疆太阳能资源丰富，其水平表面太阳辐射度年总量为 5×105～6.5×105J/（cm2·a），年平均为5.8×105J/（cm2·a），年总辐射量比同纬度地区高10%～15%，比长江中下游15%～25%，仅次于青藏高原，位居全国第二位。由于新疆其独特的地理优势，再加上近几年来政府对新能源发电尤其是光伏发电的政策经济扶持，截止2013年底，新疆电网光伏发电装机容量达 277.1万千峰瓦，占全网总装机容量6.8%。

随着光伏发电站在电力系统中装机容量所占的比例越来越大，光伏电站对电力系统规划、仿真、调度、控制的影响也引起了广泛的关注。随着光伏电站的大规模接入，很有可能会改变故障电流的方向、大小和时间等，会导致继电保护的误动或拒动，其对电网的影响无论从深度还是广度而言都将是深远而巨大的。因此，非常有必要深入研究光伏接入对电网继电保护产生的影响。本项目通过中国电力科学研究院“PSD电力系统软件工具”对光伏接入进行了详细的计算及仿真，着重分析研究光伏接入对继电保护的影响。为后续光伏接入选择合理的继电保护配置及运行方式，对保证电网安全、稳定、可靠运行具有非常积极的意义。

1 仿真研究工具

本文主要采用的仿真软件为中国电力科学研究院“PSD电力系统软件工具（PSD Power Tools）”的PSD-BPA程序和PSCAD电磁暂态分析软件，主要有：

1）PSD-BPA潮流计算程序（4.1版）。

2）PSD-BPA暂态稳定程序（4.0版）。

3）PSD-CurveMaker稳定曲线绘制程序。

4）PSCAD电磁暂态分析软件（4.2版）。

研究遵循如下导则、规程等：

1）GB/T 14285—2006继电保护和安全自动装置技术规程。

2）DL/T 559—2007 220～750kV电网继电保护装置运行整定规程。

3）DL/T 584—2007 3～110kV电网继电保护装置运行整定规程。

4）国家电网公司十八项电网重大反事故措施。

2 光伏电站的模型介绍

2.1 光伏电池组件的基本模型

控制器、光伏电池板和逆变器是构成光伏电站最为主要的部分。光伏电站并网后，将光能转化为电能储存在光伏电池中，光伏电池发出直流电能，通过逆变器转化为与电网相同频率的交流电能。光伏电站可以为电网提供有功和无功，同时也可以从电网吸收有功或无功，通常将光伏电站等效为电流源或电压源的型式接入电网。传统的离网型光伏电站需要蓄电池来储存光能转换的电能，而并网型光伏电站不需要蓄电池，直接降低了光伏电站运行成本，同时还提高了电网的运行和供电可靠性。基于光伏电池精确等效电路模型，这里用式（1）表示光伏电池输出电流I。

式中，K代表玻尔兹曼常数，且K=1.38×10-23J/K；A是二极管的理想因子，通常在1～2之间变化；T是绝对温度，单位K；λ是光照强度，单位kW/m2；q是电子电荷，且q=1.6×10-19C；ISC表示光照强度为1kW/m2，环境温度为298K的标准测试条件下所产生的光生电流，且有Iλ=ISC。

在大部分工程中，光伏电池供应厂商通常仅提供Um、Im、UOC、ISC等重要技术参数。

1）在通常情况下，由于（U+IRS）/Rp值远小于光生电流，所以可忽略该项。

2）在通常情况下，由于RS远小于二极管正向导通电阻，所以可设定短路电流等于光生电流。

根据以上两点，并基于光伏电池供应厂商所提供的技术参数，通过近似后，可以建立光伏电池实用近似工程模型。

在标准测试条件下（光照强度为1kW/m2，环境温度为 298K），一般用式（2）～式（4）表示光伏电池输出电压与电流的关系。

通过抽样测试证实，式（2）的精确度在6%以内，能够满足一般工程对光伏电池模型精度的需求。同时，开路状态下有I=0，U=UOC；最大功率点时有I=Im，U=Um。将以上等式带入式（2）可得C1、C2的等式，分别为

可见，C1和C2的值在已知光伏电池供应商所提供的Um、Im、UOC、ISC这4个参数后可以求出。再将C1和C2代入式（2），得到光伏电池的输出特性曲线（标准工作条件下）。

2.2 光伏方阵模型及其串并联效率

光伏电站工程中，将光伏组件排列组合成方阵，由于输出电压电流有一定的损失，会导致输出功率产生一定的损耗。通常将光伏方阵功率损失因子称作组合因子η。n个光伏组件组成的光伏方阵的组合因子可以用以下等式表示：

式中，Pi代表n个光伏组件中第i个组件的输出功率；P代表光伏方阵实际输出功率。

光伏组件的特性不一致、串并联二极管及接线损失等原因是光伏方阵功率损失的主要来源。根据经验证明，实际工程中光伏方阵的功率无法达到100%（一般在 90%～99%之间），通常光伏电站的输出电压、输出电流以及输出功率可以直接用电压值、电流值和功率值乘以组合因子η来表示：

式（6）至式（8）中，U、I分别代表单个光伏组件的出口电压和出口电流；Np、Ns分别代表光伏电站方阵中光伏组件的串联和并联数目；Parray、Uarray、Iarray分别代表光伏方阵的输出功率、电压和电流。

2.3 DC/DC斩波电路数学模型

在大型光伏电站（兆瓦级以上）中，MPPT的理想选择是 Boost电路，因为其能使输入电流连续工作并具有电压提升功能。Boost斩波电路的输入电压与输出电压关系如下：

式中，D为开关管占空比，Uarray为斩波电路交流输入电压，Udc为斩波电路直流输出电压。

考虑到斩波电路二极管VD和晶体管VT的本身损耗，其输出电流Idc可表示为

式中，Pdcloss表示斩波电路的功率损耗；Pdc表示斩波电路的输出功率。

光伏电站并入电网发电，需保证光伏逆变器输出的交流电压与电网电压同频同相，光伏逆变器通常采用三个单相全桥SPWM逆变电路。采用此种逆变电路的好处是可以使光伏电站输出的功率达到最大（功率因数为1），同时能够实时跟踪电网的参数变化。

单相逆变器输出相电压基波有效值Uac为

式中，Udc代表逆变器输出的直流电压，m为正弦调制波与三角载波的幅值之比，称作调制系数。单相逆变器输出的相电压基波幅值Uacm为

单相逆变器的输出功率可表示为

式中，PNL表示单相逆变器输出的无载功率；Pdc表示斩波电路的输出功率；Bout是常数，表示单相逆变器输入与输出功率之间的关系，即

式中，ηR代表单相逆变器的效率；PRO代表单相逆变器的额定输出功率。

综上，逆变器的输出电流为

式（11）至式（15）是单相逆变器的数学模型。

3 新疆某电网光伏电站基本情况

新疆某电网光伏电站主要通过汇集站方式接入电网，且主要有两个光伏汇集站，即光伏汇集站 A和光伏汇集站B，光伏汇集站A有6个20MWp的光伏电站，然后通过两台容量为150MVA的升压变接入某220kV电网，如图1所示。

图1 光伏汇集站A系统图

光伏汇集站B有两个20MWp的光伏电站，通过两台容量为20MWp、电压为10.5/121kV升压变T接到某线路上，如图2所示。

图2 光伏汇集站B系统图

4 光伏电站对线路保护的影响分析

这里将以光伏汇集站A 35kV线路5，光伏汇集站B 110kV线路接入变电站A－变电站B为例来分析光伏电站对线路保护的影响。

4.1 光伏电站送出线路故障时电流与电压的特性

仿真 1.2s时刻在光伏电站 5送出线路中点 K1处发生三相短路，分别获得光伏电站侧电流i2、母线电压u2以及电力系统侧电流i1、母线电压u1，电流和电压如图3、图4所示。

图3 K1点故障时系统侧电流与光伏侧电流

由图3可以看出，光伏电源提供故障电流取决于光伏逆变器的最大电流和持续时间。发生故障后，网侧变流器将采取限流措施，进入低电压穿越后，故障电流相对于正常工作时的电流减小。

为了分析光伏电站6对K1点故障时是否有助增电流情况，特别仿真当光伏电站6投入运行时K1点故障电流波形情况，如图5所示。

对比图 3和图5可以看出，当线路 5中点K1处发生三相短路时光伏电站6对故障点的助增电流相对于系统短路电流较小，可以忽略不计。

图4 K1点故障时系统侧电压与光伏侧电压

图5 光伏电站6投入，系统侧和光伏电站侧电流

光伏电站具有弱电源接入特性。以光伏汇集站B到变电站A-变电站B的110kV线路为例，在t=2s时在线路中点发生单相接地故障，故障持续时间0.1s，得到线路两侧电流、电压值如图6、图7所示。

4.2 光伏电站对35kV线路保护的影响分析

35kV线路5主保护采用比率差动保护，仿真计算不同类型（差动保护区内区外）的故障，差动元件均可以正确判断故障属于区内故障还是区外故障。

图8为线路5 K1点发生三相短路故障时继电保护差动电流和制动电流的变化情况，图9为保护的动作轨迹。

图6 单相短路时系统侧电流与光伏侧电流

图7 单相短路时系统侧电压与光伏侧电压

图8 线路5 K1点故障时的差动电流和制动电流

图9 线路5 K1点短路故障时保护动作轨迹

当在送出线路K2点（线路5保护外）发生三相短路时差动电流与制动电流的情况如图10所示。

图10 送出线路K2点故障时差动电流与制动电流

从图中可以看出在线路外侧发生故障时保护可靠不动作。

4.3 光伏电站对110kV线路保护的影响分析

光伏汇集站B 110kV出线主保护采用比率差动保护，仿真计算不同类型（差动保护区内区外）的故障，差动元件均可以正确判断故障属于区内故障还是区外故障。

图11为t=2s时在光伏汇集站B 110kV出线中点发生三相金属性接地，故障持续时间 0.1s，继电保护差动电流和制动电流的仿真结果，图12为保护的动作轨迹。

图11 110kV出线中点故障时差动电流和制动电流

图12 110kV出现中点故障时保护的动作轨迹

选相元件是基于电流信息来判断相别的，光伏电站送出线路发生区内故障时，差动元件的动作特性将会受到光伏电站故障电流变化特征的影响，这里将不同类型的故障仿真结果记录在表1、表2中。

表1 对称分量选相元件动作结果

表2 相电流差突变量选相元件动作结果

通过以上图表可以发现，当送出线路发生接地故障时，电网侧的故障电流要远远大于非故障相的相电流，然而光伏电站侧的故障电流主要为零序电流，从而使三相电流的幅值比较相近，同时由于电网侧与光伏电站侧的电压均为相电压跌落，光伏电站的这种弱特性会使故障选相元件产生误判。通过线路差动保护动作结果可以看出，光伏电站对线路纵差保护没有影响，纵差保护元件能够可靠动作。

5 光伏电站对变压器保护的影响分析

以光伏汇集站A 2号主变为例，假设最恶劣的故障情况。即当光伏汇集站A 2号主变在t=1.2s时刻低压侧 K2点发生三相金属性短路故障，故障持续时间为0.1s，得到此时变压器两侧的三相电流（一次值）如图13所示。

这里仅分析A相电流差动，其动作量与制动量如图14所示，相电流差动的动作量与制动量不会出现过大的波动；差动保护动作特性如图15所示；三相差动动作量中二次谐波所占的比例如图16所示。

从图16可以看出，在故障初始阶段，差动保护二次谐波制动元件将会闭锁差动保护约5～10ms一段很短的时间，因为这时电流中二次谐波含量较大。随后，二次谐波制动特性将随着故障电流的衰减而逐渐削弱，比率差动的动作结果也将落于保护动作区内，从而保证差动保护正确动作，通常一个周期后相量值差动保护就能够可靠动作。

图13 系统侧电流与光伏电站侧电流

图14 差动保护动作量与制动量

图15 相量值差动保护动作结果

图16 差动电流2次谐波所占比率

当变压器保护区外故障时，A相电流差动保护动作特性如图17所示，可见此时保护可靠不动作。

图17 区外故障时差动保护动作轨迹

6 结论

从本文仿真分析中可以看出，光伏电站对线路纵差保护没有影响，纵差元件能够可靠动作。由于光伏电站弱电源特性使线路保护的故障选相元件产生误判，在保护配置中应注意。对于光伏电站变压器内部故障而言，在故障初期，差动保护二次谐波制动元件会闭锁差动保护约5～10ms一段很短的时间，因为这时电流中二次谐波含量较大。随后，二次谐波制动特性将随着故障电流的衰减而逐渐削弱，比率差动的动作结果也将落于保护动作区内，从而保证差动保护正确动作，通常一个周期后相量值差动保护就能够可靠动作。

本文针对大规模光伏电站接入，以新疆某电网为研究基础，通过中国电力科学研究院“PSD电力系统软件工具”对光伏接入进行了详细的计算及仿真，着重分析研究光伏接入对继电保护的影响。本文研究内容可以为后续光伏接入选择合理的继电保护配置及运行方式，对保证电网安全、稳定、可靠运行具有非常积极的意义。

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