分布式光伏发电并网对配电网继电保护的影响研究

引言

近年来,随着分布式光伏发电(Distributedphotovoltaicpowergeneration,以下简称PV）技术的迅猛发展以及国家新能源优先调度政策的执行,大量PV系统接入配电网,使配电系统从放射状结构变为多电源结构,电网潮流和短路电流的大小、方向和分布特性均发生改变。

光伏并网发电系统没有旋转惯量、调速器及励磁调节系统,不具备调压、调频以及调峰能力。受其发电特性影响,当线路发生故障后,光伏电源对系统注入的短路电流远小于并网后提供的短路电流,线路保护的灵敏度下降,导致保护装置误动或拒动,相邻线路的瞬时速断保护失去选择性等。因此,原有保护方案不能满足接入PV系统后配电网继电保护要求,必须评估PV系统对配电网继电保护的影响,研究新的保护策略。

1分布式光伏发电与配电网连接

PV系统多分布在农村或山区,我国非城镇地区配电网拓扑结构大多为单电源辐射状,UN为10kV或35kV,采用三段式电流保护作为配电网馈电线路保护。PV系统作为独立电源,分为离网光伏发电、并网光伏发电和多能微网发电3种形式,与配电网的连接如图1所示。

2分布式光伏发电对配电网继电保护的影响

2.1配电网潮流分布变化

PV系统并入配电网后改变了原放射状配电网的拓扑结构,将单电源供电网络变为双电源或多电源供电网络。图2(a）所示的放射状配电网稳定运行时,网络潮流分布沿着电源从始端A流向末端B。图2(b）所示的接入PV系统后,配电网有两个电源A和B,变为双电源结构,网络有功和无功的潮流分布点均发生变化,且随PV系统投入容量、负荷性质和大小、无功补偿装置投入容量等不同而出现位置不确定的情况。

2.2配电网电压变化

正常运行时,放射状配电网的电压是沿着馈电线路潮流方向逐渐降低的。PV系统接入配电网后,馈电线路上传输的功率减少,而PV系统又支持无功功率的输出,因此导致一些负荷节点的电压被抬高甚至超标。

文献建立了IEEE13节点的配电网仿真模型,发现要想有效控制因PV系统接入配电网而抬高的系统节点电压,使其能在规程规定的范围内,就必须确定配电网的接纳能力,限制PV系统的最大准入容量。

2.3配电网继电保护变化

我国放射状配电网上的故障80%是瞬时性故障,通常采用三段式电流保护无需设置方向元件即可有效地保护线路全长。PV系统接入配电网后,网络潮流方向变复杂,功率分点不确定性增加,致使原网络配置的继电保护受到影响,具体表现为保护误动作、重合闸不成功、保护范围缩小等。文献深入研究了PV系统接入配电网的路径位置和光伏发电装机总量对放射状配电网三段式电流保护选择性和灵敏性的影响。

如图3所示,在E节点接入PV系统。当f5处出现短路故障后,根据继电保护选择性原理切除故障的是保护装置R5,流过R5的故障电流分别来自配电网电源和PV系统,较接入PV系统前电流值增大,提高了保护装置R5的灵敏性。当PV系统相邻的馈电线路AB在f5处发生故障,流过保护装置的故障电流包含配电系统电源和PV系统两部分,提高了保护装置R1的灵敏度。但是,在此过程中Pp系统向保护装置R3和RV提供反向故障电流,因R3和RV不具备方向性,当故障电流达到整定值后就会出现误动作的情况。

3基于方向元件的配电网继电保护的改进

受逆变装置的影响,配电网接入Pp系统后方向元件的判据与非接入Pp系统方向元件的判据不同。文献经过仿真研究确定,Pp系统采用非低电压穿越控制时,配电网电源侧和Pp系统侧保护方向元件的动作判据分别为-84o≤g≤145o和-75o≤g≤144o:Pp系统采用低电压穿越控制时,配电网电源侧和Pp系统侧保护方向元件的动作判据分别为-14o≤g≤145o和-75o≤g≤174o(g为保护安装点电压和正序电流之间的向量夹角）。

如图V所示,配电网保护装置R1、R2、RV动作于配电网络电源提供的正向短路电流,保护装置R3、R5动作于Pp系统提供的正向短路电流,二者不存在配合关系。按照文献提出的电流保护整定原则,故障点出现在Pp系统的上游、下游或相邻馈电线路上时,保护装置均能够按照设计的选择性进行动作,切除故障部分,不会出现误动作情况。

4结语

光伏发电装机容量系统占比逐年加大,光伏发电受天气影响较大、随机性较强,给配电网继电保护配置带来了新问题。随着科技水平的提高和理论创新,以及基于方向元件等保护技术的运用,光伏发电对配电网继电保护的影响逐渐降低,运行可靠性不断提高。