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摘 要： 摘要： 光伏電站的弱電源特性會對送出線路現有繼電保護的動作性能產生嚴重影響。 研究了光伏發電系統的故障電流特征，分析了弱電源特性對送出線路電流差動保護和距離保護動作性能的影響，基于此指出現有保護配置存在的問題。 利用 PSCAD 上搭建的光伏發電系統電磁暫態
摘要： 光伏電站的弱電源特性會對送出線路現有繼電保護的動作性能產生嚴重影響。 研究了光伏發電系統的故障電流特征，分析了弱電源特性對送出線路電流差動保護和距離保護動作性能的影響，基于此指出現有保護配置存在的問題。 利用 PSCAD 上搭建的光伏發電系統電磁暫態模型對理論分析進行仿真驗證。 理論分析和仿真驗證結果都表明，光伏電站弱電源特性會造成送出線路的光伏側電流保護不能啟動、差動電流保護靈敏度下降以及距離保護誤動和拒動。 最后給出了光伏電站送出線路保護配置的建議。
關鍵詞： 光伏電站; 故障特征; 送出線路; 弱電源特性; 繼電保護; 故障分析; 差動保護; 距離保護
0 引言
由于太陽能資源地理分布的差異性[1]，大規模光伏發電集中式接入電力系統是我國光伏并網的重要形式[2-3]。 這種并網形式是通過專用的送出線路將大中型光伏電站接入電網中。 人們對光伏系統的故障電流特性已有一定的認識[4-6]，但仍未見針對光伏電站送出線路故障特性的研究，針對風能、太陽能等新能源接入電網引起的電網特性問題的分析還有待進一步完善[7-12]。 由于光伏電站的故障電流受到光伏逆變器低電壓穿越(LVRT)控制的限制[13]，且單個光伏電站的容量占所接入系統容量的比例很低，光伏側的故障電流受限是該線路不同于常規線路的最大特性，該特性會對送出線路現有繼電保護的動作特性產生嚴重影響。
光伏電站送出線路配備快速動作的主保護和線路兩側的后備保護。 根據現行規定，一般情況下，專線電網接入公用電網的光伏電站宜配置光纖電流差動保護作為主保護[14]，10 kV 和 35 kV 送出線路配置階段式電流保護作為后備保護，而 110 kV 送出線路的后備保護一般為距離保護和零序電流保護[15]。
目前尚未見到關于光伏電站送出線路繼電保護的分析與研究。 因此，本文分析送出線路繼電保護的動作性能，考察現有保護配置是否存在問題，并利用光伏發電系統電磁暫態模型進行仿真驗證，提出保護配置的建議，具有一定的實際意義。
1 光伏送出系統故障特征分析
電網故障期間，為保證光伏逆變器具備 LVRT 能力，控制環節必須對電流進行限幅，以保護電力電子開關器件不過流。 限制故障時電流的大小一般不超過逆變器額定負載電流的 1.1 倍[16]，即故障期間電流不會顯著增大，這會對依靠電流大小門檻值來識別故障的保護造成嚴重的影響。 當送出線路故障時，流過光伏送出側保護安裝處的故障電流與故障前的正常電流接近，故電流保護Ⅰ、Ⅱ段元件不能正常動作，電流保護Ⅲ段元件按常規方法整定也難以可靠動作，而流過系統側保護安裝處的故障電流與光伏電源特性無關，故系統側電流保護可以正常動作。因此，送出線路的光伏側電流保護在區內故障時拒動，而系統側電流保護可以正常動作。
一般情況下，光伏電站所接入系統的短路容量至少為光伏電站額定容量的 20 ~ 30 倍，故送出線路故障時系統提供的短路電流一般至少為額定負荷電流的 20~30 倍。 因此，系統與光伏電站提供的故障電流大小相差懸殊，光伏電站的弱電源特性十分顯著。圖 1 為某 110 kV 光伏電站送出線路故障示意圖，保護 1 和保護 2 分別為光伏側和系統側的距離保護，Rg 為過渡電阻，Ipv 和 Is 分別為光伏電站和系統提供的故障電流。
b. 當逆變器在故障期間僅發送有功(實際運行的光伏電站在故障期間往往無功支撐能力不足)時，一般有 θ>0°。 這是由于光伏電站的送出變壓器和各光伏發電單元的升壓變壓器都要消耗無功，而光伏電站的無功補償裝置(電容器、動態無功補償裝置等)受母線電壓下降和裝置響應速度不夠快的影響，在故障期間補償的無功功率不足，光伏電站要從外界吸收一定的無功。 光伏電站從系統吸收的無功越多，則 Ipv 的相位越超前，θ 越大。
c. 故障后 Ipv 的相位變化要經歷一個暫態過程，導致 θ 變化不定。 這是由于逆變器的控制器中鎖相環的響應有暫態過程。 鎖相環的作用是提取逆變器出口處的電壓相位作為控制器的參考信號。 故障越嚴重，鎖相環的暫態響應波動越劇烈;當故障特別嚴重時，逆變器出口電壓降得很低，鎖相環的輸入信號太小，其響應難以達到穩態，θ 在-180°~180° 范 圍內變化。 故障的嚴重程度受過渡電阻、故障點位置和故障類型的影響。
特別強調，光伏電站的上述弱電源特性主要體現在非接地故障中。 從圖 1 可以看出，光伏電站本身在不接地方式下運行，零序網絡僅包含送出變壓器和送出線路。 當送出線路發生接地故障時，光伏側的零序阻抗是變壓器的零序阻抗，與光伏電站無關，其大小遠小于正、負序阻抗，因此零序電流較大，這使得兩側電流幅值比 M 比不接地故障時小得多。
參考西北地區某 110 kV 光伏電站實際參數在 PSCAD / EMTDC 上搭建圖 1 所示光伏送出系統的模型。 該光伏電站電源接入容量為 50 MW，系統短路容量 Sk = 1 500 MV·A(取最小運行方式)，送出線路長度 L=15 km，線路阻抗 z1=0.132+j0.385 Ω/ km。 經計算，送出線路的額定負荷電流 IN= 262.4 A。
給定該光伏電站模型的逆變器 LVRT 控制策略為故障期間發送一定無功功率的方式，光伏電站出力為額定功率的 80%。 當送出線路中點 K1 處發生過渡電阻為 3 Ω 的三相短路故障時，Ipv 和 Is 的幅值分別為 245 A 和 5 204 A，得 M= 21.2，同時測得 θ 達到穩態后為 -62.5°。 而 Um、Uk、Ug 的幅值分別為 9.30 kV、 0.15 kV 和 9.21 kV，由此可見，Uk 幅值很小，Ug 是 Um 的主要分量。 A 相 Ipv 和 Is 的瞬時值如圖 2 所示。
將光伏電站模型的逆變器 LVRT 控制策略改為故障期間發送定有功電流的方式，其他條件不變，故障期間 Ipv 和 Is 的相角差 θ 變為 105°，其變化范圍比一般線路大得多。 該故障條件下 2 種控制策略下 θ 的變化如圖 3 所示。
將故障類型改為單相接地故障，其他條件不變，測得相應故障回路的兩側電流幅值比 M= 5.9。 受零序電流的影響，與非接地故障時相比，單相接地故障下的 M 要小得多。
2 光伏送出線路保護動作性能分析
2.1 電流差動保護
當光伏送出線路故障時，電流差動保護所采用的兩端故障電流分別由光伏電站和系統提供。 光伏電站送出線路配置的是分相電流差動保護，采用兩端電流的相量和作為動作量，在理論上不受電源類型、過渡電阻和運行工況的影響，可瞬時切除區內故障。
當送出線路發生區內故障時，由于光伏電站的弱電源特性，系統側故障電流幅值 Is 遠大于光伏側故障電流幅值 Ipv，Ipv 幾乎可以忽略。 送出線路的故障類似于單端電源線路故障，差動保護的靈敏度(差動電流與制動電流的比值)很低，故弱電源特性降低了電流差動保護的靈敏度。
2.2 距離保護
由于系統提供的故障電流遠大于光伏電站提供的故障電流，下面分析故障位置不同時距離保護因過渡電阻影響可能產生的問題。
a. 區內故障可能拒動。區內故障時，距離保護因沒有耐受過渡電阻能力而可能拒動。 圖 5 為送出線路中點 K1 處(見圖 1)發生區內相間故障時，光伏側距離保護拒動的示意圖。圖中，Zm 為測量阻抗，Zk 為保護安裝處點 Op 到故障點 K1 的線路阻抗，測量電流 Im =Ipv;實線圓為距離保護Ⅰ段的方向圓動作特性，虛線圓為 Zm 可能的取值組成的軌跡。 各物理量的關系滿足式(5)。
此外，由于受故障條件和光伏逆變器 LVRT 控制方式的影響，光伏側故障電流 Ipv 的相角不確定。因此，兩側故障電流的相角差 θ 也不確定。 測量阻抗 Zm 落在以點 A 為圓心、MRg 為半徑的圓軌跡上。
顯然，一般線路的距離保護雖然也受到過渡電阻的影響，但由于 M 較小，θ 也較小且固定，Zm 的偏移一般不會過大，偏移方向較固定，可通過改善距離保護元件的動作特性來提高其耐受過渡電阻能力。然而，對于光伏電站 送 出 線 路，由于兩側故障電流的幅值比 M 很大、相角差 θ 不確定，測量阻抗 Zm 受過渡電阻的影響遠比一般線路的距離保護要大。 由圖 5 可知，不論 θ 的大小和變化情況，只要 M 較大，距離保護元件就極易在區內故障時拒動。
b. 區外故障可能誤動。
下級線路區外故障時，距離保護元件因沒有耐受過渡電阻能力而可能誤動。 圖 6 為送出線路下級出口 K2 處(見圖 1)發生區外相間故障時，光伏側距離保護誤動的示意圖，圖中各物理量含義與圖 5 相同。
由圖 6 可知，當下級出口 K2 處發生正方向區外故障時，盡管過渡電阻 Rg 很小，但由于系統側與光伏側故障電流的幅值比 M 很大且相角差 θ 不確定，偏移矢量 CD 的模值很大、方向不確定，測量阻抗 Zm 落在以點 C 為圓心、MRg 為半徑的圓軌跡上。 測量阻抗 Zm 很有可能落在動作區內，導致距離保護元件誤動。
此外，系統側距離保護在 K2 處故障時也可能發生反方向故障的誤動，參考圖 6 便可作出其動作特性圖，在此不再贅述。
由圖 6 可知，距離保護元件在區外故障時的誤動發生在 θ > 0° 時;當 θ < 0°，距離保護元件可能拒動，但不會誤動。 因此，距離保護元件誤動發生在嚴重故障后的暫態過程中或逆變器在故障期間僅發送有功的條件下。
由以上分析可知，光伏電站送出線路距離保護在光伏側極易發生拒動和誤動，在系統側極易發生反方向故障的誤動。 顯然，這些誤動和拒動均是由于距離保護的測距原理未考慮對端故障電流受過渡電阻的影響而造成的，一般均假設保護安裝處電流與故障電流同相位，通過改進保護的動作區域提高耐受過渡電阻能力。 而在光伏送出線路中，系統側故障電流與光伏側故障電流間較大的幅值比 M 與不確定的相角差 θ 嚴重放大了原理性誤差的影響，導致很小的過渡電阻也會造成距離元件的不正確動作。
c. 接地距離保護元件的耐受過渡電阻能力大于相間距離保護元件。
由第 1 節的分析可知，送出線路接地故障中的零序阻抗遠小于正、負序阻抗，故零序電流成為故障電流的主要分量，縮小了兩側故障電流幅值的差距，M 比不接地故障時小得多。 因此，接地故障時，測量阻抗因過渡電阻產生的偏移較小，接地距離保護元件比相間距離保護元件可耐受更大的過渡電阻。
綜上所述，光伏電站提供的故障電流遠小于系統提供的故障電流，導致送出線路距離保護耐受過渡電阻能力差，易發生誤動與拒動。
3 仿真算例
用圖 1 所示的模型對光伏電站送出線路的保護動作性能進行仿真驗證。 光伏側和系統側距離保護 Ⅰ段均為方向圓特性，定值均為線路阻抗的85 %(5.189∠71.1° Ω)。 設定圖 1 中光伏電站模型的逆變器的 LVRT 控制策略為故障期間發送一定無功功率的方式。
送出線路電流差動保護的動作情況見表 1。 在不同的故障類型和過渡電阻下，區內故障時均可靠動作，區外故障時均可靠不動作，動作的準確性完全不受光伏故障電流特性的影響。然而，由于故障中 Is 比 Ipv 大得多，Ipv 可忽略不計，則 ID≈Is、IB≈Is。 盡管電流差動保護可正確判斷區內外故障，但由于光伏電站的弱電源特性，光伏側故障電流很小，差動電流 ID 與制動電流 IB 接近，故差動保護的靈敏度降低。表 2 和表 3 分別為送出線路中點 K1 處故障時光伏側和系統側距離保護的動作情況。 表 2、3 中， BCG 故障取 BG 回路測量阻抗，ABC 故障取 BC 回路測量阻抗;某些嚴重故障情況下測量阻抗沒有穩態值，單下劃線表示暫態過程中某一時刻對應的測量阻抗值，而其余測量阻抗均為穩態值;雙下劃線表示該動作結果不正確，后同。
由表 2 和表 3 知，當無過渡電阻時，測量阻抗準確反映了保護安裝處到故障點 K1 的線路阻抗 Zk，兩側距離保護元件均正確動作。 當過渡電阻為 0.5 Ω 時，系統側的測量阻抗幾乎未發生偏移，而光伏側測量阻抗偏移到了動作區外。 當過渡電阻為 5 Ω 時，系統側的測量阻抗在某些類型的故障下也偏移到了動作區外。 由此可見，光伏側距離保護元件在區內故障時耐受過渡電阻能力極差，很小的過渡電阻便會引起很大的測量誤差，造成保護拒動。 系統側的距離保護耐受過渡電阻能力較強，在送出線路全長阻抗只有 6.105 Ω 的情況下仍可耐受幾歐姆的過渡電阻。
由表 2 和表 3 還可以看出，光伏側距離保護的耐受過渡電阻能力在接地故障時強于相間故障時，但仍然比系統側距離保護弱。
需要指出，兩相短路接地故障的 2 個接地回路比相間回路耐受過渡電阻能力強，原因是接地故障回路中主要分量為零序電流，兩側測量電流幅值比 M 較小。 以表 2 中過渡電阻為 0.5 Ω 的 BCG 故障為例， BG 和 CG 回路的保護可以動作，但 BC 回路的測量阻抗為 11.546∠-22.4° Ω，BC 回路的保護顯然拒動。
將光伏電站模型的逆變器 LVRT 策略改為故障期間發送定有功電流的方式，表 4 和表 5 分別為送出線路的下級出口 K2 處故障時光伏側和系統側距離保護的動作情況。
表 4 中，該故障對于光伏側距離保護而言是正方向區外故障，但當過渡電阻為 0.3 Ω 時，相間短路和三相短路故障的測量阻抗落在了動作區內，即發生了穩態超越。 因此，光伏側距離元件在正方向區外故障時耐受過渡電阻能力極差，極易發生穩態超越，引起誤動。 表 5 中，該故障對于系統側距離保護而言是反方向區外故障，但當過渡電阻為 0.3 Ω 時，相間短路和三相短路故障的測量阻抗卻朝反方向增大，落在動作區內。 因此，系統側距離保護在反方向區外故障時耐受過渡電阻能力極差，極易發生反方向故障的誤動。
需要特別指出的是，弱電源特性對距離保護元件耐受過渡電阻能力的影響問題在光伏送出線路上表現得尤為突出，但其影響不僅僅限于光伏送出線路，而是涉及到所有的弱電源送出線路。 一側故障電流受限會極大地降低距離保護的耐受過渡電阻能力。
4 保護配置建議
上述分析揭示了光伏電站送出線路現有保護受弱電源特性的影響性能下降的問題，需要改進保護配置方案，以滿足送出線路安全運行的要求。
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送出線路的主保護仍應采用電流差動保護。 由于電流差動保護在光伏電站送出線路上可正確動作，故除了 110 kV 送出線路之外，現有規程要求在 10 kV 或 35 kV 的低壓光伏電站送出線路上也要配備電流差動保護，以取代不能正確動作的電流保護和距離保護作為主保護。 唯一需要注意的是，光伏電站故障特性降低了差動保護的靈敏度，因而應按單電源線路對送出線路差動保護進行整定。
送出線路的后備保護應重新配置如下。
a. 對于接地故障，仍采用現有的零序電流保護。從圖 1 可以看出，零序網絡僅包含送出變壓器高壓側和送出線路，零序電流保護與光伏電站的電源特性無關，仍然可正確動作。
b. 對于相間故障，系統側仍可采用電流保護，而光伏側可考慮配置低電壓保護。 由于光伏電站為電網的弱電源端，當故障發生時，相應故障回路的電壓顯著降低。 低電壓保護的配置原則是：當送出線路發生區內故障時，應動作于跳閘;當電網或光伏電站內部故障時，應可靠不動作。 低電壓保護的時間整定值應能躲過系統中發生的區外故障。 當系統中發生區外故障時，其動作延時應與下級線路后備保護的動作時間相配合。 此外，光伏側保護應加裝方向元件，避免光伏電站集電線路或送出變壓器故障時發生反方向誤動。
5 結論
本文就弱電源特性對光伏電站送出線路繼電保護的影響進行了詳細的分析和仿真驗證，得出以下結論。
a. 弱電源特性使光伏送出側電流保護在區內故障時不可用。
b. 弱電源特性不影響電流差動保護的正確動作，但降低了差動保護的靈敏度。
c. 弱電源特性使相間距離元件耐受過渡電阻能力極差，在實際中不可用;接地距離元件耐受過渡電阻能力也較差。
d. 建議光伏電站送出線路以電流分相差動保護作為主保護，零序電流保護作為接地故障的后備保護，低電壓保護作為相間短路的后備保護。——論文作者：瞿繼平 1 ，吳興全 1 ，閆 凱 2 ，張保會 2
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