大型光伏電站匯集系統的故障特性及其線路保護
2017-6-5 10:02:18??????點擊：
新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)的研究人員賈科、顧晨杰、畢天姝、魏宏升、楊奇遜，在2017年第9期《電工技術學報》上撰文指出，集中式與分布式光伏系統在拓撲和控制上的顯著區別,造成兩者故障特性的不同,導致現有含分布式光伏的配電網故障分析方法和保護原理在集中式光伏電站匯集系統中無法適用。
為此,針對廣泛應用于集中式光伏逆變器中的正負序雙同步旋轉坐標系電流控制器,計及直流側光伏電池板電源特性影響,推導出不同控制目標下故障電流統一表達式。
在此基礎上,結合現場短路試驗數據,考察850 MW大型光伏電站內35kV匯集線路的電流保護性能,證明架空線下游電流保護存在不能正確動作現象,同時提出距離保護新配置方案。
在PSCAD/EMTDC中搭建光伏電磁暫態詳細模型并利用現場實測數據驗證了模型的正確性,大量仿真實例證明了新保護配置的有效性。研究結果為大型光伏電站匯集系統保護配置提供參考。
為了解決日益嚴峻的能源危機和環境問題，并網光伏發電技術得到迅速發展，2015年我國新增光伏發電裝機量約15GW，全國光伏發電累計裝機量達到約43GW，超越德國成為全球光伏累計裝機容量最大的國家，其中超過80%為場站級光伏發電。
光伏電站采用分散逆變、就地升壓和集中并網的系統，站內匯集系統包含多條匯集線路，其保護準確動作與否直接關系到光伏電站的發電效率，具有重要研究意義。
光伏電站接入電網的技術規范明確要求大中型光伏電站應具備低電壓穿越能力，從而給光伏側保護留出充裕的動作時間。光伏自身電源特性和逆變器并網接口的形式，導致其故障電流特征與傳統同步發電機差異較大。光伏電源自身出力的間歇性和隨機波動性造成故障電流難以預測，電力電子器件的應用造成故障電流特征不明確且幅值受限。
上述原因導致了故障分析方法及故障計算模型的不明確，給保護配置帶來了挑戰。掌握光伏電源的故障特性是研究光伏電站內保護的基礎，而光伏逆變器作為全功率變流器，其故障電流特征基本取決于采用的故障穿越控制策略。
針對站用光伏逆變器中常用的正、負序分離的電流控制器，現有文獻根據不同的控制目標提出了相應的故障穿越控制策略: ①以抑制有功功率和直流母線電壓波動為控制目標，并網電流伴有負序分量，無功功率波動較大; ②以抑制負序電流為控制目標，有功功率和無功功率出現等幅波動，波動幅值為文獻［7］中無功功率波動幅值的一半; ③以抑制有功功率和無功功率波動為目標［9］，但并網電流出現畸變等。
由此可見，現有系統中逆變器控制具有多樣性，現場需要根據實際接入情況選擇具體控制來協調功率和電流質量，給故障分析計算增加了難度。同時，現有研究逆變器接口電源的文獻大都借鑒了永磁風機的分析結論，認為故障后短時間內直流側等值電源提供的功率不變，忽略了站用單級式光伏系統中光伏電池板對故障的快速響應特性，其故障暫態特性將與永磁風機不同，相比而言暫態過程極短。
文獻［11］在研究正、負序電流控制時雖然考慮了光伏電池板特性，但僅說明直流側不需要額外的卸荷措施，沒有進一步分析對故障電流的影響。針對單級式光伏系統，現有文獻在分析故障電流的同時均未考慮光伏電池板特性對故障電流的影響。
目前關于光伏電源接入電網的保護研究集中在含分布式光伏的配電網中，對于相同電壓等級的光伏電站內匯集系統的保護研究較少。現有研究重點考慮分布式光伏出力隨機波動、短路電流受限的特點，以及不同的接入容量、位置對傳統三段式電流保護的影響。
分布式光伏電源模型多采用基于正序分量的控制策略，視作一個受并網耦合點電壓控制的電流源，在對稱和不對稱故障下均只輸出正序電流。
在此基礎上提出的分布式光伏接入配電網的故障分析方法均認為故障前后短時間內有功功率參考值保持不變。在基于本地信息量構成的保護原理研究中，文獻［14］在將光伏電源看作壓控電流源的基礎上結合方向元件提出了自適應電流速斷保護。
文獻［15］針對前者在對稱故障下無法計算出保護背側實際阻抗的問題提出了自適應正序電流速斷保護。然而，集中式與分布式光伏系統有顯著區別: ①相較于分布式光伏基于正序分量的控制，集中式光伏采用更復雜的正、負序分量同時控制的策略; ②不同于分布式光伏的兩級式拓撲，集中式光伏采用單級式拓撲。因此，兩者的故障特性存在較大區別。即使大型光伏電站內匯集系統與配電網系統有著相似的輻射狀網絡，現有配電網故障分析方法和保護原理在光伏電站中也難以直接沿用。
同時，上述文獻均認為故障后短時間內光伏電源輸出有功功率能保持不變，這一點針對單級式光伏系統不再適用，單級式光伏系統需要計及光伏電池板的故障響應特性。由于光伏電池板沒有轉動慣量，當兩端電壓發生變化時，輸出功率能夠瞬時變化，對電網故障響應迅速。
基于現有文獻對光伏電站故障特性和保護研究存在的不足，本文推導了站用光伏逆變器在不同控制策略下，適用于對稱和不對稱故障情況的故障電流統一表達式，與現場短路試驗數據對比，證明了所提統一表達式的正確性。
在此基礎上，詳細分析匯集系統中階段式電流保護性能，證明了其存在的不足，并提出了距離保護的新配置方案，所提保護方案不受背側光伏電源影響，從而正確動作。
圖1 大型光伏電站匯集系統拓撲圖
結論
本文首先推導出適用于多種控制目標的站內光伏逆變器故障電流統一計算式，結合現場運行采用的控制進行故障電流特征分析，在此基礎上分析站內現有電流保護的適應性，針對其不足提出了距離保護新配置方案。
傳統含分布式光伏的故障電流分析方法和保護整定計算中認為分布式光伏采用基于正序分量的控制，故障前后短時間內有功功率參考值不變。而光伏電站內光伏系統的逆變器結構、控制與分布式光伏有所不同，故障特性也有所不同，且仿真和實測數據都表明故障期間光伏電池板電源特性有助于抑制故障電流幅值，不能忽略光伏電池板對故障的響應特性，導致現有故障分析和保護整定方法不適用。
對此，本文結合站用匯集系統故障電流特征提出的距離保護代替匯集系統架空線下游電流保護的方案，在解決現有保護誤動和拒動問題的同時，可以有效避免光伏側短路電流門檻值整定的問題，且不受光伏出力條件影響，有一定的實際工程價值。
附表 1 匯集系統保護具體整定配合原則
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