光伏电站弱电源特性对送出线路继电保护的影响

瞿继平 ，吴兴全 ，闫 凯 ，张保会

（1.甘肃省电力设计院，甘肃 兰州 730050；2.西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049）

0 引言

由于太阳能资源地理分布的差异性［1］，大规模光伏发电集中式接入电力系统是我国光伏并网的重要形式［2-3］。这种并网形式是通过专用的送出线路将大中型光伏电站接入电网中。人们对光伏系统的故障电流特性已有一定的认识［4-6］，但仍未见针对光伏电站送出线路故障特性的研究，针对风能、太阳能等新能源接入电网引起的电网特性问题的分析还有待进一步完善［7-12］。由于光伏电站的故障电流受到光伏逆变器低电压穿越（LVRT）控制的限制［13］，且单个光伏电站的容量占所接入系统容量的比例很低，光伏侧的故障电流受限是该线路不同于常规线路的最大特性，该特性会对送出线路现有继电保护的动作特性产生严重影响。

光伏电站送出线路配备快速动作的主保护和线路两侧的后备保护。根据现行规定，一般情况下，专线电网接入公用电网的光伏电站宜配置光纤电流差动保护作为主保护［14］，10 kV和35 kV送出线路配置阶段式电流保护作为后备保护，而110 kV送出线路的后备保护一般为距离保护和零序电流保护［15］。

目前尚未见到关于光伏电站送出线路继电保护的分析与研究。因此，本文分析送出线路继电保护的动作性能，考察现有保护配置是否存在问题，并利用光伏发电系统电磁暂态模型进行仿真验证，提出保护配置的建议，具有一定的实际意义。

1 光伏送出系统故障特征分析

电网故障期间，为保证光伏逆变器具备LVRT能力，控制环节必须对电流进行限幅，以保护电力电子开关器件不过流。限制故障时电流的大小一般不超过逆变器额定负载电流的1.1倍［16］，即故障期间电流不会显著增大，这会对依靠电流大小门槛值来识别故障的保护造成严重的影响。当送出线路故障时，流过光伏送出侧保护安装处的故障电流与故障前的正常电流接近，故电流保护Ⅰ、Ⅱ段元件不能正常动作，电流保护Ⅲ段元件按常规方法整定也难以可靠动作，而流过系统侧保护安装处的故障电流与光伏电源特性无关，故系统侧电流保护可以正常动作。因此，送出线路的光伏侧电流保护在区内故障时拒动，而系统侧电流保护可以正常动作。

一般情况下，光伏电站所接入系统的短路容量至少为光伏电站额定容量的20～30倍，故送出线路故障时系统提供的短路电流一般至少为额定负荷电流的20～30倍。因此，系统与光伏电站提供的故障电流大小相差悬殊，光伏电站的弱电源特性十分显著。

图1为某110 kV光伏电站送出线路故障示意图，保护1和保护2分别为光伏侧和系统侧的距离保护，Rg为过渡电阻，Ipv和Is分别为光伏电站和系统提供的故障电流。

图1 某110 kV光伏电站送出线路故障示意图Fig.1 Schematic diagram of outgoing transmission line fault of a 110 kV PV station

设 Is滞后 Ipv的相位角 θ∈［-180°，180°］，两者倍数比M为：

θ与光伏逆变器的LVRT控制方式和故障严重程度密切相关。

a.当逆变器在故障期间发送无功（规程要求光伏电站在故障期间提供无功支撑）时，一般有θ<0°。发送的无功功率越多，Ipv的无功电流分量越大，则Ipv的相位越滞后，θ越小。

b.当逆变器在故障期间仅发送有功（实际运行的光伏电站在故障期间往往无功支撑能力不足）时，一般有θ>0°。这是由于光伏电站的送出变压器和各光伏发电单元的升压变压器都要消耗无功，而光伏电站的无功补偿装置（电容器、动态无功补偿装置等）受母线电压下降和装置响应速度不够快的影响，在故障期间补偿的无功功率不足，光伏电站要从外界吸收一定的无功。光伏电站从系统吸收的无功越多，则Ipv的相位越超前，θ越大。

c.故障后Ipv的相位变化要经历一个暂态过程，导致θ变化不定。这是由于逆变器的控制器中锁相环的响应有暂态过程。锁相环的作用是提取逆变器出口处的电压相位作为控制器的参考信号。故障越严重，锁相环的暂态响应波动越剧烈；当故障特别严重时，逆变器出口电压降得很低，锁相环的输入信号太小，其响应难以达到稳态，θ在-180°～180°范围内变化。故障的严重程度受过渡电阻、故障点位置和故障类型的影响。

而M约等于系统短路容量与光伏电站额定容量的比值。光伏电站容量占接入系统的容量比例越小，则M越大，一般至少为20～30，比一般线路大得多。

设光伏侧保护1的测量电压为Um，保护安装处到故障点的线路压降为Uk，过渡电阻上的压降为Ug，其中光伏侧和系统侧的故障电流在过渡电阻上产生的压降分别为 U′g和 U″g，则上述电压、电流之间的关系为：

由式（1）、（2）不难看出：

特别强调，光伏电站的上述弱电源特性主要体现在非接地故障中。从图1可以看出，光伏电站本身在不接地方式下运行，零序网络仅包含送出变压器和送出线路。当送出线路发生接地故障时，光伏侧的零序阻抗是变压器的零序阻抗，与光伏电站无关，其大小远小于正、负序阻抗，因此零序电流较大，这使得两侧电流幅值比M比不接地故障时小得多。

参考西北地区某110 kV光伏电站实际参数在PSCAD/EMTDC上搭建图1所示光伏送出系统的模型。该光伏电站电源接入容量为50 MW，系统短路容量Sk=1500 MV·A（取最小运行方式），送出线路长度L=15 km，线路阻抗z1=0.132+j0.385 Ω/km。经计算，送出线路的额定负荷电流IN=262.4 A。

给定该光伏电站模型的逆变器LVRT控制策略为故障期间发送一定无功功率的方式，光伏电站出力为额定功率的80%。当送出线路中点K1处发生过渡电阻为3 Ω的三相短路故障时，Ipv和Is的幅值分别为245 A和5204 A，得M=21.2，同时测得θ达到稳态后为 -62.5°。而 Um、Uk、Ug的幅值分别为 9.30kV、0.15kV和9.21kV，由此可见，Uk幅值很小，Ug是Um的主要分量。A相Ipv和Is的瞬时值如图2所示。

图2 送出线路故障时光伏侧和系统侧的故障电流Fig.2 PV-and system-side faulty currents when fault occurs on outgoing transmission line

将光伏电站模型的逆变器LVRT控制策略改为故障期间发送定有功电流的方式，其他条件不变，故障期间Ipv和Is的相角差θ变为105°，其变化范围比一般线路大得多。该故障条件下2种控制策略下θ的变化如图3所示。

图3 发无功和仅发有功时送出线路两侧故障电流相角差Fig.3 Faulty current phase difference between two sides of outgoing transmission line for generator with and without reactive power generation

将故障类型改为单相接地故障，其他条件不变，测得相应故障回路的两侧电流幅值比M=5.9。受零序电流的影响，与非接地故障时相比，单相接地故障下的M要小得多。

2 光伏送出线路保护动作性能分析

2.1 电流差动保护

当光伏送出线路故障时，电流差动保护所采用的两端故障电流分别由光伏电站和系统提供。光伏电站送出线路配置的是分相电流差动保护，采用两端电流的相量和作为动作量，在理论上不受电源类型、过渡电阻和运行工况的影响，可瞬时切除区内故障。图4为电流差动保护的动作特性（k为斜率），动作方程如式（4）所示。

图4 电流差动保护动作特性示意图Fig.4 Operating characteristic diagram of current differential protection

当送出线路发生区内故障时，由于光伏电站的弱电源特性，系统侧故障电流幅值Is远大于光伏侧故障电流幅值Ipv，Ipv几乎可以忽略。送出线路的故障类似于单端电源线路故障，差动保护的灵敏度（差动电流与制动电流的比值）很低，故弱电源特性降低了电流差动保护的灵敏度。

2.2 距离保护

由于系统提供的故障电流远大于光伏电站提供的故障电流，下面分析故障位置不同时距离保护因过渡电阻影响可能产生的问题。

a.区内故障可能拒动。

区内故障时，距离保护因没有耐受过渡电阻能力而可能拒动。图5为送出线路中点K1处（见图1）发生区内相间故障时，光伏侧距离保护拒动的示意图。图中，Zm为测量阻抗，Zk为保护安装处点Op到故障点K1的线路阻抗，测量电流Im=Ipv；实线圆为距离保护Ⅰ段的方向圆动作特性，虚线圆为Zm可能的取值组成的轨迹。各物理量的关系满足式（5）。

图5 区内故障时光伏侧距离元件动作特性图Fig.5 Operating characteristic chart of distance protection at PV side when in-zone fault occurs

由图5可知，当线路中点K1处发生区内故障时，尽管过渡电阻Rg很小，但由于很大，故偏移矢量AB的模值可能比故障线路阻抗的模值还要大，则测量阻抗Zm可能落在动作区外，导致距离保护元件拒动。

此外，由于受故障条件和光伏逆变器LVRT控制方式的影响，光伏侧故障电流Ipv的相角不确定。因此，两侧故障电流的相角差θ也不确定。测量阻抗Zm落在以点A为圆心、MRg为半径的圆轨迹上。

显然，一般线路的距离保护虽然也受到过渡电阻的影响，但由于M较小，θ也较小且固定，Zm的偏移一般不会过大，偏移方向较固定，可通过改善距离保护元件的动作特性来提高其耐受过渡电阻能力。然而，对于光伏电站送出线路，由于两侧故障电流的幅值比M很大、相角差θ不确定，测量阻抗Zm受过渡电阻的影响远比一般线路的距离保护要大。由图5可知，不论θ的大小和变化情况，只要M较大，距离保护元件就极易在区内故障时拒动。

b.区外故障可能误动。

下级线路区外故障时，距离保护元件因没有耐受过渡电阻能力而可能误动。图6为送出线路下级出口K2处（见图1）发生区外相间故障时，光伏侧距离保护误动的示意图，图中各物理量含义与图5相同。

图6 正方向区外故障时光伏侧距离元件动作特性图Fig.6 Operating characteristic chart of distance protection at PV side when out-zone fault occurs in positive direction

由图6可知，当下级出口K2处发生正方向区外故障时，尽管过渡电阻Rg很小，但由于系统侧与光伏侧故障电流的幅值比M很大且相角差θ不确定，偏移矢量的模值很大、方向不确定，测量阻抗Zm落在以点C为圆心、MRg为半径的圆轨迹上。测量阻抗Zm很有可能落在动作区内，导致距离保护元件误动。

此外，系统侧距离保护在K2处故障时也可能发生反方向故障的误动，参考图6便可作出其动作特性图，在此不再赘述。

由图6可知，距离保护元件在区外故障时的误动发生在θ>0°时；当θ<0°，距离保护元件可能拒动，但不会误动。因此，距离保护元件误动发生在严重故障后的暂态过程中或逆变器在故障期间仅发送有功的条件下。

由以上分析可知，光伏电站送出线路距离保护在光伏侧极易发生拒动和误动，在系统侧极易发生反方向故障的误动。显然，这些误动和拒动均是由于距离保护的测距原理未考虑对端故障电流受过渡电阻的影响而造成的，一般均假设保护安装处电流与故障电流同相位，通过改进保护的动作区域提高耐受过渡电阻能力。而在光伏送出线路中，系统侧故障电流与光伏侧故障电流间较大的幅值比M与不确定的相角差θ严重放大了原理性误差的影响，导致很小的过渡电阻也会造成距离元件的不正确动作。

c.接地距离保护元件的耐受过渡电阻能力大于相间距离保护元件。

由第1节的分析可知，送出线路接地故障中的零序阻抗远小于正、负序阻抗，故零序电流成为故障电流的主要分量，缩小了两侧故障电流幅值的差距，M比不接地故障时小得多。因此，接地故障时，测量阻抗因过渡电阻产生的偏移较小，接地距离保护元件比相间距离保护元件可耐受更大的过渡电阻。

综上所述，光伏电站提供的故障电流远小于系统提供的故障电流，导致送出线路距离保护耐受过渡电阻能力差，易发生误动与拒动。

3 仿真算例

用图1所示的模型对光伏电站送出线路的保护动作性能进行仿真验证。光伏侧和系统侧距离保护Ⅰ段均为方向圆特性，定值均为线路阻抗的85%（5.189∠71.1°Ω）。设定图1中光伏电站模型的逆变器的LVRT控制策略为故障期间发送一定无功功率的方式。

送出线路电流差动保护的动作情况见表1。在不同的故障类型和过渡电阻下，区内故障时均可靠动作，区外故障时均可靠不动作，动作的准确性完全不受光伏故障电流特性的影响。

表1 送出线路电流差动保护动作情况Table 1 Action situation of current differential protection of outgoing transmission line

然而，由于故障中Is比Ipv大得多，Ipv可忽略不计，则ID≈Is、IB≈Is。尽管电流差动保护可正确判断区内外故障，但由于光伏电站的弱电源特性，光伏侧故障电流很小，差动电流ID与制动电流IB接近，故差动保护的灵敏度降低。

表2 和表3分别为送出线路中点K1处故障时光伏侧和系统侧距离保护的动作情况。表2、3中，BCG故障取BG回路测量阻抗，ABC故障取BC回路测量阻抗；某些严重故障情况下测量阻抗没有稳态值，单下划线表示暂态过程中某一时刻对应的测量阻抗值，而其余测量阻抗均为稳态值；双下划线表示该动作结果不正确，后同。

表2 区内故障时送出线路光伏侧距离Ⅰ段动作情况Table 2 Zone-Ⅰaction situation of distance protection at PV side of outgoing transmission line when in-zone fault occurs

表3 区内故障时送出线路系统侧距离Ⅰ段动作情况Table 3 Zone-Ⅰaction situation of distance protection at system side of outgoing transmission line when in-zone fault occurs

由表2和表3知，当无过渡电阻时，测量阻抗准确反映了保护安装处到故障点K1的线路阻抗Zk，两侧距离保护元件均正确动作。当过渡电阻为0.5 Ω时，系统侧的测量阻抗几乎未发生偏移，而光伏侧测量阻抗偏移到了动作区外。当过渡电阻为5 Ω时，系统侧的测量阻抗在某些类型的故障下也偏移到了动作区外。由此可见，光伏侧距离保护元件在区内故障时耐受过渡电阻能力极差，很小的过渡电阻便会引起很大的测量误差，造成保护拒动。系统侧的距离保护耐受过渡电阻能力较强，在送出线路全长阻抗只有6.105 Ω的情况下仍可耐受几欧姆的过渡电阻。

由表2和表3还可以看出，光伏侧距离保护的耐受过渡电阻能力在接地故障时强于相间故障时，但仍然比系统侧距离保护弱。

需要指出，两相短路接地故障的2个接地回路比相间回路耐受过渡电阻能力强，原因是接地故障回路中主要分量为零序电流，两侧测量电流幅值比M较小。以表2中过渡电阻为0.5 Ω的BCG故障为例，BG和CG回路的保护可以动作，但BC回路的测量阻抗为11.546∠-22.4°Ω，BC回路的保护显然拒动。

将光伏电站模型的逆变器LVRT策略改为故障期间发送定有功电流的方式，表4和表5分别为送出线路的下级出口K2处故障时光伏侧和系统侧距离保护的动作情况。

表4 区外故障时送出线路光伏侧距离Ⅰ段动作情况Table 4 Zone-I action situation of distance protection at PV side of outgoing transmission line when out-zone fault occurs

表5 区外故障时送出线路系统侧距离Ⅰ段动作情况Table 5 Zone-I action situation of distance protection at system side of outgoing transmission line when out-zone fault occurs

表4 中，该故障对于光伏侧距离保护而言是正方向区外故障，但当过渡电阻为0.3 Ω时，相间短路和三相短路故障的测量阻抗落在了动作区内，即发生了稳态超越。因此，光伏侧距离元件在正方向区外故障时耐受过渡电阻能力极差，极易发生稳态超越，引起误动。表5中，该故障对于系统侧距离保护而言是反方向区外故障，但当过渡电阻为0.3 Ω时，相间短路和三相短路故障的测量阻抗却朝反方向增大，落在动作区内。因此，系统侧距离保护在反方向区外故障时耐受过渡电阻能力极差，极易发生反方向故障的误动。

需要特别指出的是，弱电源特性对距离保护元件耐受过渡电阻能力的影响问题在光伏送出线路上表现得尤为突出，但其影响不仅仅限于光伏送出线路，而是涉及到所有的弱电源送出线路。一侧故障电流受限会极大地降低距离保护的耐受过渡电阻能力。

4 保护配置建议

上述分析揭示了光伏电站送出线路现有保护受弱电源特性的影响性能下降的问题，需要改进保护配置方案，以满足送出线路安全运行的要求。

送出线路的主保护仍应采用电流差动保护。由于电流差动保护在光伏电站送出线路上可正确动作，故除了110 kV送出线路之外，现有规程要求在10 kV或35 kV的低压光伏电站送出线路上也要配备电流差动保护，以取代不能正确动作的电流保护和距离保护作为主保护。唯一需要注意的是，光伏电站故障特性降低了差动保护的灵敏度，因而应按单电源线路对送出线路差动保护进行整定。

送出线路的后备保护应重新配置如下。

a.对于接地故障，仍采用现有的零序电流保护。从图1可以看出，零序网络仅包含送出变压器高压侧和送出线路，零序电流保护与光伏电站的电源特性无关，仍然可正确动作。

b.对于相间故障，系统侧仍可采用电流保护，而光伏侧可考虑配置低电压保护。由于光伏电站为电网的弱电源端，当故障发生时，相应故障回路的电压显著降低。低电压保护的配置原则是：当送出线路发生区内故障时，应动作于跳闸；当电网或光伏电站内部故障时，应可靠不动作。低电压保护的时间整定值应能躲过系统中发生的区外故障。当系统中发生区外故障时，其动作延时应与下级线路后备保护的动作时间相配合。此外，光伏侧保护应加装方向元件，避免光伏电站集电线路或送出变压器故障时发生反方向误动。

5 结论

本文就弱电源特性对光伏电站送出线路继电保护的影响进行了详细的分析和仿真验证，得出以下结论。

a.弱电源特性使光伏送出侧电流保护在区内故障时不可用。

b.弱电源特性不影响电流差动保护的正确动作，但降低了差动保护的灵敏度。

c.弱电源特性使相间距离元件耐受过渡电阻能力极差，在实际中不可用；接地距离元件耐受过渡电阻能力也较差。

d.建议光伏电站送出线路以电流分相差动保护作为主保护，零序电流保护作为接地故障的后备保护，低电压保护作为相间短路的后备保护。