摘要：以IEEE 34節點測試饋線為研究對象，加入重合器和熔斷器等過電流保護設備，在特定位置接入不同容量的光伏電源，利用PSCAD軟件進行仿真，就短路電流和保護之間的協調性，研究光伏電源對過電流保護設備的影響。為此進行了多種故障仿真，以驗證接入光伏電源后，電網的保護設備之間的協調性是否改變。仿真結果表明：并不是電網中的所有位置接入光伏電源，都會對保護產生影響，只有在特定位置接入光伏電源時，才會使某些保護失去選擇性，導致其誤動或拒動。
配電網接入多個光伏電源以后，短路電流將會增大，這可能導致電流保護之間的配合存在問題，使某些保護出現拒動或誤動，而且過大的短路電流還會影響熔斷器和重合器的正常工作。另外，未接入光伏電源之前的配電網一般是輻射狀的網絡，其保護不具有方向性，而接入光伏發電系統以后，整個配電網變成雙電源或多電源系統，系統潮流的流向具有不確定性[1-3]。本文目的是驗證當光伏電源接入配電網后，電網發生故障時，對重合器和熔斷器的協調性影響。
1 IEEE 34節點測試饋線保護配置
用于研究的配電網模型是IEEE 34節點測試饋線，如圖1所示。它有多個單相支線和三相支線、2個電壓調節器、2個電容器組(分別在節點32和34)、1個4.16 kV的低電壓支線(節點23和24所在的支線)，電路的其余部分電壓等級是24.9 kV。連接到節點1的變電站變壓器(圖1中沒有顯示)，其變比為69 kV/24.9 kV，額定容量是2 500 kV·A。饋線總負載大約是2 060 kV·A，功率因數為0.86[4-5]。為了研究光伏電源對配電網過電流保護設備的影響，在IEEE 34節點測試饋線上加入12個熔斷器和1個重合器，圖2 顯示的是含重合器和熔斷器的IEEE 34節點測試饋線示意圖。節點1處安裝重合器，重合器整定為一快兩慢，快速分閘的時間值乘以1.2的K修正因子[6]。每個支線由始端熔斷器來保護，但支線6除外，該支線上有變壓器，其變比為24.9 kV/4.16 kV,額定容量是500 kV·A，變壓器高壓側和低壓側都裝有熔斷器。電容器組的保護也由熔斷器來完成。
表1所示為PSCAD仿真的和IEEE 34節點基準情況下每個節點處的故障電流相關誤差數據，對于電路中的三相節點，仿真4種故障情況：三相接地、單相接地、兩相接地和經阻抗接地的單相接地。對于單相節點，仿真2種故障情況：單相接地和接地電阻為15 贅的單相接地。從表1中可以看出，仿真的最大誤差和平均誤差均是合理的。
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2 光伏電源模型
光伏電源系統一般由光伏陣列、控制器、逆變器和蓄電池組組成，逆變器是其控制核心。光伏電源對電網故障的響應主要取決于逆變器的控制方式，一般逆變器的控制方式有2種：電壓型和電流型。電壓控制策略進入故障穩態較快，但沖擊電流較大，而電流控制策略沖擊電流較小，進入故障穩態較慢。2種控制方式都可以通過對逆變器的快速調整，大約2周波后輸出的有功和無功功率都將達到故障后的穩態并與故障前相同[7]，故可以在計算短路電流時，假定光伏電源在故障后輸出功率不變，故障引起光伏電源接入點電壓下降后，其供出的電流將與電壓成反比，可用一個受控電流源來代替光伏電源接入IEEE 34節點系統。實際中要求光伏電源具有穿透一定故障的能力，而不是立即和電網斷開，以防止發電量損失甚至產生更壞的影響。本文采用光伏電源通過變壓器連到電網上?？紤]到并網變壓器的聯接形式會對保護產生影響，接地和不接地連接的變壓器都存在優缺點，正如文獻[8]所描述的，高壓側不接地的并網變壓器接入電網，使得單相接地故障的檢測復雜化，但是普通的d/Y0聯接方式可以提供接地故障電流，同樣也會對電網保護產生影響。綜合考慮這2方面，光伏電源并網變壓器聯接方式采用d/d，其容量和光伏電源容量相等。在PSCAD中搭建光伏電源的等效模型，三相交流受控電流源，其所輸出的電流幅值和相位均可控制，幅值根據恒功率模型來確定，在受控電流源和并網變壓器的低壓側之間設置一個實時電壓測量器，可以測得受控電流源的端電壓Upv，再用一個除法器將光伏電源的容量除以端電壓Upv，就可以得到光伏電源所輸出的電流值。光伏電源接入位置可假定在變電站近端或遠端，電壓調節器近端和主饋線的支線上，詳盡的被測試的連接點是節點2、28、34、8、19、29和24。每個光伏電源的初始容量是饋線總負載容量的20%，即為400 kW，增加光伏電源的容量直到對電網過電流保護設備的協調性產生影響。
3 仿真結果
每個保護設備設置2種故障，一種是在設備下游的近端，另一種是在保護下游盡可能遠的地方，這2種故障位置用于區分某種故障條件下流過保護的短路電流，故障點離保護越近，流過保護的電流越大。對于三相支線，無接地阻抗的三相接地故障作為最大故障，接地阻抗為15 贅的A相接地故障作為最小故障;對于單相支線，僅發生單相接地故障，無接地阻抗的單相接地故障作為最大故障，接地阻抗為15 贅的單相接地故障作為最小故障。理論上來說，光伏電源的接入會導致故障電流增加，但這并不意味著流過每個支線上的故障電流都增加。例如，在節點34處的三相故障，當20%饋線總負載容量的光伏電源接入節點24時，流過支線8上的所有分支故障電流都會增加，然而，連接節點15-16的支線，當無光伏電源接入時，其故障電流為209.97 A，當接入光伏電源后，故障電流為207.83 A。表2所示的是在節點24處接入光伏電源，某些節點處的三相接地故障的最大故障電流變化，可以看出當故障發生在光伏電源并網點時，增加的故障電流最多。
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注：比值*=(接入光伏后的故障點電流-無光伏時的故障點電流)/無光伏時的故障點電流。
重合器和熔斷器的動作特性曲線具有反時限特性，流過它們的故障電流越大，它們的動作時間就越短。這樣接入光伏電源后，故障電流和配合時間都可能改變。對先前假定的幾種故障情況進行比較，來檢查光伏電源接入情況下保護之間的協調性，除了電容器組的熔斷器和熔斷器F6外(熔斷器F6設計成在重合器跳閘之前熔斷)，比較重合器的快速跳閘時間和熔斷器的最小熔斷時間，檢驗重合器是否先動作。發生瞬時故障時，動作順序是正確的。對于永久性故障，需比較熔斷器的最大熔斷時間和重合器的慢速跳閘時間，假設熔斷器在重合器閉鎖合閘之前熔斷，研究只得到了一些初步的結果。表3所示是節點34處發生接地阻抗15 贅的單相接地故障時，在某些節點接入光伏電源，重合器-熔斷器F8的協調時間的變化。由于接入光伏電源，重合器和熔斷器的動作時間間隔下降了，但節點34情況例外，因為光伏電源接入節點34時和熔斷器F8在相同支線上，不過熔斷器F8和重合器對于所有情況仍然保持協調。
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一般除了光伏電源所在支線的熔斷器保護和電容器組的熔斷器協調時間間隔增加外，其他熔斷器的協調時間間隔減小。一個主要的不利影響是在節點24處接入光伏電源，會使任何保護設備在支線6有最小故障時不動作。光伏電源也可能產生關于保護協調性的2個主要問題。如果光伏電源在某個保護設備的下游，且故障發生在光伏電源的下游，光伏電源可以提供足夠的故障電流，使其上游的保護設備檢測不到故障。例如，80%饋線總負載容量的光伏電源接入節點8時，節點28處的最小故障不會使重合器分閘。對于20%饋線總負載容量的光伏電源情況，可以觀察到僅支線6上的保護設備不動作。在節點24處接入的光伏電源使最小故障情況下的任何保護設備不動作，還使節點24處三相接地故障時重合器不分閘。如果光伏電源連接到保護設備的下游，故障發生在保護的上游時，光伏電源向保護設備提供反向故障電流，反向的故障電流可能使熔斷器熔絲熔斷，擴大停電范圍。在PSCAD搭建的仿真電路中，若光伏電源放置在三相支線上時，會出現這種情況。在支線8(節點34處)光伏電源大約40%的滲透水平下，節點25處故障時，熔斷器F8會在重合器的慢速跳閘之前開始熔化。同樣20%的光伏電源連接到節點24，在節點20處發生故障時，熔斷器F5也會在重合器的慢速跳閘之前開始熔化。解決這種問題的可行方法是在熔斷器處增加具有方向性的設備。一個更不利的失調情況是在節點28處接入48%的光伏電源，當節點34處發生三相接地故障時，熔斷器F8會在重合器快速分閘之前開始熔化。對于這種情況，需要求光伏在熔斷器熔斷之前，從電網斷開(注：這里的百分數是指光伏電源容量與饋線總負載容量的比值)。
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4 結語
在PSCAD中建立IEEE 34節點測試饋線模型，在選擇的節點處接入光伏電源改變了網絡拓撲，光伏電源注入的短路電流使原網絡的短路數據改變，短路電流的幅值變化取決于光伏電源的容量和位置。在某些接入位置或滲透水平下，光伏電源會影響保護設備的協調性。此外，接入一定的光伏電源導致熔斷器流過反向電流，可能使一些保護誤跳閘，并且一些光伏電源也可能導致某些保護不動作。因此，在節點24處接入光伏電源所遇到的問題并不是完全不能預料到的。盡管在本次研究中遇到的問題是相對局限的，或者僅在有大光伏電源滲透水平下才出現，一些協調問題和結果仍需要被進一步研究和驗證。
參考文獻
[1] 張超,計建仁,夏翔,等.分布式發電對配電網饋線保護的影響[J].繼電器，2006，34(13):9-12.
[2] 高研,畢銳,楊為,等.分布式發電對配電網繼電保護的影響[J].電網與清潔能源，2009，25(4):20-23.
[3] 周衛,張堯,夏成軍,等.分布式發電對配電網繼電保護的影響[J].電力系統保護與控制,2010,38(3):1-5.
[4] KERSTING W H. Radial Distribution Test Feeders[C]//Proc IEEE Power Engineering Society Winter Meeting,Columbus，USA，2001，2：908-912.
[5] KERSTING W H. Radial distribution test feeders[J].PowerSystems，IEEE Transactions on,IEEE Power & EnergySociety，1991,6(3):975-985.
[6] WAYNE M Z. Electrical Distribution System Protection[M].3 rd ed. [S. l.]: Cooper Power Systems,2005.
[7] BARANME，MARKABY-EI. Fault Analysis on DistributionFeeders With Distributed Generators[J]. Power Systems，IEEE Transactions on，2005，20(40):1757-1764.
[8] 曹景亮. 分布式電源對配電網繼電保護的影響研究[M].武漢:華中科技大學,2008.
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收稿日期：2010-08-26。
作者簡介：
張澤云(1984—)，女，碩士研究生，主要研究方向為光伏對配網保護的影響。
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