大型光伏电站汇集系统的故障特性及其线路保护
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)的研究人员贾科、顾晨杰、毕天姝、魏宏升、杨奇逊，在2017年第9期《电工技术学报》上撰文指出，集中式与分布式光伏系统在拓扑和控制上的显著区别,造成两者故障特性的不同,导致现有含分布式光伏的配电网故障分析方法和保护原理在集中式光伏电站汇集系统中无法适用。
为此,针对广泛应用于集中式光伏逆变器中的正负序双同步旋转坐标系电流控制器,计及直流侧光伏电池板电源特性影响,推导出不同控制目标下故障电流统一表达式。
在此基础上,结合现场短路试验数据,考察850 MW大型光伏电站内35kV汇集线路的电流保护性能,证明架空线下游电流保护存在不能正确动作现象,同时提出距离保护新配置方案。
在PSCAD/EMTDC中搭建光伏电磁暂态详细模型并利用现场实测数据验证了模型的正确性,大量仿真实例证明了新保护配置的有效性。研究结果为大型光伏电站汇集系统保护配置提供参考。
为了解决日益严峻的能源危机和环境问题，并网光伏发电技术得到迅速发展，2015年我国新增光伏发电装机量约15GW，全国光伏发电累计装机量达到约43GW，超越德国成为全球光伏累计装机容量最大的国家，其中超过80%为场站级光伏发电。
光伏电站采用分散逆变、就地升压和集中并网的系统，站内汇集系统包含多条汇集线路，其保护准确动作与否直接关系到光伏电站的发电效率，具有重要研究意义。
光伏电站接入电网的技术规范明确要求大中型光伏电站应具备低电压穿越能力，从而给光伏侧保护留出充裕的动作时间。光伏自身电源特性和逆变器并网接口的形式，导致其故障电流特征与传统同步发电机差异较大。光伏电源自身出力的间歇性和随机波动性造成故障电流难以预测，电力电子器件的应用造成故障电流特征不明确且幅值受限。
上述原因导致了故障分析方法及故障计算模型的不明确，给保护配置带来了挑战。掌握光伏电源的故障特性是研究光伏电站内保护的基础，而光伏逆变器作为全功率变流器，其故障电流特征基本取决于采用的故障穿越控制策略。
针对站用光伏逆变器中常用的正、负序分离的电流控制器，现有文献根据不同的控制目标提出了相应的故障穿越控制策略: ①以抑制有功功率和直流母线电压波动为控制目标，并网电流伴有负序分量，无功功率波动较大; ②以抑制负序电流为控制目标，有功功率和无功功率出现等幅波动，波动幅值为文献［7］中无功功率波动幅值的一半; ③以抑制有功功率和无功功率波动为目标［9］，但并网电流出现畸变等。
由此可见，现有系统中逆变器控制具有多样性，现场需要根据实际接入情况选择具体控制来协调功率和电流质量，给故障分析计算增加了难度。同时，现有研究逆变器接口电源的文献大都借鉴了永磁风机的分析结论，认为故障后短时间内直流侧等值电源提供的功率不变，忽略了站用单级式光伏系统中光伏电池板对故障的快速响应特性，其故障暂态特性将与永磁风机不同，相比而言暂态过程极短。
文献［11］在研究正、负序电流控制时虽然考虑了光伏电池板特性，但仅说明直流侧不需要额外的卸荷措施，没有进一步分析对故障电流的影响。针对单级式光伏系统，现有文献在分析故障电流的同时均未考虑光伏电池板特性对故障电流的影响。
目前关于光伏电源接入电网的保护研究集中在含分布式光伏的配电网中，对于相同电压等级的光伏电站内汇集系统的保护研究较少。现有研究重点考虑分布式光伏出力随机波动、短路电流受限的特点，以及不同的接入容量、位置对传统三段式电流保护的影响。
分布式光伏电源模型多采用基于正序分量的控制策略，视作一个受并网耦合点电压控制的电流源，在对称和不对称故障下均只输出正序电流。
在此基础上提出的分布式光伏接入配电网的故障分析方法均认为故障前后短时间内有功功率参考值保持不变。在基于本地信息量构成的保护原理研究中，文献［14］在将光伏电源看作压控电流源的基础上结合方向元件提出了自适应电流速断保护。
文献［15］针对前者在对称故障下无法计算出保护背侧实际阻抗的问题提出了自适应正序电流速断保护。然而，集中式与分布式光伏系统有显著区别: ①相较于分布式光伏基于正序分量的控制，集中式光伏采用更复杂的正、负序分量同时控制的策略; ②不同于分布式光伏的两级式拓扑，集中式光伏采用单级式拓扑。因此，两者的故障特性存在较大区别。即使大型光伏电站内汇集系统与配电网系统有着相似的辐射状网络，现有配电网故障分析方法和保护原理在光伏电站中也难以直接沿用。
同时，上述文献均认为故障后短时间内光伏电源输出有功功率能保持不变，这一点针对单级式光伏系统不再适用，单级式光伏系统需要计及光伏电池板的故障响应特性。由于光伏电池板没有转动惯量，当两端电压发生变化时，输出功率能够瞬时变化，对电网故障响应迅速。
基于现有文献对光伏电站故障特性和保护研究存在的不足，本文推导了站用光伏逆变器在不同控制策略下，适用于对称和不对称故障情况的故障电流统一表达式，与现场短路试验数据对比，证明了所提统一表达式的正确性。
在此基础上，详细分析汇集系统中阶段式电流保护性能，证明了其存在的不足，并提出了距离保护的新配置方案，所提保护方案不受背侧光伏电源影响，从而正确动作。
图1 大型光伏电站汇集系统拓扑图
结论
本文首先推导出适用于多种控制目标的站内光伏逆变器故障电流统一计算式，结合现场运行采用的控制进行故障电流特征分析，在此基础上分析站内现有电流保护的适应性，针对其不足提出了距离保护新配置方案。
传统含分布式光伏的故障电流分析方法和保护整定计算中认为分布式光伏采用基于正序分量的控制，故障前后短时间内有功功率参考值不变。而光伏电站内光伏系统的逆变器结构、控制与分布式光伏有所不同，故障特性也有所不同，且仿真和实测数据都表明故障期间光伏电池板电源特性有助于抑制故障电流幅值，不能忽略光伏电池板对故障的响应特性，导致现有故障分析和保护整定方法不适用。
对此，本文结合站用汇集系统故障电流特征提出的距离保护代替汇集系统架空线下游电流保护的方案，在解决现有保护误动和拒动问题的同时，可以有效避免光伏侧短路电流门槛值整定的问题，且不受光伏出力条件影响，有一定的实际工程价值。
附表 1 汇集系统保护具体整定配合原则