第 1 章   緒論

1.1 研究的背景意義
在人類社會、經(jīng)濟發(fā)展的過程中，能源一直占據(jù)著舉足輕重的地位，電力系統(tǒng)發(fā)展一直以能源為重要依托。2010 年以來的燃煤發(fā)電增長仍一直高于所有非化石能源增長的總和，延續(xù)以往 20 年不變的發(fā)展趨勢�；茉磧α坑邢夼c其需求急劇增加之間的矛盾，以及經(jīng)濟快速發(fā)展與環(huán)境污染愈加嚴重之間的矛盾，使得我們不得不考慮能源的可持續(xù)發(fā)展模式。ETP2014 探討分析了遠至 2050 年的能源發(fā)展未來，得出三種情況：6℃情景（6DS）是維持目前世界的發(fā)展方向，其結果具有潛在的破壞性；4℃情景（4DS）是反映世界各個國家提出的削減排放及提高能源利用效率的意愿；2℃情景（2DS）是提供一種減少溫室氣體及二氧化碳排放的全世界發(fā)展可持續(xù)能源系統(tǒng)的共同愿望[1]。 據(jù)《全球新能源發(fā)展報告 2014》顯示[2]，2013 年全球發(fā)電總量 22513.8TWh，同比增長 4.3%。然而化石燃料的發(fā)電量仍占到全球總發(fā)電量的 70%，但是新能源發(fā)電呈現(xiàn)了持續(xù)快速增長的趨勢，年發(fā)電量同比增長達 13%，占全球發(fā)電量總量的5.2%。表 1 為 2007-2013 年全球發(fā)電量的能源類型構成。近些年，以光伏發(fā)電、風力發(fā)電以及水電為主的清潔能源得到了大力發(fā)展，其中太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展在全球范圍內(nèi)備受關注[3]。截至 2013 年底，全球光伏總裝機容量達到 138.9GW，可以每年提供約 160TWh 電量。中國光伏總裝機容量達到了 18.6GW，約占全球光伏總裝機容量的 13.4%。圖 1 是從 2004 年到 2013 年世界和中國光伏累計裝機容量和每年新增裝機容量。僅 2013 年，全球光伏新增裝機容量為 38.4GW，其中中國光伏新增裝機容量高達 11.8GW，占全球光伏新增裝機容量的 30.7%。中國超越了德國，并首次成為全球最大的光伏市場，有力推動光伏從以歐洲為核心逐漸向亞洲轉移。過去幾年中，全球太陽能光伏一直保持了兩位數(shù)的增長，在 IEA 提出的 2DS 可再生能源高占比情景中，預計到 2040 年太陽能光伏發(fā)電將成為主導電力來源，到 2050年可能會占到全球發(fā)電量的 26%。
........

1.2 研究的現(xiàn)狀及存在問題
針對光伏電源接入配電網(wǎng)給配電網(wǎng)電流保護帶來的影響及對策，國外很早便開始研究，但進展相對較慢；國內(nèi)在這方面雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。一些優(yōu)秀的國內(nèi)外文獻提出并討論了這些方面的問題，部分給出了相應解決措施。本文就從以下三個方面總結國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)：DG 接入對配電網(wǎng)的影響、多電源保護新對策、多電源重合閘配合和孤島保護研究。對于 DG 接入配電網(wǎng)，會給配電網(wǎng)帶來什么樣的影響，以及為我們解決問題找準方向，國內(nèi)外做了很多相關研究。文獻[6]對分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓分布的影響進行了分析，并結合分布式電源出力、接入位置變化以及與線路電壓調(diào)節(jié)配合進行仿真實驗，全面總結了分布式電源在配電網(wǎng)中的運行規(guī)律。文獻[7]非常詳細地討論了  DG  并入配電網(wǎng)不同饋線的不同區(qū)段時，對原來配網(wǎng)繼電保護（包括三段式電流保護和反時限電流保護）的影響。文獻[8]則以杭州 10kV 配網(wǎng)為例，在線路中的不同位置引入 DG，分析所引入的 DG  對饋線保護及其動作行為的影響（包括系統(tǒng)電源側故障帶來的影響）。以上這兩篇文獻中，作者簡要指出了影響的關鍵點，部分還給出了相應解決辦法。文獻[9]側重于研究兩相相間短路對含 DG 配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)性影響，其中，又著重考慮了重合閘前加速和后加速。得出對于重合閘-熔絲配合，不適合采用后加速方式。文獻[10]對 DG 接入配網(wǎng)后保護間協(xié)調(diào)性進行了詳細的研究，指出 DG 的規(guī)模、類型和位置是影響的主要因素，然后分別分析了對熔絲-熔絲、熔絲-重合閘和保護-保護的影響。得出若 DG 注入短路電流在一定范圍內(nèi)，原有保護協(xié)調(diào)性可以保持的結論。文獻[11]重點考慮 DG 電源容量對各種短路故障的影響，通過理論推導含 DG 配電網(wǎng)的短路電流，以確定 DG 最大準入容量來保證對保護的影響降到最小。
..........

第 2 章   分布式光伏電源特性分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電源和其他電源（如蓄電池、風力發(fā)電、柴油發(fā)電、小水電等）又可構成風光互補、風光柴儲、光伏-水電、光伏-蓄電池等獨立小系統(tǒng)。而并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)則直接并入公共電網(wǎng)，或者通過如家庭等用戶并入電網(wǎng)。由于分布式光伏電源一般不超過幾個兆瓦，且這類電源通常接入中、低壓配電網(wǎng)，本文主要考慮此類型并網(wǎng)分布式光伏電源。 本章的主要內(nèi)容是介紹并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成及控制，并基于 PSCAD 仿真軟件，搭建并網(wǎng)型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，重點仿真分析光伏電源的故障特性。

2.1 分布式光伏電源的組成與控制
并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、直流變換器、逆變器三部分組成，如圖2-1 所示。部分并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)省去了 DC/DC 直流變換環(huán)節(jié)。本文將以包括DC/DC 直流變換的額定有功功率 2MW 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)為例進行仿真及分析。另外，光伏發(fā)電系統(tǒng)還有一些重要的組成元件，如直流連接電容，濾波器，并網(wǎng)變壓器等。 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成中，根據(jù)光伏模塊排列結構的不同，并網(wǎng)光伏逆變器可大致分為以下三種：集中式、單串式和多串式[41]。集中式逆變系統(tǒng)只包含一個光伏逆變器，所有光伏電池板都連接（串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)）在這個逆變器上。單串式逆變系統(tǒng)中包含多個并聯(lián)分支串，每個分支串都配有獨立的光伏逆變器。而多串式逆變系統(tǒng)是由單串式結構發(fā)展而來，它是在每個分支串上增加了一級 DC/DC 直流變換器，然后所有的 DC/DC 直流變換器再連接在同一個并網(wǎng)光伏逆變器上。為了簡化，光伏電源采用等效模型，，以便于分析與仿真。   光伏陣列是由一定數(shù)量的光伏模塊串、并聯(lián)組成的，光伏模塊是一定數(shù)量的光伏電池串、并聯(lián)組成的。光伏電池是基于電流源進行模型等效的，如圖 2-2 所示。光伏電池在光照情況下產(chǎn)生直流電流，直流電流與光照強度是呈線性相關的。但是，光伏電池輸出 I-V 特性呈現(xiàn)高度的非線性特性，原因主要是反并聯(lián)二極管及所產(chǎn)生的反并聯(lián)電流 Id。圖 2-2 虛線顯示的第二個并聯(lián)二極管適用于更為精確和復雜的光伏電池模型，它考慮了光伏電池中半導體耗盡區(qū)電荷復合的情況。由于光伏電池單二極管模型已經(jīng)能很好反映其電氣特性，所以本文采用較為簡單的單二極管模型。 
........ 

2.2 分布式光伏電源的故障特性分析及仿真
對于光伏電源 MPPT 控制來說，由于電網(wǎng)故障情況下其暫態(tài)穩(wěn)定過程很短，光照和溫度基本保持不變，MPPT 控制對光伏電源故障特性基本沒有影響。 一般而言，IGBT 的過流能力最大不超過其額定電流的兩倍[50]。所以，對于逆變器并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，由于受電力電子器件自身過流能力的限制，一般規(guī)定電網(wǎng)側故障時逆變器提供的電流最大不應超過其額定值的 2 倍。為滿足這一條件，逆變器控制一般會采取限幅環(huán)節(jié)，但這樣會造成故障情況下逆變器交直流兩側功率不平衡，直流側多余的功率會使直流側電壓升高，危及絕緣，損壞直流連接電容。目前，對于當故障情況下逆變器提供電流大于 2倍額定值且逆變器輸出電壓處于低電壓穿越范圍內(nèi)時（小于 0.9pu），普遍的做法是投入直流卸荷電路[51]，以實現(xiàn)逆變型分布式電源故障情況下低電壓穿越。
......... 

第 3 章   大量分布式光伏電源接入對配電網(wǎng)保護的影響 ...... 19 
3.1  光伏電源接入電網(wǎng)相關規(guī)定 ....... 19 
3.2  大量分布式光伏電源接入對配電網(wǎng)站主變保護功能的影響 ......... 21 
3.3  大量分布式光伏電源接入配電網(wǎng)線路保護功能的影響 ........ 29 
3.3.1  光伏電源對相鄰饋線保護的影響 .......... 32 
3.3.2  光伏電源對本饋線保護的影響 ..... 35 
3.4  本章小結 ............ 38 
第 4 章   大量分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后的線路保護策略 ....... 39 
4.1 大量分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后站 110kV 側保護對策 ..... 39 
4.2  新型配電網(wǎng)反時限電流保護 ....... 41
4.3  新型配電網(wǎng)縱聯(lián)電流差動保護 ............ 49
4.4  大量分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后的重合閘與孤島保護策略 ..... 60
4.4.1  重合閘方式選擇 ........... 61 
4.4.2  重合閘時間的整定 ....... 62 
4.5  本章小結 ............ 63 
第 5 章   結論與展望 ............ 65 

第 4 章   大量分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后的線路保護策略

目前，10kV 電網(wǎng)是我國主力配電網(wǎng)，其結構大多是環(huán)網(wǎng)結構，開環(huán)運行。當大量分布式光伏電源接入配電網(wǎng)，傳統(tǒng)單端電源變成了多電源網(wǎng)絡，同時給 110kV 變電站保護及傳統(tǒng)電流保護帶來不可忽視的影響。傳統(tǒng)電流保護的保護范圍、靈敏性因此而發(fā)生變化，導致保護拒動或誤動，非同期重合閘，給配電網(wǎng)的安全、可靠性帶來了極大挑戰(zhàn)。因此，有必要針對目前配電網(wǎng)保護提出應對策略，以適應更多分布式光伏電源的接入。 分布式光伏電源具有很大的隨機性和波動性，保護策略應當適用于無分布式光伏源接入的情況、部分分布式光伏電源接入的情況以及大量分布式光伏電源接入的情況。

4.1 大量分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后站

110kV 側保護對策 本對策主要針對 110kV 線路發(fā)生單相瞬時接地故障情況下，既要保證站主變的安全運行，又要保證中、低壓側供電的可靠性，避免中、低壓側負荷長期失電。主要還應適應大量光伏電源的接入，使光伏電源在 110kV 線路發(fā)生單相瞬時接地故障情況下不大面積離網(wǎng)。 如圖 3-2，原正常供電線路 1-2 改造為成雙回線供電運行方式，且互為備用。線路 1-2 上原有的距離、零序電流保護可升級改造為為允許式方向縱聯(lián)保護，原有距離、零序電流保護作為后備，保護 2 處零序電流定值根據(jù)中、低壓側電源配置情況整定。保護 1 處普通三相重合閘更換為檢線路無壓三相自動重合閘，保護 2 處配置檢線路有壓帶功角測量的自動合閘裝置。

.........
 
結論

近些年能源危機與環(huán)境污染的加劇給可再生能源發(fā)電的發(fā)展提供了良好契機，光伏等新能源發(fā)電的崛起對實現(xiàn)能源電力可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，大量光伏電源接入配電網(wǎng)后極大改變了配電網(wǎng)網(wǎng)絡結構及故障電流分布，給電流保護帶來了較大影響。解決好此類問題對光伏電源乃至其他新能源接入配電網(wǎng)有著非常積極的意義。為此，本文針對大量光伏電源接入配電網(wǎng)后保護的影響及策略進行了研究，主要結論如下：
1） 通過對并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的搭建以及接入配電網(wǎng)后進行仿真分析，光伏電源可等效為壓控電流源。即當其并網(wǎng)點電壓在 0.5pu~1.1pu 時，光伏電源等效為恒有功功率電源；當其并網(wǎng)點電壓在 0pu~0.5pu 時，光伏電源等效為恒電流電源�？傊�，光伏電源提供注入電網(wǎng)電流的能力最大不超過其額定電流的 2 倍。 
2） 通過搭建 110kV 變電站模型和 10kV 配電網(wǎng)模型以及光伏電源接入配電網(wǎng)后對站主變零序電壓保護、輸電線路零序電流保護、饋線線路電流保護等影響的仿真分析，大量光伏電源接入可能造成輸電線路瞬時不對稱故障時站主變零序電壓保護動作跳開主變?nèi)齻乳_關，造成中、低壓側失去負荷；大量光伏電源接入可能造成輸電線路瞬時不對稱故障時相關零序電流保護誤動；大量光伏電源接入可能造成饋線線路電流保護反方向誤動、超范圍誤動、保護拒動、靈敏度降低等。 

3） 根據(jù)大量光伏電源接入配電網(wǎng)后帶來的相關保護影響，提出了相應對策或方案。為解決對站主變零序電壓及零序電流保護的影響，建議 110kV 輸電線路改造為雙回線路供電結構且配置允許式方向縱聯(lián)保護，這樣不僅可保證中、低壓側負荷供電可靠性，而且可以保證光伏電源的利用率。對大量光伏電源接入配電網(wǎng)后，當饋線某處故障光伏電源不同時離網(wǎng)造成保護測量電流出現(xiàn)變化，反時限電流保護可以做出相應改進，即通過測量電流變化改變保護動作跳閘時間的方法。對大量光伏電源接入配電網(wǎng)后，提出簡單、可靠且經(jīng)濟的電流差動保護方案，即通過增加投資較低的單通道通信裝置，相鄰保護構成差動單元，使用主從通信乒乓算法簡化的故障信號同步方法，由主機保護控制切除故障區(qū)段。對重合閘方式的選擇和重合閘時間的整定，以及重合閘在大量光伏電源接入情況下使用存在的問題做出了分析。本文對光伏電源的故障電流特性及含大量光伏電源配電網(wǎng)保護影響及策略進行了探索、仿真和研究分析，并對相關的保護策略進行了比較。因為本人時間和能力有限，所以論文所做的工作還有待進一步完善，現(xiàn)對論文工作做如下展望。 

參考文獻：（略）

本文編號：42769