大容量逆变型分布式电源接入对配电网单相接地检测的影响_姜淼.pdf

第 42 卷 第 2 期2023 年2 月Zhejiang Electric PowerVol.42，No.02Feb.25.2023大容量逆变型分布式电源接入对配电网单相接地检测的影响姜淼，石勇，徐光福，侯炜（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）摘要：大容量IIDG（逆变型分布式电源）接入配电网之中会影响单相接地的检测，危害配电网的安全稳定运行。根据IIDG特性和序网理论，给出小电流接地系统中发生单相接地时故障电流和线路零序电流的理论计算方法，得出IIDG的基波和谐波分量会影响故障点电流以及线路零序电流的结论。通过仿真分析了零序电流采样谐波含量高对单相接地判断的影响以及小波包算法对高谐波采样的适应性，说明了含大容量IIDG的配电网中接地选线校核的重要性，得出了基于小波包算法的接地选线算法在IIDG渗透率更高的配电网中适应性较好的结论。关键词：逆变型分布式电源；单相接地故障；序分量；小波包DOI:10.19585/j.zjdl.202302002 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Analysis of the impact of large capacity IIDGs on single-phase grounding detection of distribution networksJIANG Miao，SHI Yong，XU Guangfu，HOU Wei（NR Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211102，China）Abstract:With its connection to distribution networks，the inverter-interfaced distributed generators（IIDGs）affect single-phase grounding detection and jeopardize their safe and stable operation.Based on the characteristics of IIDGs and sequence network theory，the theoretical calculation method of fault current and zero-sequence current in case of single-phase grounding in the small-current grounding system is given.It is concluded that the fundamental and harmonic components of IIDGs can influence the current at the fault point and zero-sequence current of the line.The impact of the high harmonic content of zero-sequence current sampling on single-phase grounding judgment and the adaptability of wavelet packet algorithm to high harmonic sampling are analyzed through simulation.The significance of grounding line selection and calibration in distribution networks containing large capacity IIDGs is illustrated.Moreover，the grounding line selection algorithm based on the wavelet packet algorithm shows greater adaptability in distribution networks with higher IIDG penetration.Keywords:IIDG；single-phase grounding fault；sequence component；wavelet packet0引言随着分布式电源尤其是以光伏、储能为代表的IIDG（逆变型分布式电源）大量接入配电网1-5，配电网从无源变为有源，故障情况下系统电压电流分布都会发生变化。目前绝大多数配电网系统为小电流接地系统，小电流系统中单相接地判别本身就是一项极具挑战性的工作，随着IIDG渗透率的提高，接地选线的有效性需要进一步验证。小电流接地系统中，发生单相接地后故障电流小，尤其是接入消弧线圈后故障线路与非故障线路电压、电流稳态量没有实质性差别，只能从谐波、暂态分量等方面着手解决6-10。IIDG接入后系统拓扑结构发生变化，故障发生时IIDG将会向故障点注入电流，进而影响保护采样、熄弧时间等。目前关于IIDG接入对接地选线影响的研究较少，且研究背景多为小容量IIDG接入，缺乏对大容量IIDG接入影响的分析推演。随着整县光伏等工程的兴起，大容量IIDG接入配电网已是大势所趋，对接地故障检测影响的研究十分必要。文献基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFE0200400）第 42 卷11 详细推导了多种故障情况下含分布式电源的故障序网，得出了分布式电源对接地影响很小的结论，分析过程具有借鉴意义，但是忽视了分布式电源渗透率提高后对接地点漏电流的影响；文献 12 研究了分布式电源接入后谐波分量对接地选线的影响，得出了分布式电源会影响谐波选线原理的结论；文献 13 分析了分布式电源对各种故障序分量的影响，但是缺乏对非故障线路影响的分析；文献 14 从理论角度分析了含分布式电源单相接地故障后的暂态过程，但是缺乏对暂态保护算法详细的分析验证。本文首先给出含IIDG的配电网发生接地故障时的基波和谐波序网，接着分析了IIDG对故障点电流和本线路零序电流的影响，最后仿真验证了理论分析的结论。1含IIDG的配电网接地选线在图1所示的小电流接地配电网系统中，接地选线装置通过采集线路电流、母线电压等来判断接地线路15。在线路L1中接入IIDG后，故障点F1F3分别发生故障，IIDG会改变系统电流电压分布，可能影响接地选线的正确性。IIDG对单相接地故障的影响具体表现在：对故障点电流的影响，增大故障电流会导致熄弧困难等问题；对接地选线装置线路零序电流采样的影响，基波和谐波分量的变化会造成接地选线的拒动或者误动。考虑到现有小电流接地系统中，由于发生单相接地故障时工频量变化不显著，所以实际运行中较少采用工频原理的选线方法，而是主要采用基于暂态量的小波包算法16进行选线，小波包算法是否受到 IIDG 影响也需要进一步验证。2IIDG基波分量对单相接地的影响根据序网理论17，IIDG接入配电网后相当于在正序网中增加了电流源2，18-19，文献 2 中根据LVRT（低电压穿越）控制策略将IIDG建模成压控流源。考虑到现场只有部分IIDG采用LVRT，尤其是很多 380 V 光伏没有这种故障穿越策略20，为不失一般性，本文将IIDG统一建模成独立电流源。根据电路替代定理21，将压控流源的IIDG等效为相同电流值的独立电流源不影响外电路特性，即本文根据IIDG独立电流源模型推出的结论对压控流源模型同样适用。由单相接地故障边界条件，正、负、零序网呈串联关系，即正、负、零序电流相等，故障点电流为整个系统零序电流。IIDG接入位置不同，对故障点以及保护测量处电压电流影响也不同，所以讨论IIDG 对接地选线的影响，分为IIDG接入故障点上游、IIDG接入故障点下游、IIDG接入故障点相邻馈线3种情况分别进行讨论。在图1所示的小电流接地系统中，设大系统电压为ES，系统内阻、传输线路阻抗与变压器T1阻抗之和为ZST，变压器T1励磁阻抗为ZST。变压器T1经消弧线圈接地，T1中性点与地之间阻抗为ZAS。若配置消弧线圈，则ZAS为故障发生时消弧线圈投入阻抗；若T1不接地，则ZAS为无穷大。母线上存在两条馈线，L1线路阻抗为ZL1、对地电容为 ZLC1，L2 线路阻抗为 ZL2、对地电容为 ZLC2，短路点F距离首端长度与线路总长度之比为（01），故障过渡阻抗为RF。IIDG经变压器T2从线路L1中接入系统，T2高低侧漏抗之和为ZT2，变压器T2为Y/接线，起到了隔离零序量的作用。IIDG等效为可控电流源IDG，接入点距离首端长度与线路总长度之比为（01）。用下标（1）、（2）、（0）区分正、负、零序阻抗。考虑到3种情况的分析过程基本一致，下面以IIDG接入故障点上游（）为例详细推导故障电流计算方法，其他两种情况直接给出结论。在图1系统中F1点发生单相接地的故障序网如图2所示，简化后的序网如图3所示。在图3电路中，ZL和ZR定义为：ZL=ZST(1)+ZL1(1)（1）图1 含IIDG接入的典型配电网结构Fig.1Typical distribution network structure with IIDGinjecting10 第 2 期姜淼，等：大容量逆变型分布式电源接入对配电网单相接地检测的影响ZR=(-)ZL1(1)+ZST(2)+ZL1(2)+ZL1(0)+(ZAS(0)/ZLC1(0)/ZLC2(0)+3RF（2）在图3中存在两个电源：系统电源以电压源形式存在，IIDG 以电流源形式存在。根据叠加原理，可以分解成系统电源和IIDG分别作用的两个电路，如图4和图5所示。IIDG对系统的影响体现在IIDG电源单独作用序网中，故障点电流If等于系统电源提供短路电流If1与IIDG提供短路电流If2之和，即If=If1+If2。If1和If2如式（3）所示：I?f1=E?S/(ZL+ZR)I?f2=I?DGZL/(ZL+ZR)（3）故障发生时，保护能够采集到的本线路零序电流I0为：I?0=I?fZLC1(0)-ZAS(0)/ZLC1(0)/ZLC2(0)ZLC1(0)=I?fk?0（4）式（4）的物理含义是故障线路零序电流等于故障点零序电流除去本线路电容电流22。由于在故障期间ZAS（0）、ZLC1（0）、ZLC2（0）不变，故k0为恒定值。且无论T1是否接入消弧线圈都有|k0|0（接入时|k0|1，不接入时1|k0|0），即|If|增大或者减小|I0|会同方向增大或者减小。根据式（3）还可以得到：1）在光伏容量不大的情况下，有ZR（ZAS（0）/ZLC1（0）/ZLC2（0）ZL，If20，所以 IIDG 不会对下游单相接地的故障电流产生实质性影响，同时IIDG也不会对线路首端保护零序电流采样产生实质性影响。2）在光伏容量极大的情况下，即便有ZRZL，仍会有少量电流（安培级别）漏到故障回路中；由于小电流接地系统单相接地故障电流本来就不大（也是安培级别），IIDG贡献的少量电流会对故障电流产生影响。IIDG输出故障电流If2与系统电源输出故障电流If1之间的夹角关系决定了是助增还是外汲，由故障电流计算公式可以得到：If2与If1的夹角决定于IDGZL与ES之间的夹角，其中ZL由系统内阻、变压器漏抗、线路阻抗组成，呈阻感性。考虑到IIDG正常运行过程中主要是输出有功，IDG与ES相角接近，故If2与If1的夹角小于90，IIDG对故障电流起到助增作用并会增加接地点熄弧难度。IIDG对线路零序电流采样也是起助增作用。IIDG接入故障点下游（故障点F2）、IIDG接入故障点相邻线路（故障点F3）分析方法相同，这里直接给出两种情况下的故障序网，如图6和图7所示。两种情况简化序网相同，如图8所示。两种情况中阻抗定义相同：ZL=ZST(1)+ZL1(1)（5）图2 IIDG 位于故障点上游序网Fig.2Sequence network with IIDG located upstream of the fault point图3 简化序网Fig.3S