逆变器接口分布式光储系统对配电网变压器中性点电压及间隙保护的影响研究

《IEEE Potentials》：Research on the influence of inverter-interfaced distributed photovoltaic and energy storage on transformer neutral point voltage and gap protection in distribution networks

为解决110 kV输电线路单相接地故障导致间隙接地变压器中性点电压偏移及过电压问题，研究人员开展了逆变器接口分布式光储系统对变压器中性点电压和间隙保护影响的主题研究。通过理论分析和仿真验证，揭示了分布式电源容量与本地负载匹配度、储能配置比例及控制策略对中性点过电压的关键影响，并提出了间隙保护配置建议。该研究为含高比例新能源的配电网安全运行提供了重要理论依据和实践指导。

　　

随着分布式光伏在配电网中渗透率的不断提高，逆变器接口分布式电源(IIDG)的接入给传统电力系统的保护配置带来了新的挑战。特别是在110 kV输电线路发生单相接地故障时，间隙接地变压器的中性点电压会发生偏移，而当线路保护动作切除故障后，如果分布式电源未能及时脱网，可能会持续向故障点提供短路电流，导致中性点过电压(NPOV)问题，严重时甚至会击穿中性点间隙，威胁变压器绝缘安全。

目前，针对变压器中性点电压的研究多集中于传统配电网场景，对含分布式电源的主动配电网关注不足。南方电网供电区域近年来多次出现变压器中性点过电压案例，凸显了这一问题的紧迫性。特别是在光伏出力与本地负载不匹配的情况下，过电压风险显著增加。此外，不同类型的逆变器控制策略（如PQ控制、V/f控制等）也会影响故障期间分布式电源的输出特性，进而对中性点电压产生不同程度的影响。

为系统分析这一问题，研究人员建立了含逆变器接口分布式光伏和储能(IIDPES)的配电网系统模型，重点研究了三方面内容：首先基于复合序网图理论推导了故障发生前后中性点电压的计算公式；其次提出了分布式电源容量与本地负载功率的匹配度概念，分析了临界匹配度与过电压风险的关系；最后探讨了储能配置比例对中性点电压的影响机制，并给出了防止过电压的储能比例选择原则。

仿真结果表明，采用PQ控制的分布式光伏会显著增大中性点电压，而当匹配度k≥1.0816时，中性点电压将超过间隙击穿电压（1.04 p.u.）。对于主从控制的分布式光储系统，储能比例x越大，系统抑制过电压的能力越强。当x>50%时，即使负载功率大幅降低，过电压风险也较小。研究还发现，间隙零序过流保护的动作特性与分布式电源容量密切相关，当分布式电源容量较大时，过流保护更易正确动作。

在研究方法上，本文主要采用了理论建模、数值分析和动态仿真相结合的技术路线。通过PSCAD/EMTDC搭建了详细的配电网电磁暂态模型，设置了包括线路参数、变压器参数、分布式电源容量、负载水平等在内的多组仿真场景，系统验证了理论分析的正确性。

系统模型

建立了含IIDPES的配电网接线结构模型，包括110 kV输电线路、110/10 kV变压器、分布式光储系统等组件，明确了间隙保护和分裂保护的配置位置。

故障后NPV分析

通过复合序网图推导了单相接地故障后故障点零序电压与中性点电压的关系，指出在极端情况下中性点电压可达系统相电压的0.6倍，但通常不会立即引发过电压问题。

QF1跳闸后NPV分析

分析了线路保护动作后IIDPES孤岛运行时的中性点电压特性，发现当光伏出力大于本地负载时，负载阻抗增大将导致中性点电压显著升高，是产生过电压的主要原因。

匹配度对NPV的影响

定义了匹配度k=P_g/P_L，推导了中性点电压随匹配度变化的分段函数表达式，指出当k>1/m²时，中性点电压与匹配度的平方根成正比，过电压风险随k值增大而增加。

储能比例对NPV的影响

建立了储能比例x与匹配度k的数学关系，给出了临界储能比例的计算公式，为工程实践中储能容量配置提供了理论依据。

NPOV对间隙保护的影响

分析了间隙击穿后零序电流的计算方法，发现分布式电源容量越大，间隙零序电流越大，过流保护越容易正确动作。

研究结论表明，逆变器接口分布式光储系统的接入会显著影响变压器中性点电压水平，其中电源与负载的匹配度、储能配置比例和控制策略是关键影响因素。对于仅含PQ控制光伏的系统，当光伏容量较大时必需安装间隙保护；对于主从控制系统，储能比例较大时可考虑不安装间隙保护，但需关注负载剧烈波动场景。该研究为含高比例新能源的配电网变压器中性点保护配置提供了重要技术参考，对保障电网安全稳定运行具有重要意义。