逆变器接口分布式光储系统对配电网变压器中性点电压与间隙保护的影响机理研究

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Research on the influence of inverter-interfaced distributed photovoltaic and energy storage on transformer neutral point voltage and gap protection in distribution networks

本刊推荐：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伏与储能（IIDPES）接入配电网后对变压器中性点电压（NPV）及间隙保护影响的系统性研究。通过理论推导与仿真验证，揭示了功率匹配度（k=Pg/PL）与储能配置比例（x=Pes/Ppv）对NPV的关键作用机制，提出了不同控制策略下间隙保护的配置建议，为高比例新能源接入电网的安全防护提供了重要理论依据。

　　

随着分布式光伏的大规模并网，配电网的故障特性发生深刻变化，传统保护配置面临新挑战。尤其在110 kV输电线路发生单相接地故障时，系统侧保护动作切除故障后，若配电网侧接入逆变器接口分布式发电单元（IIDG），其持续向故障点馈送短路电流可能导致变压器中性点电压（NPV）异常升高，引发中性点过电压（NPOV），威胁变压器绝缘安全。中国南方电网部分供电区域已多次出现此类问题，凸显了研究IIDG并网环境下变压器中性点绝缘防护的紧迫性。

为解决上述问题，发表在《CSEE Journal of Power and Energy Systems》上的论文《Research on the Influence of Inverter-interfaced Distributed Photovoltaic and Energy Storage on Transformer Neutral Point Voltage and Gap Protection in Distribution Networks》由Yuan Wanqi、Li Yongli、Chen Xiaolong等人合作完成。研究团队聚焦于含逆变器接口分布式光伏与储能（IIDPES）的配电网，系统分析了IIDPES在不同控制策略下对110 kV变压器NPV及间隙保护的影响。

研究主要采用了以下关键技术方法：首先，基于复合序网模型理论推导了故障发生及线路保护跳闸后中性点电压的表达式；其次，定义了IIDPES额定容量与本地负荷功率的匹配度（k），并分析了最大短路电流倍数（m）对NPV的分段函数关系；再者，引入了储能配置比例（x）作为关键参数，探讨了其在主从控制模式下平衡功率、抑制NPOV的作用；最后，通过PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，设置了包括PQ控制光伏、主从控制光储系统等多种场景，验证了理论分析的正确性，并综合考虑不同储能比例和负荷波动情况，提出了间隙保护的配置建议。

研究结果主要体现在以下几个方面：

1. 故障后NPV理论分析

基于建立的IIDPES接入配电网系统模型（

），理论分析表明，单相接地故障发生后，故障点零序电压U_f(0)近似等于变压器中性点电压U_n0，其大小主要取决于线路零序与正序阻抗比n，最大值约为0.6倍系统相电压，尚未达到危及绝缘的程度。

2. 保护跳闸后NPV升高机制

线路保护QF1跳闸后，系统主电源被切除，IIDPES进入孤岛运行状态。此时，NPV由IIDPES输出的短路电流I_g(1)和负荷阻抗Z_L(1)决定，即U_n0= I_g(1)Z_L(1)。若IIDPES输出功率P_g大于本地负荷功率P_L（即k>1），负荷阻抗增大将导致NPV显著升高，可能超过间隙击穿电压，引发NPOV问题。其复合序网图如图3所示（

）。

3. 匹配度k对NPV的影响

研究定义了匹配度k = P_g/P_L，并推导出NPV标幺值|U_n0|_r关于k的分段函数关系。当k ≤ 1/m²时，IIDPES输出最大短路电流，|U_n0|_r= m k；当k > 1/m²时，|U_n0|_r= √k。仿真结果表明，当k ≥ 1.0816（击穿电压设为1.04 p.u.）时，NPOV问题发生。|U_n0|_r随P_g增大和P_L减小而显著增大的关系如图4所示（

n0|_r, P_gand P_L.'>）。

4. 储能比例x对NPOV的抑制作用

针对主从控制模式（光伏PQ控制+储能V/f控制），储能（ES）在孤岛运行时负责平衡功率。研究分析了ES未能完全吸收光伏剩余功率导致NPOV的临界条件，并推导出临界储能比例x与匹配度k的关系式：x = (0.9245k - 1) / (1.0755k + 1)（当|U_n0|_r= 1.04 p.u.时）。该关系表明，增大x可有效提升系统抵御NPOV的能力。x与k的临界关系曲线为配置ES比例提供了指导，如图5所示（

n0|_r=1.04 p.u..'>）。

5. NPOV对间隙保护动作的影响

间隙保护主要包括间隙零序过流保护和零序过压保护。研究表明，间隙击穿后流过的零序电流3I_m(0)与NPV及系统阻抗相关。对于PQ控制的光伏，随着P_g增大，3I_m(0)显著增大（

m(0) with different values of P_g.'>）。对于主从控制的IIDPES，3I_m(0)随储能比例x增大而增强（

m(0) with different values of x.'>）。当3I_m(0)超过定值（如100A）时，间隙过流保护应正确动作。

6. 仿真验证与保护配置建议

通过PSCAD/EMTDC仿真（模型见图10，

g| with different matching degrees k.'>），验证了上述理论分析。案例1（PQ控制光伏）表明，低功率光伏在负荷稳定时可能无需配置间隙保护，而高功率光伏则必须安装。案例2（主从控制光储系统）表明，小容量ES需配置间隙保护，而大容量ES（如x>50%）且负荷非极端跌落时，间隙保护可省略。此外，对于负荷不稳定区域，间隙保护至关重要。而对于ES采用PQ（并网）/Vf（离网）控制或所有IIDG采用下垂控制的情况，虽无NPOV风险，但需关注离网后的电压和频率偏差问题。

研究结论与讨论部分强调，IIDPES的接入显著改变了变压器中性点的电压特性，功率匹配度k和储能配置比例x是影响NPV的关键因素。PQ控制的IIDG会显著增大NPV，而主从控制的IIDGs需考虑特定ES比例的影响。该研究不仅深化了对新能源接入下配电网过电压机理的认识，而且为不同控制策略和运行场景下的变压器中性点间隙保护配置提供了具体、可行的指导原则，对于保障高比例可再生能源电网的安全稳定运行具有重要的理论和实践意义。未来研究可进一步关注IIDPES从并网到离网运行瞬态过程中NPV的变化特性。