面向分布式光伏并網的自適應距離保護策略

張 鈺,王 娜,王鵬飛,戴建華,潘功銀,馬夢真

(內蒙古電力(集團)有限責任公司包頭供電公司,內蒙古 包頭 014030)

0 引言

隨著風電、光伏等可再生發電在傳統電網中的占比逐漸增加,這類機組對電網繼電保護的影響和保護策略研究成為熱點內容。由于光伏電站具有弱電源特性,故障發生時過渡電阻對線路距離保護的影響更為嚴重[1],因此,本文針對含有光伏電站的線路距離保護進行分析。目前,對過渡電阻影響分析的方法主要有傳統方法、自適應方法和神經網絡方法[2],本文利用自適應方法對距離保護展開分析。

目前針對含光伏的保護,文獻[3]提出了含高比例分布式光伏的中低壓配電網繼電保護方法;文獻[4]研究了基于故障穿越特性的光伏直流輸電線路保護;文獻[5]研究了針對光伏場站送出線路不對稱短路故障的自適應距離保護原理;文獻[6]研究了分布式光伏電站接入系統后的繼電保護配置;文獻[7]分析了光伏電站中集電線路保護定值整定計算。

另外,針對自適應距離保護,文獻[8]提出了考慮分布式逆變電源特性的距離Ⅱ段自適應保護整定方案;文獻[9]研究了基于故障電流的距離保護加速動作判據;文獻[10]研究了基于模糊匹配的繼電保護定值比對。可見自適應距離保護較適用于含有分布式電源的網絡中,但目前針對光伏的自適應距離保護研究較少。

本文建立了可再生能源及負荷需求響應模型,以2階段優化模型為目標,進行模型求解,提出改進求解算法,并利用仿真分析驗證了本文所提模型和算法的有效性。

1 光伏系統距離保護模型

1.1 光伏聯網系統模型

考慮典型的含有光伏機組的輸電線路模型,如圖1所示。該線路在S和R節點裝有距離保護。ES和ZS為光伏機組機端電壓和等值阻抗;ER和ZR分別為系統的戴維南等值參數。

與系統側保護RR不同,光伏機組的參數會發生變動,影響RS的取值。假設在距離RS處x的距離發生A相接地,RS的計算阻抗為:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:VAS和IAS為RS的A相電壓和電流量測值;K0為零序補償因子;Z1L和Z0L分別為線路SR的正序和零序阻抗;ΔZ為故障阻抗引起的誤差;Z為RS量測的等值阻抗;Z0T為光伏變壓器等值零序阻抗;D0、D1、D2分別為零序、正序、負序分布因子。

1.2 光伏電站送出線路距離保護的影響

當送出線路區內發生經過渡電阻RF的短路故障,光伏電站側距離保護測量阻抗為

(8)

式中:θ為故障后系統側電流和光伏電站側電流的相位差;m為相應量的量測值;RF為故障過渡電阻;Zk為故障點到保護安裝處的阻抗;IS和IPV分別為系統側電流和光伏電站側電流。

從圖2中可以看出,光伏電站的相位角與控制策略有關,同以往的雙側電源不同,其角度會發生變化,通常介于-180°～180°之間。另外,由于光伏電站具有較明顯的弱電源特性,體現為光伏電站整體短路容量較小,因此,在光伏逆變器電流限制的條件下,系統側電流較光伏側電流大很多,這會導致光伏側相角改變而量測阻抗的靈敏度較低,尤其是發生區內過渡電阻較為明顯的短路時,會造成距離保護拒動。在圖2中,β表示保護線路阻抗的阻抗角,而γ表示傳統距離保護測量阻抗的阻抗角。

圖2 光伏參數特性

1.3 單端和雙端距離保護模型

雙端距離保護模型按照圖1所示的雙端系統,距離保護量測阻抗計算如式(8)所示。測距方法根據使用的電氣量不同分為單端測距和雙端測距。

其中,單端測距的公式為:

(9)

(10)

雙端測距的公式為

(11)

2 自適應距離保護模型

2.1 測距模型

如前所述,光伏電站的等值電源阻抗會影響RS的計算阻抗,尤其是在單相接地故障中誤差更為明顯。并且在多數情況下,過渡阻抗RF不為0。為了消除RF對測距的影響,本文提出自適應距離保護算法。由于正序網絡可適用于對稱和不對稱故障,因此本文選用正序網絡進行分析,原理如圖3所示。

圖3 光伏序網

若由于RF引起的附加阻抗ΔZ可計算得到,則S端量測的阻抗為

(12)

利用基爾霍夫定律,式(12)轉化為

(13)

由此可以看出,式(13)與RF無關。利用雙端測距電氣量可以得到最終結果。

若利用單端測距,則:

V1R=E1R-Z1RI1R

(14)

(15)

2.2 測距參數計算

其中,E1R和Z1R的獲取是難點,本文選擇的自適應方法的參數等效如圖4所示。

圖4 參數等效

Z1R=Zth-Z1L

(16)

E1R=Eth

(17)

則Z1R和E1R可僅用S端的量測獲得。

計算I1R時,由于x應為實數,則有

(18)

整理得到:

(19)

(20)

式中:K1～K4均為量測系數。

為推導I1R,本文考慮A相接地故障,則有:

IF=I0F+I1F+I2F=3I1F

(21)

I1F=I1S+I1R

(22)

I1F的相角β計算式為

(23)

最終由式(18)得到

(24)

則式(19)轉化為求解

(25)

則最終可得I1R的值。

3 算例分析

3.1 系統說明

利用如圖5所示系統進行仿真。光伏陣列數為60,光照輻射強度為1 000 W/m2。單個光伏輸出功率為1.667 MV·A,箱變為150 MV·A,XT=0.06 pu。線路11-10的正序阻抗為20.625Ω,零序阻抗為65.88 Ω,線路長度為80 km,正序電容為7.05 nF/km,零序電容為4.68 nF/km。

圖5 IEEE 33節點系統

3.2 仿真分析

假設在距離RS為0.75 pu處發生A相接地,表1給出了不同故障電阻下的測試結果。表1中,按照繼電保護研究慣例,故障點位置用距離上級保護的位置百分數表示,故障類型分為A相接地(AG)、BC兩相短路(BC)、BC兩相接地短路(BCG)、ABC三相短路(ABC)。

表1 故障判斷結果

從表1可以看出,在傳統保護機制中,可以檢測1 Ω的過渡電阻故障,但10 Ω、30 Ω、100 Ω的過渡電阻檢測失效。而本文方法則能夠有效檢測各種過渡電阻的情況。

分析線路10-11故障后的故障距離計算結果,可以看出故障距離x的計算準確度較高。根據本文模型,故障過渡電阻對本文模型影響不大。

由于光伏系統參數對故障測距有較大影響,本文針對10-11線路上0.6 pu距離的30 Ω過渡電阻進行分析,光伏電站的輸出分別為100 MW、50 MW、25 MW,得到的結果如圖6所示。

圖6 光伏機組參數對故障距離的影響

從圖6可以看出,光伏陣列的輸出對故障測距的準確性影響不大,表明本文方法的魯棒性較強。

總體來說,本文采用自適應距離保護,能夠有效改善受過度電阻影響較大的誤觸發距離保護動作的現象。使用本文方法后,送出線路光伏電站側的距離保護能夠在區內不同位置發生不同類型的經過渡電阻短路故障后正確動作,其抵御過渡電阻的能力得到顯著增強,動作性能也得到明顯改善。

4 結束語

本文提出一種基于自適應距離保護的光伏系統保護模型。通過本文的研究,說明了在含有光伏電站等條件下距離保護的判斷方法,并根據仿真分析論證了本文所提模型的有效性。研究結果表明,在這種機制下,光伏參數的變化不會對系統造成影響。此模型能夠有效解決過渡電阻對距離保護的顯著影響,從而提高了保護系統的穩定性。