面向分布式光伏并網(wǎng)的自適應(yīng)距離保護(hù)策略

張 鈺,王 娜,王鵬飛,戴建華,潘功銀,馬夢(mèng)真

(內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司包頭供電公司,內(nèi)蒙古 包頭 014030)

0 引言

隨著風(fēng)電、光伏等可再生發(fā)電在傳統(tǒng)電網(wǎng)中的占比逐漸增加,這類機(jī)組對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響和保護(hù)策略研究成為熱點(diǎn)內(nèi)容。由于光伏電站具有弱電源特性,故障發(fā)生時(shí)過渡電阻對(duì)線路距離保護(hù)的影響更為嚴(yán)重[1],因此,本文針對(duì)含有光伏電站的線路距離保護(hù)進(jìn)行分析。目前,對(duì)過渡電阻影響分析的方法主要有傳統(tǒng)方法、自適應(yīng)方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[2],本文利用自適應(yīng)方法對(duì)距離保護(hù)展開分析。

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

另外,針對(duì)自適應(yīng)距離保護(hù),文獻(xiàn)[8]提出了考慮分布式逆變電源特性的距離Ⅱ段自適應(yīng)保護(hù)整定方案;文獻(xiàn)[9]研究了基于故障電流的距離保護(hù)加速動(dòng)作判據(jù);文獻(xiàn)[10]研究了基于模糊匹配的繼電保護(hù)定值比對(duì)?？梢娮赃m應(yīng)距離保護(hù)較適用于含有分布式電源的網(wǎng)絡(luò)中,但目前針對(duì)光伏的自適應(yīng)距離保護(hù)研究較少。

本文建立了可再生能源及負(fù)荷需求響應(yīng)模型,以2階段優(yōu)化模型為目標(biāo),進(jìn)行模型求解,提出改進(jìn)求解算法,并利用仿真分析驗(yàn)證了本文所提模型和算法的有效性。

1 光伏系統(tǒng)距離保護(hù)模型

1.1 光伏聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型

考慮典型的含有光伏機(jī)組的輸電線路模型,如圖1所示。該線路在S和R節(jié)點(diǎn)裝有距離保護(hù)。ES和ZS為光伏機(jī)組機(jī)端電壓和等值阻抗;ER和ZR分別為系統(tǒng)的戴維南等值參數(shù)。

與系統(tǒng)側(cè)保護(hù)RR不同,光伏機(jī)組的參數(shù)會(huì)發(fā)生變動(dòng),影響RS的取值。假設(shè)在距離RS處x的距離發(fā)生A相接地,RS的計(jì)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(cè)值;K0為零序補(bǔ)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(cè)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(fù)序分布因子。

1.2 光伏電站送出線路距離保護(hù)的影響

當(dāng)送出線路區(qū)內(nèi)發(fā)生經(jīng)過渡電阻RF的短路故障,光伏電站側(cè)距離保護(hù)測(cè)量阻抗為

(8)

式中:θ為故障后系統(tǒng)側(cè)電流和光伏電站側(cè)電流的相位差;m為相應(yīng)量的量測(cè)值;RF為故障過渡電阻;Zk為故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的阻抗;IS和IPV分別為系統(tǒng)側(cè)電流和光伏電站側(cè)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(guān),同以往的雙側(cè)電源不同,其角度會(huì)發(fā)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(xiàn)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(tǒng)側(cè)電流較光伏側(cè)電流大很多,這會(huì)導(dǎo)致光伏側(cè)相角改變而量測(cè)阻抗的靈敏度較低,尤其是發(fā)生區(qū)內(nèi)過渡電阻較為明顯的短路時(shí),會(huì)造成距離保護(hù)拒動(dòng)。在圖2中,β表示保護(hù)線路阻抗的阻抗角,而γ表示傳統(tǒng)距離保護(hù)測(cè)量阻抗的阻抗角。

圖2 光伏參數(shù)特性

1.3 單端和雙端距離保護(hù)模型

雙端距離保護(hù)模型按照?qǐng)D1所示的雙端系統(tǒng),距離保護(hù)量測(cè)阻抗計(jì)算如式(8)所示。測(cè)距方法根據(jù)使用的電氣量不同分為單端測(cè)距和雙端測(cè)距。

其中,單端測(cè)距的公式為:

(9)

(10)

雙端測(cè)距的公式為

(11)

2 自適應(yīng)距離保護(hù)模型

2.1 測(cè)距模型

如前所述,光伏電站的等值電源阻抗會(huì)影響RS的計(jì)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(shù)情況下,過渡阻抗RF不為0。為了消除RF對(duì)測(cè)距的影響,本文提出自適應(yīng)距離保護(hù)算法。由于正序網(wǎng)絡(luò)可適用于對(duì)稱和不對(duì)稱故障,因此本文選用正序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,原理如圖3所示。

圖3 光伏序網(wǎng)

若由于RF引起的附加阻抗ΔZ可計(jì)算得到,則S端量測(cè)的阻抗為

(12)

利用基爾霍夫定律,式(12)轉(zhuǎn)化為

(13)

由此可以看出,式(13)與RF無關(guān)。利用雙端測(cè)距電氣量可以得到最終結(jié)果。

若利用單端測(cè)距,則:

V1R=E1R-Z1RI1R

(14)

(15)

2.2 測(cè)距參數(shù)計(jì)算

其中,E1R和Z1R的獲取是難點(diǎn),本文選擇的自適應(yīng)方法的參數(shù)等效如圖4所示。

圖4 參數(shù)等效

Z1R=Zth-Z1L

(16)

E1R=Eth

(17)

則Z1R和E1R可僅用S端的量測(cè)獲得。

計(jì)算I1R時(shí),由于x應(yīng)為實(shí)數(shù),則有

(18)

整理得到:

(19)

(20)

式中:K1～K4均為量測(cè)系數(shù)。

為推導(dǎo)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(jì)算式為

(23)

最終由式(18)得到

(24)

則式(19)轉(zhuǎn)化為求解

(25)

則最終可得I1R的值。

3 算例分析

3.1 系統(tǒng)說明

利用如圖5所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真。光伏陣列數(shù)為60,光照輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2。單個(gè)光伏輸出功率為1.667 MV·A,箱變?yōu)?50 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(zhǎng)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(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

3.2 仿真分析

假設(shè)在距離RS為0.75 pu處發(fā)生A相接地,表1給出了不同故障電阻下的測(cè)試結(jié)果。表1中,按照繼電保護(hù)研究慣例,故障點(diǎn)位置用距離上級(jí)保護(hù)的位置百分?jǐn)?shù)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(jié)果

從表1可以看出,在傳統(tǒng)保護(hù)機(jī)制中,可以檢測(cè)1 Ω的過渡電阻故障,但10 Ω、30 Ω、100 Ω的過渡電阻檢測(cè)失效。而本文方法則能夠有效檢測(cè)各種過渡電阻的情況。

分析線路10-11故障后的故障距離計(jì)算結(jié)果,可以看出故障距離x的計(jì)算準(zhǔn)確度較高。根據(jù)本文模型,故障過渡電阻對(duì)本文模型影響不大。

由于光伏系統(tǒng)參數(shù)對(duì)故障測(cè)距有較大影響,本文針對(duì)10-11線路上0.6 pu距離的30 Ω過渡電阻進(jìn)行分析,光伏電站的輸出分別為100 MW、50 MW、25 MW,得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 光伏機(jī)組參數(shù)對(duì)故障距離的影響

從圖6可以看出,光伏陣列的輸出對(duì)故障測(cè)距的準(zhǔn)確性影響不大,表明本文方法的魯棒性較強(qiáng)。

總體來說,本文采用自適應(yīng)距離保護(hù),能夠有效改善受過度電阻影響較大的誤觸發(fā)距離保護(hù)動(dòng)作的現(xiàn)象。使用本文方法后,送出線路光伏電站側(cè)的距離保護(hù)能夠在區(qū)內(nèi)不同位置發(fā)生不同類型的經(jīng)過渡電阻短路故障后正確動(dòng)作,其抵御過渡電阻的能力得到顯著增強(qiáng),動(dòng)作性能也得到明顯改善。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于自適應(yīng)距離保護(hù)的光伏系統(tǒng)保護(hù)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(hù)的判斷方法,并根據(jù)仿真分析論證了本文所提模型的有效性。研究結(jié)果表明,在這種機(jī)制下,光伏參數(shù)的變化不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。此模型能夠有效解決過渡電阻對(duì)距離保護(hù)的顯著影響,從而提高了保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。