油田分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆功率保護(hù)仿真研究

荊 峰

勝利石油管理局有限公司電力分公司 山東東營 257000

1 研究背景

為了推動實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo),分布式光伏等新能源發(fā)電在勝利油田得到了大規(guī)模應(yīng)用,勝利油田電網(wǎng)中廣泛接入分布式光伏。在分布式電源大規(guī)模接入的電網(wǎng)中,如果低壓母線直接并聯(lián)形成點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò),那么由低壓接入的分布式電源會引起功率倒送。為保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行,必須驗(yàn)證逆功率保護(hù)的有效性[1]。結(jié)合油田分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn),對于基于正序功率方向的逆功率保護(hù)和基于正序電流相位比較的逆功率保護(hù)分別進(jìn)行電源進(jìn)線故障、低壓母線故障仿真研究,分析分布式光伏接入及負(fù)荷擾動對逆功率保護(hù)的影響。

2 仿真模型

在油田井場內(nèi)建設(shè)分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng),主要用電負(fù)荷為油井生產(chǎn)負(fù)荷。分布式光伏通過接入配電變壓器0.4 kV側(cè),實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。根據(jù)含分布式光伏點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)際工程結(jié)構(gòu),搭建分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型,如圖1所示。仿真模型元件參數(shù)見表1。

表1 仿真模型元件參數(shù)

圖1 分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型

3 逆功率保護(hù)方法

以一個周波時間窗口內(nèi)的電流變化量來確定逆功率產(chǎn)生的原因,將其作為保護(hù)啟動元件的整定量,并通過整定來躲過最大三相負(fù)載啟動引起的電流突變量對保護(hù)的影響[2]。整定值Iset計算式為:

(1)

式中:N為變壓器數(shù)量;Krel1為可靠因數(shù),取1.05～1.1;Kss為綜合自啟動因數(shù),取5～7;IL.max為低壓母線最大三相負(fù)載電流;Pmax為低壓母線最大三相負(fù)載有功功率;UN為低壓母線額定電壓;cosφ為系統(tǒng)運(yùn)行時功率因數(shù)。

將表1數(shù)據(jù)代入式(1),計算得逆功率保護(hù)電流突變量整定值為0.77 kA。

對于基于正序功率方向的逆功率保護(hù)方法,電源進(jìn)線發(fā)生短路故障時,繼電器檢測到電流突變量大于整定值,各電源進(jìn)線均以變壓器指向母線為電流的參考方向,以保護(hù)處正序電壓相位為基準(zhǔn)判斷電流流向,作為正序功率的方向[3]。發(fā)生故障時,若正序電流Ili與正序電壓Uli的相位滿足式(2),則保護(hù)動作。

90°

(2)

式中:i為電源進(jìn)線編號;n為電源進(jìn)線總數(shù)。

而對于基于正序電流相位比較的逆功率保護(hù)方法,電源進(jìn)線發(fā)生短路故障時,故障進(jìn)線中正序電流方向?yàn)閺碾妷耗妇€流向故障點(diǎn),非故障進(jìn)線中正序電流方向?yàn)閺闹袎吼伨€流向低壓母線。故障進(jìn)線與其余進(jìn)線兩兩比較正序電流Ili、Ilj相位,得到的相位差均滿足式(3)時,保護(hù)動作[4]。

90°

1≤i≤n,1≤j≤n,i≠j

(3)

式中:j為電源進(jìn)線編號。

4 故障狀態(tài)仿真

4.1 參考回路故障

以電源回路1作為正序電流相位參考回路,時間為6 s時,電源回路1發(fā)生三相短路故障,測量并計算非參考回路,即電源回路2、3與電源回路1的正序電流相位差,如圖2所示。ph12代表電源回路1與電源回路2的正序電流相位差,ph13代表電源回路1與電源回路3的正序電流相位差。

圖2 電源回路1三相短路故障時正序電流相位差

由圖2可以判斷,電源回路1發(fā)生三相短路故障,向電源回路1的斷路器發(fā)送跳閘信號,其余電源回路的繼電器在一定時間后自動返回。可見,參考回路發(fā)生故障時,逆功率保護(hù)可以可靠動作[5]。

4.2 非參考回路故障

時間為6 s時,電源回路2發(fā)生三相短路故障,各電源回路繼電器所檢測到的電流突變量如圖3所示。測量并計算非參考回路與電源回路1的正序電流相位差,如圖4所示。

圖3 電源回路2三相短路故障時電流突變量

圖4 電源回路2三相短路故障時正序電流相位差

由圖3可知,電源回路2發(fā)生三相短路故障時,各電源回路繼電器檢測到的電流突變量均大于啟動值,逆功率保護(hù)動作。由圖4可以判斷,電源回路2發(fā)生三相短路故障,向電源回路2的斷路器發(fā)送跳閘信號,其余電源回路的繼電器在一定時間后自動返回?？梢?非參考回路發(fā)生故障時,逆功率保護(hù)可以可靠動作。

4.3 低壓母線故障

時間為6 s時,低壓母線發(fā)生三相短路故障,測量并計算非參考回路與電源回路1的正序電流相位差,如圖5所示。

圖5 低壓母線三相短路故障時正序電流相位差

由圖5可知,正序電流相位差均為0,逆功率保護(hù)不動作?？梢?當(dāng)?shù)蛪耗妇€發(fā)生三相短路故障時,基于正序電流相位比較的逆功率保護(hù)不會誤動作。

5 負(fù)荷擾動仿真

時間為1 s時,將分布式光伏接入點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)低壓母線中,出力逐步增大,觀測各電源回路正序功率和電流突變量變化。分布式光伏出力變化如圖6所示,電源回路正序功率和電流突變量變化分別如圖7、圖8所示。

圖6 分布式光伏出力變化

圖7 電源回路正序功率變化

圖8 電源回路電流突變量變化

由圖8可知,電流突變量遠(yuǎn)小于整定值,逆功率保護(hù)不動作。與傳統(tǒng)逆功率保護(hù)相比,采用基于正序電流相位比較的逆功率保護(hù),接入電網(wǎng)的分布式光伏容量有大幅度增大[6]。

為了驗(yàn)證逆功率保護(hù)的可靠性,投入最大負(fù)載和電容器作為干擾。電容器容量設(shè)置為30%負(fù)載容量,即0.105 kvar。當(dāng)時間為4 s時,投入最大負(fù)載,各電源回路電流突變量如圖9所示;投入電容器,各電源回路電流突變量如圖10所示。

圖9 投入最大負(fù)載時電流突變量

圖10 投入電容器時電流突變量

由圖9、圖10可知,投入最大負(fù)載和電容器時,各電源回路電流突變量遠(yuǎn)小于保護(hù)整定值,逆功率保護(hù)不會發(fā)生誤動作。

由以上分析可知,油田分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)正常功率倒送時,逆功率保護(hù)不動作。當(dāng)中壓側(cè)發(fā)生故障及變壓器發(fā)生故障時,基于正序功率方向和基于正序電流相位比較的逆功率保護(hù)可以正確動作,保護(hù)電網(wǎng)。

6 結(jié)束語

為保證基于正序功率方向的逆功率保護(hù)和基于正序電流相位比較的逆功率保護(hù)正確運(yùn)行,對油田分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模,研究各類短路故障狀態(tài)下逆功率保護(hù)的有效性,評估系統(tǒng)可接入分布式光伏容量,并分析投入最大負(fù)載和電容器等對電源回路電流突變量的影響,驗(yàn)證兩種逆功率保護(hù)在保證油田分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面的有效性和可靠性。