分布式新能源接入的10 kV配電網(wǎng)保護(hù)適應(yīng)性分析

袁兆祥, 張翼,聶銘,李猛,和敬涵

(1.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司,北京市 102209;2.國家電網(wǎng)有限公司,北京市 100031;3.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,北京市 100044)

0 引 言

“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃中指出,推動(dòng)電力系統(tǒng)向適應(yīng)大規(guī)模高比例新能源方向演進(jìn),統(tǒng)籌高比例新能源發(fā)展和電力安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。截至2022年底,全國新能源裝機(jī)容量達(dá)7.6億kW,占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的29.6%[2-4]。隨著新能源的大力發(fā)展,越來越多的分布式電源(distributed generation, DG)接入配電網(wǎng)就地消納,傳統(tǒng)配電網(wǎng)形態(tài)、功能作用逐步轉(zhuǎn)型[5-8]。

新能源并網(wǎng)換流器故障后內(nèi)電勢(shì)不恒定,電力電子設(shè)備控制策略導(dǎo)致故障電流呈現(xiàn)幅值受限、相角受控的特征,分布式新能源大規(guī)模接入給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn)[9-13]。研究分布式新能源接入的10 kV配電網(wǎng)保護(hù)適應(yīng)性,明晰保護(hù)適應(yīng)性邊界,提升電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[14-17]。

光伏電源并網(wǎng)系統(tǒng)由于特殊的構(gòu)造和控制策略,故障特征與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)存在顯著差異[18-21]:

1)故障后受逆變型電源控制策略的影響,光伏電源提供的故障電流呈現(xiàn)幅值受限、相角受控的特征,不同于傳統(tǒng)電源,對(duì)階段式電流保護(hù)的整定和配合造成影響[22];

2)光伏電源分散接入配電線路,改變了傳統(tǒng)的配電網(wǎng)單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),故障電流流向更加復(fù)雜,給保護(hù)整定、配置帶來諸多問題[23];

3)受光伏容量、控制策略及變壓器中性點(diǎn)接地方式等因素的影響,逆變型電源呈現(xiàn)出“弱饋”特性[24]。

針對(duì)上述光伏電源并網(wǎng)后對(duì)繼電保護(hù)的影響,國內(nèi)外專家進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[24-25]通過在原有階段式電流保護(hù)的基礎(chǔ)上增加方向元件,避免分布式電源接入帶來的反向故障電流導(dǎo)致保護(hù)的誤動(dòng)作。文獻(xiàn)[26]提出低壓反時(shí)限電流保護(hù)方案,通過線路兩側(cè)保護(hù)安裝處的電壓電流信息對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別。文獻(xiàn)[27]提出一種方向過流保護(hù)方法,利用故障前后一個(gè)周期的相位差進(jìn)行對(duì)比,構(gòu)造故障識(shí)別判據(jù)。文獻(xiàn)[28]提出了一種根據(jù)分布式電源出力情況和系統(tǒng)運(yùn)行方式的自適應(yīng)電流保護(hù),提升保護(hù)性能。

綜上所述,現(xiàn)有研究均是定性分析分布式新能源接入配電網(wǎng)對(duì)現(xiàn)有保護(hù)造成的影響,并未定量揭示出新能源電源規(guī)模及接入方式對(duì)保護(hù)性能的影響。因此,亟需針對(duì)分布式新能源接入的10 kV配電網(wǎng)保護(hù)適應(yīng)性展開定量分析。

本文針對(duì)分布式新能源接入的10 kV配電網(wǎng)保護(hù)適應(yīng)性進(jìn)行研究,明晰保護(hù)適應(yīng)性邊界,為保護(hù)新原理的提出奠定理論基礎(chǔ)。首先,分析光伏逆變器的控制結(jié)構(gòu)與故障特性;其次,通過光伏電源接入10 kV配電網(wǎng)的不同位置,推導(dǎo)助增電流、外汲電流、反向電流等對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響;最后,量化光伏電源容量對(duì)現(xiàn)有保護(hù)性能的影響,明晰10 kV配電網(wǎng)保護(hù)性能邊界條件。

1 逆變型電源控制策略與故障特性

1.1 逆變型電源控制策略

并網(wǎng)逆變器的拓?fù)淙鐖D1所示。它由六個(gè)橋臂組成,上、下橋臂組合成為一個(gè)相單元,每個(gè)橋臂中包含一個(gè)絕緣柵雙極晶體管(insulate-gate bipolar transistor,IGBT)和一個(gè)與其反并聯(lián)的二極管。

圖1 逆變型電源拓?fù)鋱DFig.1 Topology of the inverter

圖1中,idc為直流電流,Udc為直流電壓,ipφ和inφ分別為上橋臂和下橋臂三相電流,ugφ和igφ分別為換流器交流側(cè)三相電壓和電流(φ=a, b, c)。

圖2 兩電平VSC控制策略Fig.2 Two-level VSC control strategy

1.2 逆變型電源故障特性

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),逆變器為單位功率因數(shù)運(yùn)行。此時(shí)新能源電源輸出電流為[29]:

(1)

式中:iφ為新能源電源輸出相電流;P為逆變型電源輸出的有功功率;U為端電壓的幅值;γ為端電壓的相位;ω為角速度;t為時(shí)間變量。

根據(jù)圖2寫出d-q軸坐標(biāo)系下控制方程:

(2)

(3)

當(dāng)故障發(fā)生后,逆變型電源一般采用抑制負(fù)序分量的故障穿越方式,體現(xiàn)為受控電流源特征。新能源場(chǎng)站規(guī)定[30],故障期間新能源場(chǎng)站輸出的有功和無功電流應(yīng)滿足:

(4)

式中:ug為光伏并網(wǎng)點(diǎn)的電壓標(biāo)幺值;IN為新能源電源的額定電流;Imax為新能源電源可輸出的最大電流。

求解式(2)和式(3)所示并網(wǎng)電壓方程和控制方程,可以得出短路電流表達(dá)式[31]:

(5)

故障初始時(shí)刻,逆變型電源仍保持故障前的控制環(huán)節(jié),維持有功功率輸出。由于故障后換流器出口處電壓跌落,因此d軸的電流參考值上升,最終式(5)中僅包含d軸分量。此時(shí)故障電流受到比例積分控制器和鎖相環(huán)影響,體現(xiàn)為非工頻特征。

當(dāng)逆變型電源換流器控制策略切換到故障穿越控制后,由式(4)可知,故障電流幅值受限于Imax。與故障初始時(shí)刻不同的是,故障穿越階段q軸的電流分量不為0,故障電流的相位會(huì)跟隨q軸電流分量而變化,導(dǎo)致線路兩側(cè)電流分量存在相位差,可能會(huì)影響傳統(tǒng)保護(hù)的性能。

綜上所述,逆變型電源故障電流呈現(xiàn)幅值受限、相角受控的特征,與同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的故障電流特征存在本質(zhì)差異,亟需針對(duì)分布式新能源接入的10 kV配電網(wǎng)保護(hù)適應(yīng)性進(jìn)行研究,明晰保護(hù)適應(yīng)性邊界,為后續(xù)保護(hù)方案配置提供理論基礎(chǔ)。

2 分布式電源接入配電網(wǎng)故障特性

2.1 助增作用

光伏并網(wǎng)使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由單電源供電輻射狀電網(wǎng)變?yōu)殡p電源甚至多電源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),光伏并網(wǎng)的容量及接入位置還將改變?cè)泄收想娏鞯拇笮『头较颉?0 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)(助增作用)示意圖如圖3所示,其中E1-E4為線路的保護(hù)安裝處,故障點(diǎn)F1發(fā)生在線路3上。含分布式電源接入和無分布式電源接入配電網(wǎng)的等值電路圖如圖4所示。

圖3 10 kV配電系統(tǒng)示意圖(助增作用)Fig.3 10 kV distribution network (infeed current)

圖4 10 kV配電系統(tǒng)等值電路圖(助增作用)Fig.4 Equivalent circuit diagram of 10 kV distribution system (infeed current)

由圖3和圖4可知,當(dāng)分布式光伏不接入配電網(wǎng)時(shí),F2處故障后流過故障點(diǎn)的電流If1為:

(6)

式中:E為系統(tǒng)電源電動(dòng)勢(shì);Zs為系統(tǒng)阻抗;Zl為故障點(diǎn)至E1保護(hù)安裝處等值線路阻抗。當(dāng)分布式光伏接入配電網(wǎng)時(shí),F1處故障后流過故障點(diǎn)電流If2為:

(7)

式中:IDG為故障后光伏電源提供的短路電流。從式(7)可以看出,光伏電源向故障點(diǎn)提供的助增電流主要體現(xiàn)在IDG·Z/(Zs+Zl),當(dāng)助增電流增加到一定程度后可能會(huì)導(dǎo)致F1處故障后,E1的I段電流保護(hù)誤動(dòng)作。

對(duì)E1保護(hù)安裝處I段電流保護(hù)進(jìn)行整定,按照躲過線路2末端最大短路電流整定:

(8)

因此,當(dāng)故障發(fā)生在F1處,若E1保護(hù)安裝處的故障電流大于電流I段保護(hù)定值時(shí),可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。

(9)

(10)

式中:St.max為最大運(yùn)行方式系統(tǒng)短路容量。

當(dāng)光伏容量滿足式(10),可能導(dǎo)致E1的電流I段保護(hù)誤動(dòng)作,擴(kuò)大故障隔離范圍。

2.2 外汲作用

10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)(外汲作用)示意圖如圖5所示,故障點(diǎn)F2發(fā)生在線路1上。含分布式電源接入和無分布式電源接入配電網(wǎng)的等值電路圖如圖6所示。

圖5 10 kV配電系統(tǒng)示意圖(外汲作用)Fig.5 10 kV distribution network (out flowing current)

圖6 10 kV配電系統(tǒng)等值電路圖(外汲作用)Fig.6 Equivalent circuit diagram of 10 kV distribution system (out flowing current)

由圖5和圖6可知,當(dāng)分布式光伏不接入配電網(wǎng)時(shí),F2處故障后流過故障點(diǎn)的電流If1為:

(11)

式中:Z3為光伏接入點(diǎn)至E1保護(hù)安裝處的等值線路阻抗;Z2為故障點(diǎn)至光伏接入點(diǎn)的等值線路阻抗。當(dāng)分布式光伏接入配電網(wǎng)時(shí),F2處故障后流過故障點(diǎn)的電流If2為:

(12)

外汲電流體現(xiàn)在IDG·Z2/(Zs+Z3+Z2),當(dāng)外汲電流增加到一定程度后可能會(huì)導(dǎo)致F2處故障后E1的I段電流保護(hù)拒動(dòng)。

將式(12)中的兩部分相比可以得出保護(hù)的范圍縮減百分比P%。

(13)

因此,保護(hù)范圍縮減百分比與光伏容量、系統(tǒng)短路容量、光伏接入點(diǎn)至故障點(diǎn)的阻抗和系統(tǒng)等值阻抗有關(guān)。當(dāng)保護(hù)范圍縮減到一定程度,將導(dǎo)致F2處故障后E1的I段電流保護(hù)拒動(dòng)。

2.3 反向電流作用

1)新能源接入D點(diǎn),故障點(diǎn)F2。

10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)(反向電流,PV-D)示意圖如圖7所示,故障點(diǎn)F3發(fā)生在線路5上。

圖7 10 kV配電系統(tǒng)示意圖(反向電流,PV-D)Fig.7 10 kV distribution network (reverse current, PV-D)

分布式電源提供的最大短路電流為:

IDG.max=1.5Idn

(14)

式中:Idn為光伏輸出的額定電流。E3的階段式電流保護(hù)第III段的定值整定原則為:

(15)

從式(15)可以看出,當(dāng)線路5在F3處發(fā)生故障,若分布式電源提供的最大短路電流大于E3階段式電流保護(hù)III段定值時(shí),可能造成E3的III段電流保護(hù)誤動(dòng)作,擴(kuò)大事故隔離范圍。將式(14)與式(15)聯(lián)立:

(16)

因?yàn)殡娏髋c容量成正比,用容量表示為:

(17)

當(dāng)光伏接入容量滿足式(17)時(shí),可能導(dǎo)致E3階段式電流保護(hù)第III段誤動(dòng)作。

2)新能源接入B點(diǎn),故障點(diǎn)F3。

10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)(反向電流)示意圖如圖8所示,故障點(diǎn)F3發(fā)生在線路5上。

圖8 10 kV配電系統(tǒng)示意圖(反向電流,PV-B)Fig.8 10 kV distribution network (reverse current, PV-B)

當(dāng)F3處發(fā)生故障,流過E1保護(hù)安裝處的短路電流IDG均由光伏電源提供。如果斷路器E4階段式電流保護(hù)處于正常運(yùn)行狀態(tài),那么當(dāng)F3故障發(fā)生后,E4的階段式電流保護(hù)第I段正確動(dòng)作,光伏電源提供的短路電流不會(huì)對(duì)斷路器E1造成影響。

但是,當(dāng)斷路器E4的階段式電流保護(hù)第I段和第II段因故障退出時(shí),如果故障發(fā)生于F3處,那么光伏電源提供的反向故障電流可能會(huì)導(dǎo)致斷路器E1和斷路器E4的階段式電流保護(hù)第III段同時(shí)動(dòng)作,造成保護(hù)失配。根據(jù)階段式電流保護(hù)第III段整定原則可知,此時(shí)光伏提供的故障電流應(yīng)滿足:

IDG≥Krel·KMs·IL·max

(18)

(19)

當(dāng)光伏容量滿足式(19),可能導(dǎo)致斷路器E1和斷路器E4的階段式電流保護(hù)第III段同時(shí)動(dòng)作,造成保護(hù)失配。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 10 kV配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)

在PSCAD中搭建如圖9所示的分布式能源接入10 kV配電網(wǎng)仿真系統(tǒng),仿真系統(tǒng)參數(shù)如表1所示,仿真系統(tǒng)10 kV主饋線L1中三段式電流保護(hù)定值如表2所示。

表2 階段式電流保護(hù)整定值Table 2 Setting values of stage current protect

圖9 10 kV配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)Fig.9 Simulation system of 10 kV distribution network

3.2 助增電流作用仿真結(jié)果

光伏并網(wǎng)使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由單電源供電輻射狀電網(wǎng)變?yōu)殡p電源甚至多電源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。如圖3所示,當(dāng)故障發(fā)生在10 kV線路L1時(shí),系統(tǒng)電源和光伏一起向故障點(diǎn)饋流,助增電流與光伏電源到系統(tǒng)電源和故障點(diǎn)的電氣距離有關(guān),當(dāng)光伏電源到系統(tǒng)電源的電氣距離越遠(yuǎn),到故障點(diǎn)的電氣距離越近時(shí),助增作用越明顯。仿真采用最小運(yùn)行方式,光伏電源接入容量為10 MW,兩相短路故障發(fā)生于F1處,仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 不接入PV時(shí)出線斷路器E1仿真波形(助增作用)Fig.10 Simulation waveform of circuit breaker E1 when PV is not connected (infeed current)

圖11 接入PV時(shí)出線斷路器E1仿真波形(助增作用)Fig.11 Simulation waveform of circuit breaker E1 when PV is connected (infeed current)

從圖10和圖11可以看出,當(dāng)PV不接入系統(tǒng)時(shí),出線斷路器E1階段式電流保護(hù)第I段未啟動(dòng),通過延時(shí)與分支斷路器E2的保護(hù)進(jìn)行配合。但是當(dāng)PV接入系統(tǒng)時(shí),光伏電源提供的助增電流使得故障電流超過E1的階段式電流保護(hù)第I段定值,即E1和E2同時(shí)斷開,造成E1的誤動(dòng)作,E1處保護(hù)無法通過時(shí)間與E2處保護(hù)進(jìn)行配合,擴(kuò)大了故障隔離范圍。因此,分布式電源提供的助增電流可能會(huì)導(dǎo)致出線斷路器E1和分支斷路器E2的階段式電流保護(hù)失配。

3.3 外汲電流作用仿真結(jié)果

仿真采用最大運(yùn)行方式,光伏外汲作用最為明顯,光伏電源接入容量為10 MW,兩相短路故障發(fā)生于F2處,仿真結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 不接入PV時(shí)出線斷路器E1仿真波形(外汲電流)Fig.12 Simulation waveform of circuit breaker E1 when PV is not connected (out flowing current)

從圖12和圖13可以看出,當(dāng)PV不接入系統(tǒng)時(shí),故障后流過出線斷路器E1的故障電流超過其階段式電流保護(hù)第II段定值,斷路器于0.55 s左右發(fā)出跳閘信號(hào)。但是當(dāng)PV接入系統(tǒng)時(shí),光伏電源的外汲作用使得流過出線斷路器E1的故障電流減小并低于其階段式電流保護(hù)第II段定值,斷路器于0.81 s左右發(fā)出跳閘信號(hào)。因此,分布式電源的外汲作用可能會(huì)造成階段式電流保護(hù)的靈敏度降低,嚴(yán)重情況下可能造成保護(hù)拒動(dòng)。

3.4 反向電流作用仿真結(jié)果

1)光伏電源接入分支D,故障點(diǎn)F2。

光伏電源接入分支D的配變低壓側(cè),配變?nèi)萘繛? MW,因此當(dāng)光伏容量取3 MW時(shí),可能會(huì)造成分界開關(guān)階段式電流保護(hù)III段誤動(dòng)作。三相短路故障發(fā)生于F2處,仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 接入PV時(shí)出線斷路器E3仿真波形Fig.14 Simulation waveform of circuit breaker E3 when PV is connected

由圖14可以看出,當(dāng)故障發(fā)生后,光伏電源向故障點(diǎn)提供反向電流,流過分界斷路器E3的電流超過了其階段式電流保護(hù)第III段定值,因此斷路器E3誤動(dòng)作。

2)光伏電源接入分支B,故障點(diǎn)F3。

仿真采用最大運(yùn)行方式,光伏電源接入容量為10 MW,光伏接入位置為分支B,三相短路故障發(fā)生于F3處,仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15 出線斷路器E1仿真波形Fig.15 Simulation waveform of circuit breaker E1

由圖15可以看出,當(dāng)故障發(fā)生后,光伏電源向故障點(diǎn)提供反向電流,假設(shè)斷路器E4的階段式電流保護(hù)第I段和第II段因故障退出,那么流過出線斷路器E1的反向電流超過了其階段式電流保護(hù)第III段定值,造成斷路器E1誤動(dòng)作。

4 結(jié) 論

針對(duì)分布式新能源接入配電網(wǎng)的故障機(jī)理及保護(hù)性能邊界尚不明晰,本文面向分布式新能源接入的10 kV配電網(wǎng)保護(hù)適應(yīng)性進(jìn)行量化分析,明晰10 kV配電網(wǎng)保護(hù)性能邊界條件。得出如下結(jié)論:

1)分布式電源接入點(diǎn)的上游線路發(fā)生故障時(shí),分布式電源對(duì)于短路電流有削弱作用。當(dāng)故障電流小于本段保護(hù)整定值時(shí)會(huì)導(dǎo)致原有保護(hù)靈敏度降低,甚至保護(hù)拒動(dòng)。保護(hù)整定時(shí)應(yīng)具體考慮光伏容量、系統(tǒng)短路容量、光伏接入點(diǎn)至故障點(diǎn)的阻抗和系統(tǒng)等值阻抗的影響,合理減小保護(hù)閾值。

2)分布式電源接入點(diǎn)的下游線路發(fā)生故障時(shí),分布式電源對(duì)于短路電流有助增作用。故障電流增大會(huì)使本段線路保護(hù)范圍擴(kuò)大,失去與下一段線路保護(hù)的配合,導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。保護(hù)整定時(shí)應(yīng)具體考慮最大運(yùn)行方式下的系統(tǒng)短路容量與光伏容量,合理增大保護(hù)閾值,避免擴(kuò)大故障隔離范圍。

3)相鄰線路故障時(shí),分布式能源向上游保護(hù)提供反向故障電流,可能引起上游階段式過流保護(hù)誤動(dòng)。保護(hù)整定時(shí)應(yīng)具體考慮光伏接入容量與分支線路配變低壓側(cè)容量以及最大負(fù)荷電流之間的關(guān)系,合理增大保護(hù)閾值,避免上游保護(hù)誤動(dòng)。

本文所得結(jié)論可為后續(xù)10 kV配電網(wǎng)保護(hù)配置方案以及保護(hù)新原理的研究提供理論支撐。然而,當(dāng)分布式新能源多點(diǎn)集中接入配電網(wǎng)時(shí),系統(tǒng)故障特征將更加復(fù)雜,保護(hù)適應(yīng)性有待進(jìn)一步研究。