大型光伏電站匯集系統(tǒng)的故障特性及其線路保護(hù)
2017-6-5 10:02:18??????點(diǎn)擊：
新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))的研究人員賈科、顧晨杰、畢天姝、魏宏升、楊奇遜，在2017年第9期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，集中式與分布式光伏系統(tǒng)在拓?fù)浜涂刂粕系娘@著區(qū)別,造成兩者故障特性的不同,導(dǎo)致現(xiàn)有含分布式光伏的配電網(wǎng)故障分析方法和保護(hù)原理在集中式光伏電站匯集系統(tǒng)中無法適用。
為此,針對(duì)廣泛應(yīng)用于集中式光伏逆變器中的正負(fù)序雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流控制器,計(jì)及直流側(cè)光伏電池板電源特性影響,推導(dǎo)出不同控制目標(biāo)下故障電流統(tǒng)一表達(dá)式。
在此基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)數(shù)據(jù),考察850 MW大型光伏電站內(nèi)35kV匯集線路的電流保護(hù)性能,證明架空線下游電流保護(hù)存在不能正確動(dòng)作現(xiàn)象,同時(shí)提出距離保護(hù)新配置方案。
在PSCAD/EMTDC中搭建光伏電磁暫態(tài)詳細(xì)模型并利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性,大量仿真實(shí)例證明了新保護(hù)配置的有效性。研究結(jié)果為大型光伏電站匯集系統(tǒng)保護(hù)配置提供參考。
為了解決日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境問題，并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)得到迅速發(fā)展，2015年我國(guó)新增光伏發(fā)電裝機(jī)量約15GW，全國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到約43GW，超越德國(guó)成為全球光伏累計(jì)裝機(jī)容量最大的國(guó)家，其中超過80%為場(chǎng)站級(jí)光伏發(fā)電。
光伏電站采用分散逆變、就地升壓和集中并網(wǎng)的系統(tǒng)，站內(nèi)匯集系統(tǒng)包含多條匯集線路，其保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作與否直接關(guān)系到光伏電站的發(fā)電效率，具有重要研究意義。
光伏電站接入電網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范明確要求大中型光伏電站應(yīng)具備低電壓穿越能力，從而給光伏側(cè)保護(hù)留出充裕的動(dòng)作時(shí)間。光伏自身電源特性和逆變器并網(wǎng)接口的形式，導(dǎo)致其故障電流特征與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)差異較大。光伏電源自身出力的間歇性和隨機(jī)波動(dòng)性造成故障電流難以預(yù)測(cè)，電力電子器件的應(yīng)用造成故障電流特征不明確且幅值受限。
上述原因?qū)е铝斯收戏治龇椒肮收嫌?jì)算模型的不明確，給保護(hù)配置帶來了挑戰(zhàn)。掌握光伏電源的故障特性是研究光伏電站內(nèi)保護(hù)的基礎(chǔ)，而光伏逆變器作為全功率變流器，其故障電流特征基本取決于采用的故障穿越控制策略。
針對(duì)站用光伏逆變器中常用的正、負(fù)序分離的電流控制器，現(xiàn)有文獻(xiàn)根據(jù)不同的控制目標(biāo)提出了相應(yīng)的故障穿越控制策略: ①以抑制有功功率和直流母線電壓波動(dòng)為控制目標(biāo)，并網(wǎng)電流伴有負(fù)序分量，無功功率波動(dòng)較大; ②以抑制負(fù)序電流為控制目標(biāo)，有功功率和無功功率出現(xiàn)等幅波動(dòng)，波動(dòng)幅值為文獻(xiàn)［7］中無功功率波動(dòng)幅值的一半; ③以抑制有功功率和無功功率波動(dòng)為目標(biāo)［9］，但并網(wǎng)電流出現(xiàn)畸變等。
由此可見，現(xiàn)有系統(tǒng)中逆變器控制具有多樣性，現(xiàn)場(chǎng)需要根據(jù)實(shí)際接入情況選擇具體控制來協(xié)調(diào)功率和電流質(zhì)量，給故障分析計(jì)算增加了難度。同時(shí)，現(xiàn)有研究逆變器接口電源的文獻(xiàn)大都借鑒了永磁風(fēng)機(jī)的分析結(jié)論，認(rèn)為故障后短時(shí)間內(nèi)直流側(cè)等值電源提供的功率不變，忽略了站用單級(jí)式光伏系統(tǒng)中光伏電池板對(duì)故障的快速響應(yīng)特性，其故障暫態(tài)特性將與永磁風(fēng)機(jī)不同，相比而言暫態(tài)過程極短。
文獻(xiàn)［11］在研究正、負(fù)序電流控制時(shí)雖然考慮了光伏電池板特性，但僅說明直流側(cè)不需要額外的卸荷措施，沒有進(jìn)一步分析對(duì)故障電流的影響。針對(duì)單級(jí)式光伏系統(tǒng)，現(xiàn)有文獻(xiàn)在分析故障電流的同時(shí)均未考慮光伏電池板特性對(duì)故障電流的影響。
目前關(guān)于光伏電源接入電網(wǎng)的保護(hù)研究集中在含分布式光伏的配電網(wǎng)中，對(duì)于相同電壓等級(jí)的光伏電站內(nèi)匯集系統(tǒng)的保護(hù)研究較少?，F(xiàn)有研究重點(diǎn)考慮分布式光伏出力隨機(jī)波動(dòng)、短路電流受限的特點(diǎn)，以及不同的接入容量、位置對(duì)傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)的影響。
分布式光伏電源模型多采用基于正序分量的控制策略，視作一個(gè)受并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓控制的電流源，在對(duì)稱和不對(duì)稱故障下均只輸出正序電流。
在此基礎(chǔ)上提出的分布式光伏接入配電網(wǎng)的故障分析方法均認(rèn)為故障前后短時(shí)間內(nèi)有功功率參考值保持不變。在基于本地信息量構(gòu)成的保護(hù)原理研究中，文獻(xiàn)［14］在將光伏電源看作壓控電流源的基礎(chǔ)上結(jié)合方向元件提出了自適應(yīng)電流速斷保護(hù)。
文獻(xiàn)［15］針對(duì)前者在對(duì)稱故障下無法計(jì)算出保護(hù)背側(cè)實(shí)際阻抗的問題提出了自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)。然而，集中式與分布式光伏系統(tǒng)有顯著區(qū)別: ①相較于分布式光伏基于正序分量的控制，集中式光伏采用更復(fù)雜的正、負(fù)序分量同時(shí)控制的策略; ②不同于分布式光伏的兩級(jí)式拓?fù)?，集中式光伏采用單?jí)式拓?fù)洹Ｒ虼耍瑑烧叩墓收咸匦源嬖谳^大區(qū)別。即使大型光伏電站內(nèi)匯集系統(tǒng)與配電網(wǎng)系統(tǒng)有著相似的輻射狀網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有配電網(wǎng)故障分析方法和保護(hù)原理在光伏電站中也難以直接沿用。
同時(shí)，上述文獻(xiàn)均認(rèn)為故障后短時(shí)間內(nèi)光伏電源輸出有功功率能保持不變，這一點(diǎn)針對(duì)單級(jí)式光伏系統(tǒng)不再適用，單級(jí)式光伏系統(tǒng)需要計(jì)及光伏電池板的故障響應(yīng)特性。由于光伏電池板沒有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，當(dāng)兩端電壓發(fā)生變化時(shí)，輸出功率能夠瞬時(shí)變化，對(duì)電網(wǎng)故障響應(yīng)迅速。
基于現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)光伏電站故障特性和保護(hù)研究存在的不足，本文推導(dǎo)了站用光伏逆變器在不同控制策略下，適用于對(duì)稱和不對(duì)稱故障情況的故障電流統(tǒng)一表達(dá)式，與現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，證明了所提統(tǒng)一表達(dá)式的正確性。
在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析匯集系統(tǒng)中階段式電流保護(hù)性能，證明了其存在的不足，并提出了距離保護(hù)的新配置方案，所提保護(hù)方案不受背側(cè)光伏電源影響，從而正確動(dòng)作。
圖1 大型光伏電站匯集系統(tǒng)拓?fù)鋱D
結(jié)論
本文首先推導(dǎo)出適用于多種控制目標(biāo)的站內(nèi)光伏逆變器故障電流統(tǒng)一計(jì)算式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行采用的控制進(jìn)行故障電流特征分析，在此基礎(chǔ)上分析站內(nèi)現(xiàn)有電流保護(hù)的適應(yīng)性，針對(duì)其不足提出了距離保護(hù)新配置方案。
傳統(tǒng)含分布式光伏的故障電流分析方法和保護(hù)整定計(jì)算中認(rèn)為分布式光伏采用基于正序分量的控制，故障前后短時(shí)間內(nèi)有功功率參考值不變。而光伏電站內(nèi)光伏系統(tǒng)的逆變器結(jié)構(gòu)、控制與分布式光伏有所不同，故障特性也有所不同，且仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都表明故障期間光伏電池板電源特性有助于抑制故障電流幅值，不能忽略光伏電池板對(duì)故障的響應(yīng)特性，導(dǎo)致現(xiàn)有故障分析和保護(hù)整定方法不適用。
對(duì)此，本文結(jié)合站用匯集系統(tǒng)故障電流特征提出的距離保護(hù)代替匯集系統(tǒng)架空線下游電流保護(hù)的方案，在解決現(xiàn)有保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)問題的同時(shí)，可以有效避免光伏側(cè)短路電流門檻值整定的問題，且不受光伏出力條件影響，有一定的實(shí)際工程價(jià)值。
附表 1 匯集系統(tǒng)保護(hù)具體整定配合原則
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