大型光伏电站内汇集系统线路保护方法与流程

本发明属于新能源发电并网
技术领域：
，特别涉及到一种大型光伏电站内汇集系统线路保护方法。
背景技术：
：为了解决日益严峻的能源危机和环境问题，并网光伏发电技术得到迅速发展。光伏电站大都采用分散逆变、就地升压和集中并网的系统，一个大型光伏电站需要数百个光伏发电单元汇集而成。站内汇集系统包含多条汇集线路，其保护准确动作与否直接关系到光伏电站的发电效率，具有重要研究意义。光伏电站接入电网的技术规范明确要求大中型光伏电站应具备低电压穿越能力，从而给光伏侧保护留出充裕的动作时间。然而光伏自身的电源特性和逆变器并网接口的形式，导致其故障电流特征与传统同步发电机差异较大。光伏电源出力的间歇性和随机波动性造成故障电流难以预测，电力电子技术的应用涉及到控制和限流的问题，造成故障电流特征不明确和故障电流幅值受限。上述原因导致了故障分析方法及故障计算模型的不明确，给保护配置带来了挑战。而目前关于光伏电源接入电网的保护研究集中在含分布式光伏的配电网中，对于相同电压等级的场站内光伏保护研究较少。然而，分布式和集中式光伏系统有显著区别：1)相较于分布式光伏基于正序分量的控制，集中式光伏采用更复杂的正负序分量同时控制的策略；2)不同于分布式光伏的两级式拓扑，集中式采用单级式拓扑。因此，两者的故障特性存在较大区别。即使大型光伏电站汇集系统与配电网系统有着相似的辐射状网络，现有配电网含光伏电源的故障分析方法和保护原理在光伏电站中也难以直接沿用。同时，现有文献均认为故障后短时间内光伏电源输出有功功率能保持不变，这一点针对单级式光伏系统不再适用，单级式光伏系统需要计及光伏电池板特殊的电源特性。由于光伏电池板没有转动惯量，当两端电压发生变化时，输出功率能够瞬时变化，对电网故障响应迅速。因此，有必要研究光伏电站内故障电流特征及现有电流保护的适应性情况，提出更适合站内运行控制的保护方案。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明提出了一种大型光伏电站内汇集系统线路保护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、针对集中式光伏逆变器采用的正负序双同步旋转坐标系电流控制器，计及直流侧光伏电池板电源特性影响，得到不同控制目标下故障电流统一表达式；步骤2、基于步骤1的故障电流统一表达式对光伏站内故障电流特征进行分析，并根据站内实际运行控制方式，分析站内现有35kV汇集线路的电流保护性能；步骤3、针对站内架空线下游光伏侧电流保护不能正确动作的问题，结合站内故障电流特征，提出距离保护替代架空线下游光伏侧电流保护的配置方案。所述步骤1中，光伏电池板电源特性为：I=IL-I0{exp[qc(V+IRs)AKT]-1}-V+IRsRsh]]>式中，I为光伏电池板输出电流；V为光伏电池板两端电压；IL为光伏电流；I0为反向保护电流；qc为电子电荷；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；A为二极管因子；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻。步骤1中光伏逆变器采用正负序双同步旋转坐标系电流控制器时，在不对称电压条件下，逆变器向电网注入的瞬时功率为式中，P0和Q0分别为瞬时有功功率和无功功率的平均直流分量，而Pc2和Ps2为瞬时有功功率中二倍频分量幅值，Qc2和Qs2为瞬时无功功率中的二倍频分量幅值；P表示逆变器注入电网的瞬时有功功率；Q表示逆变器注入电网的瞬时无功功率；ω表示工频角速度；t表示时间；以上6个功率幅值表示为：P0Pc2Ps2Q0Qc2Qs2=32ed+eq+ed-eq-ed-eq-ed+eq+eq--ed--eq+ed+eq+-ed+eq--ed-eq--ed-eq+-ed+-ed--eq-ed+eq+id+iq+id-iq-]]>式中，和为并网点电压d、q轴正序分量，和为并网点电压d、q轴负序分量；和为并网电流d、q轴正序分量，和为并网电流d、q轴负序分量；选择其中4个功率分量幅值进行控制，或者直接以抑制负序电流为控制目标；根据不同控制目标的参考电流计算式整理合并得到：id+*iq+*id-*iq-*=23ed+eq+eq+-ed+-ρed-ρeq--ρeq--ρed-P0*DQ0*E]]>式中，和为并网参考电流d、q轴正序分量，和为并网参考电流d、q轴负序分量；有功功率参考指令值、无功功率指令值；中间变量中间变量中间变量ρ＝0，±1；根据不同的注入电流控制目标，选择相应的ρ，得到对应的注入电流参考值；ρ＝1时，以达到抑制有功功率和直流母线电压波动的目标；ρ＝-1时，以达到抑制无功功率波动的目标；ρ＝0时，以抑制负序电流为目标，从而保证注入电网电流的三相对称性。得到光伏逆变器注入电网的正序和负序短路电流幅值(标幺值)：|Idq+|=|Edq+|·(P0*D)2+(Q0*E)2|Idq-|=|ρ|·|Edq-|·(P0*D)2+(Q0*E)2]]>式中，为并网电流正序分量幅值，为并网电流负序分量幅值，并网点电压正序分量幅值并网点电压负序分量幅值结合故障期间光伏发电单元实际提供的视在功率，得到：|Idq+|=1γEm(P0′1-ρβ2)2+(Q0′1+ρβ2)2|Idq-|=βγEm|ρ|(P0′1-ρβ2)2+(Q0′1+ρβ2)2]]>式中，γ为正序电压跌落系数，Em为故障前并网点电压幅值，β＝|Edq-|/|Edq+|为电压不平衡度；P0′为故障期间光伏发电单元提供的有功功率直流分量，Q0′故障期间光伏发电单元提供的无功功率直流分量；得到三相故障电流表达式：式中，Ia、Ib及Ic分别问三相故障电流；中间变量中间变量中间变量与并网点负序电压相角直接相关。站内实际运行控制方式为：光伏电站配有静止无功发生器补偿站内变压器和线路上的无功功率损耗，故障期间提供无功支撑母线电压，因此故障前后光伏发电单元均不提供无功功率，且站内光伏逆变器采用了抑制负序电流以保证三相并网电流对称的控制策略，因此有Q0′＝0和ρ＝0；简化后的故障电流同一表达式为：Ia=P0′γEmsin(ωt+π2+θ+)Ib=P0′γEmsin(ωt-π6+θ+)Ic=P0′γEmsin(ωt+7π6+θ+)]]>所述步骤3中提出距离保护替代架空线下游光伏侧电流保护的配置方案具体为：距离保护的整定原则ZsetI=Krel.IZ1(Krel.I=85%)ΔtI=0sZsetII=Krel.IIZ1(Krel.II=1.2)ΔtII>0.9s,]]>其中，Z1为架空线全长正序阻抗，为距离保护I段整定值；为距离保护II段整定值；Krel.I为距离保护I段可靠系数；Krel.II为距离保护II段可靠系数；ΔtI为距离保护I段动作延时；ΔtII为距离保护II段动作延时。有益效果(1)避免了靠近汇集电缆出口处故障时可能误动的情况；(2)架空线上故障时，光伏侧保护能够准确动作将光伏系统与故障隔离；(3)不受光伏出力条件影响，且不受控制策略影响。附图说明图1为本发明的大型光伏电站内汇集系统线路保护方法流程图；图2大型光伏电站汇集系统拓扑示意图；图3汇集系统故障示意图；图4架空线中点发生BC两相短路故障时架空线下游电流保护动作情况(故障线路)；图5架空线中点发生BC两相短路故障时架空线下游电流保护动作情况(相邻非故障线路)；图6架空线中点发生AB两相接地故障时接地距离保护动作情况；图7架空线中点发生AB两相接地故障时相间距离保护动作情况；具体实施方式下面结合附图，对本发明作详细说明。图1为本发明的大型光伏电站内汇集系统线路保护方法流程图，本发明提出了一种大型光伏电站内汇集系统线路保护方法，包括以下步骤：步骤1、针对集中式光伏逆变器采用的正负序双同步旋转坐标系电流控制器，计及直流侧光伏电池板电源特性影响，得到不同控制目标下故障电流统一表达式；步骤2、基于步骤1的故障电流统一表达式对光伏站内故障电流特征进行分析，并根据站内实际运行控制方式，分析站内现有35kV汇集线路的电流保护性能；步骤3、针对站内架空线下游光伏侧电流保护不能正确动作的问题，结合站内故障电流特征，提出距离保护替代架空线下游光伏侧电流保护的配置方案。所述步骤1中，光伏电池板电源特性为：I=IL-I0{exp[qc(V+IRs)AKT]-1}-V+IRsRsh]]>式中，I为光伏电池板输出电流；V为光伏电池板两端电压；IL为光伏电流；I0为反向保护电流；qc为电子电荷；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；A为二极管因子；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻。步骤1中光伏逆变器采用正负序双同步旋转坐标系电流控制器时，在不对称电压条件下，逆变器向电网注入的瞬时功率为式中，P0和Q0分别为瞬时有功功率和无功功率的平均直流分量，而Pc2和Ps2为瞬时有功功率中二倍频分量幅值，Qc2和Qs2为瞬时无功功率中的二倍频分量幅值；P表示逆变器注入电网的瞬时有功功率；Q表示逆变器注入电网的瞬时无功功率；ω表示工频角速度；t表示时间；以上6个功率幅值表示为：P0Pc2Ps2Q0Qc2Qs2=32ed+eq+ed-eq-ed-eq-ed+eq+eq--ed--eq+ed+eq+-ed+eq--ed-eq--ed-eq+-ed+-ed--eq-ed+eq+id+iq+id-iq-]]>式中，和为并网点电压d、q轴正序分量，和为并网点电压d、q轴负序分量；和为并网电流d、q轴正序分量，和为并网电流d、q轴负序分量；选择其中4个功率分量幅值进行控制，或者直接以抑制负序电流为控制目标；根据不同控制目标的参考电流计算式整理合并得到：id+*iq+*id-*iq-*=23ed+eq+eq+-ed+-ρed-ρeq--ρeq--ρed-P0*DQ0*E]]>式中，和为并网参考电流d、q轴正序分量，和为并网参考电流d、q轴负序分量；有功功率参考指令值、无功功率指令值；中间变量中间变量中间变量ρ＝0，±1；根据不同的注入电流控制目标，选择相应的ρ，得到对应的注入电流参考值；ρ＝1时，以达到抑制有功功率和直流母线电压波动的目标；ρ＝-1时，以达到抑制无功功率波动的目标；ρ＝0时，以抑制负序电流为目标，从而保证注入电网电流的三相对称性。得到光伏逆变器注入电网的正序和负序短路电流幅值(标幺值)：|Idq+|=|Edq+|·(P0*D)2+(Q0*E)2|Idq-|=|ρ|·|Edq-|·(P0*D)2+(Q0*E)2]]>式中，为并网电流正序分量幅值，为并网电流负序分量幅值，并网点电压正序分量幅值并网点电压负序分量幅值结合故障期间光伏发电单元实际提供的视在功率，得到：|Idq+|=1γEm(P0′1-ρβ2)2+(Q0′1+ρβ2)2|Idq-|=βγEm|ρ|(P0′1-ρβ2)2+(Q0′1+ρβ2)2]]>式中，γ为正序电压跌落系数，Em为故障前并网点电压幅值，β＝|Edq-|/|Edq+|为电压不平衡度；P0′为故障期间光伏发电单元提供的有功功率直流分量，Q0′故障期间光伏发电单元提供的无功功率直流分量；得到三相故障电流表达式：式中，Ia、Ib及Ic分别问三相故障电流；中间变量中间变量中间变量与并网点负序电压相角直接相关。站内实际运行控制方式为：光伏电站配有静止无功发生器补偿站内变压器和线路上的无功功率损耗，故障期间提供无功支撑母线电压，因此故障前后光伏发电单元均不提供无功功率，且站内光伏逆变器采用了抑制负序电流以保证三相并网电流对称的控制策略，因此有Q0′＝0和ρ＝0；简化后的故障电流同一表达式为：Ia=P0′γEmsin(ωt+π2+θ+)Ib=P0′γEmsin(ωt-π6+θ+)Ic=P0′γEmsin(ωt+7π6+θ+)]]>所述步骤3中提出距离保护替代架空线下游光伏侧电流保护的配置方案具体为：距离保护的整定原则ZsetI=Krel.IZ1(Krel.I=85%)ΔtI=0sZsetII=Krel.IIZ1(Krel.II=1.2)ΔtII>0.9s,]]>其中，Z1为架空线全长正序阻抗，为距离保护I段整定值；为距离保护II段整定值；Krel.I为距离保护I段可靠系数；Krel.II为距离保护II段可靠系数；ΔtI为距离保护I段动作延时；ΔtII为距离保护II段动作延时。图2为大型光伏电站汇集系统内单个汇集站接入的拓扑结构图，图中一台三绕组变压器表示一个光伏发电单元(一般额定容量为1MW)，一条汇集电缆上接入若干个光伏发电单元，多条汇集电缆接入光伏阵列区中的汇集站，然后经架空线接入升压站集中并网。图3为汇集系统故障示意图。鉴于光伏系统提供的短路电流稳定且基频分量占主导，因此本文提出了采用方向圆动作特性的两段式距离保护代替架空线下游阶段式电流保护的配置方案，距离保护动作特性如图3中虚线圆所示。主变35kV侧接n回架空线，若在#1架空线上发生故障，#i架空线下游光伏侧提供的故障电流记为(i＝1，…，n)，系统及相邻主变提供的故障电流和记为架空线上游流向故障点电流为：相邻线路光伏侧保护p处测量电压和故障电流关系可以表示为：α为故障点距上游保护安装处距离与线路全长比(0<α<1)，Z1为架空线全长正序阻抗。考虑到接入的光伏发电单元控制策略一致，非故障架空线接入的光伏系统提供的故障电流一致，因此有测量电流则保护p处的测量阻抗可以表示为取n＝7，则按系统短路容量为光伏电站额定容量的20倍计算，光伏电站在额定工况时，较大，且光伏在故障期间不提供无功情况下，和相位接近。光伏系统出力越低，就越大。由于系统侧助增电流的作用，相邻#p架空线下游保护的测量阻抗比实际阻抗大得多，因此利用架空线下游保护安装处的测量阻抗能够区分故障线路与非故障线路。当故障点靠近架空线出口处时，即α接近于0，故障线路与相邻线路下游距离保护测量阻抗相近。如果距离保护仅设置I段，为了防止相邻线路的误动，距离I段需要延时动作，等上游电流保护动作使相邻线路与故障隔离后，下游距离保护才能动作，这样会导致架空线全线故障距离保护都需要较长延时动作(大于0.9s)。因此，为了保证架空线下游距离保护尽可能快地隔离故障，配置瞬时动作的距离I段的同时配置带延时的距离II段。距离I段保护范围应尽可能接近线路全长，距离II段保护范围大于线路全长，动作延时大于上游电流保护动作延时。而电缆上发生故障时，距离保护视为区外故障而闭锁，上游电流保护作为远后备保护，因为上游电流保护I段延时0.1s，所以在电缆出口处故障时，保证了选择性。综上，考虑一定裕度，架空线下游距离保护的整定原则为：ZsetI=Krel.IZ1(Krel.I=85%)ΔtI=0sZsetII=Krel.IIZ1(Krel.II=1.2)ΔtII>0.9s]]>图4和图5为一回35kV架空线中点发生BC两相短路故障时架空线下游电流保护的动作情况，由于电流保护I段整定值要远大于II段和III段，故未在图中画出。故障前，光伏发电系统工作在0.6pu，故障发生后，故障架空线的光伏发电系统提供的短路电流基频分量接近1pu，而相邻非故障架空线的光伏发电系统提供的短路电流基频分量约为0.8pu，故障线路与相邻非故障线路电流保护各段都无法动作，从而光伏发电系统继续向故障点供电。图6和图7为距离保护代替架空线下游电流保护后，一回35kV架空线中点发生AB两相接地故障时距离保护动作情况。故障发生后，接地距离保护和相间距离保护的故障相测量阻抗经短暂的暂态过程后，均能准确进入I段动作圆内，且测量结果稳定。说明故障线路距离保护能够可靠动作将光伏发电系统与故障隔离。为进一步分析现有电流保护与提出的距离保护在汇集系统中的性能，针对不同故障类型、故障位置，不同光伏出力条件等情况进行了大量仿真研究，表1给出了部分仿真结果。表中“+”表示该保护各段都能启动，“-”表示各段都无法启动，罗马数字表示只有该段能够启动。表1仿真结果表明，在架空线下游采用提出的两段式距离保护后，当汇集电缆上故障时能够更好地保证上下级线路保护间的配合，从而保证选择性；当架空线路上发生故障时，下游距离保护能够可靠启动，在主保护失灵时能够可靠将光伏发电系统与故障隔离。同时，距离保护启动情况不受光伏出力条件影响。鉴于本方法的分析基础和条件，应用本发明所述方法不受光伏系统运行条件(如出力条件、功率因数等)，及双同步旋转坐标电流控制器下不同控制策略的影响，能够避免现有站内电流保护不能正确动作的现象。需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3