新能源接入系統(tǒng)的電壓暫降源定位方法研究

夏 銳,王媛媛,譚志勇

(長園共創(chuàng)電力安全技術(shù)股份有限公司,廣東 珠海 519085)

通過對某一地區(qū)電壓暫降的監(jiān)測,結(jié)合電壓暫降的隨機預(yù)估,能夠很好的了解各個地區(qū)何種電壓暫降發(fā)生的幅值和頻次,對于影響較大的用戶,可以通過此結(jié)果確定是否需要改變供電節(jié)點,從而減小由于電壓暫降帶來的經(jīng)濟損失[1]。同時,將電壓暫降源的判斷結(jié)果與經(jīng)濟性評估相結(jié)合,能夠為用戶接入點的選擇提供一定的依據(jù),提高其經(jīng)濟效益[2]。電壓暫降源的準確識別也可以為解決系統(tǒng)與用戶間的糾紛提供一定的依據(jù)。

風電和太陽能等新能源的接入對系統(tǒng)的電能質(zhì)量帶來了新的問題。基于電力電子器件的接口增大了諧波污染,新能源功率的變動性和隨機性容易引起閃變和頻率變動,無功功率的需求會引起電壓方均根值的變化。此外,新能源發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)生故障時也會引起接入點電壓的變化,甚至出現(xiàn)電壓暫降事件。當發(fā)生電壓暫降事件時還會引起新能源發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越問題。為此,需通過對新能源接入點監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,確定電壓暫降是否是新能源發(fā)電系統(tǒng)所引起的就尤為必要。

1 電壓暫降源定位方法

目前國內(nèi)外對電壓暫降源定位的研究,大體有以下幾種方法:基于擾動功率和擾動能量的方法、系統(tǒng)參量直線斜率法、實部電流分量法、等效阻抗電阻符號法、距離阻抗繼電器法、無功功率變化法、基于故障類型方法等[3]。

比較分析以上各種暫降源的判定方法,其中擾動功率和擾動能量法沒有明確的數(shù)學分析方法,且這個方法的可信度也會因為擾動功率與擾動能量的結(jié)果不匹配而降低。基于故障類型的方法需要對導致暫降發(fā)生線路故障、感應(yīng)電機啟動和變壓器投運等3個主要原因先進行確定,再判斷暫降源與監(jiān)測裝置的相對位置關(guān)系;等效阻抗電阻符號法需要測量監(jiān)測點所在支路n個周期內(nèi)的電壓和電流,通過偽逆法求解2個矩陣。當?shù)玫降碾娮璺柌灰恢聲r不能應(yīng)用此方法,且暫降前后測量周期的選擇會影響結(jié)果的正確性。系統(tǒng)參量直線斜率法是利用電壓暫降發(fā)生時,從監(jiān)測點獲得的基波電流幅值I和基波電壓幅值U cos與功率因數(shù)的乘積之間的關(guān)系來確定電壓暫降源的位置。應(yīng)用最小二乘法將測得的(I,U cos)在直角坐標系中擬合成一條直線,通過判斷該直線的斜率來確定電壓暫降源的位置[4-5]。相關(guān)文獻對以上各種方法進行了比較,其結(jié)果表明距離阻抗繼電器法較其他方法判定特性較好。但該方法還存在一些局限:在輻射網(wǎng)中,如果故障發(fā)生在電源和距離阻抗繼電器之間,阻抗不會發(fā)生變化;如果發(fā)生的是永久性故障,可能無法從距離阻抗繼電器處得到結(jié)論。改進的距離阻抗法通過選取合理的閾值,可以提高方法的可信度和正確性。

2 改進的距離阻抗法

引起電壓暫降的主要原因是系統(tǒng)短路故障、變壓器投運以及大型感應(yīng)電動機啟動,使系統(tǒng)電流突然增大幾倍甚至幾十倍,導致公共連接點電壓短時下降。根據(jù)電壓暫降發(fā)生期間,公共連接點電壓和支路電流的特性,可以利用距離阻抗對暫降源進行定位。

電能質(zhì)量監(jiān)測裝置可以根據(jù)公共連接點電壓和所監(jiān)測支路的電流計算出電壓暫降發(fā)生前后距離阻抗幅值和相角,并結(jié)合同一時刻各處電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的判斷結(jié)果來定位暫降源。

距離阻抗的計算方法如式(1):

式中:|Z|為距離阻抗的幅值;U為相電壓的基波正序分量有效值;I為線電流的基波正序分量有效值。

式中:∠Z為距離阻抗的相角;∠U為相電壓的基波正序分量的相角;∠I為線電流的基波正序分量的相角。

由式(1)和(2)可以計算出暫降發(fā)生期間和暫降發(fā)生前距離阻抗的幅值和相角。為了便于分析暫降發(fā)生前后距離阻抗的變化趨勢,把距離阻抗幅值的變化率和相角的增量做為判斷的標準。

式中:Δ|Z|為距離阻抗幅值在暫降發(fā)生期間對比于暫降發(fā)生前的變化率;Δ∠Z為距離阻抗相角在暫降發(fā)生期間對比于暫降發(fā)生前的增量。|Zsag|和|∠Zsag|分別為暫降發(fā)生期間距離阻抗的幅值和相角;|Zpresag|和|∠Zpresag|分別為暫降發(fā)生前距離阻抗的幅值和相角。

根據(jù)電壓暫降期間支路電流和公共連接點電壓的變化可以總結(jié)出:下游支路故障或變壓器投運引起電壓暫降時,本條支路距離阻抗幅值和相角均發(fā)生大幅度變化;上游支路故障或變壓器投運引起電壓暫降時,本條支路距離阻抗幅值和相角變化幅度較小。根據(jù)暫降期間距離阻抗幅值和相角的變化規(guī)律,并通過大量的仿真分析,選擇較合理的閾值,為暫降源的正確定位提供判斷依據(jù)。

若同時滿足式(4)和(5),則判定電壓暫降源位于電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的下游。若式(4)和式(5)不能同時滿足,則判定電壓暫降源位于電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的上游。

3 仿真驗證

3.1 仿真模型

圖1給出了所用的電壓暫降源定位的仿真系統(tǒng)模型圖。

圖1 電壓暫降系統(tǒng)仿真模型

這是一個包含35 kV 輸電、10 kV 配電和接入33臺1.5 MW 雙饋電機構(gòu)成的風電場模型輻射型系統(tǒng)。各變壓器的參數(shù)設(shè)置如表1所示。設(shè)定新能源支路故障點F1、Fa,普通負載支路故障點F2、Fb和系統(tǒng)側(cè)故障點F1`(B110)以及3個監(jiān)測點M1、M2、M3,上圖1所示,在故障點設(shè)置對稱故障(三相短路)和不對稱故障(單相接地、兩相接地、兩相短路),通過分析從監(jiān)測點得到的數(shù)據(jù),驗證電壓暫降源定位方法的可行性和準確性。以下以故障點F1發(fā)生三相短路故障、兩相接地故障和兩相短路故障,Fa發(fā)生單相接地故障為例,通過監(jiān)測點M1、M2、M3獲得的數(shù)據(jù)驗證暫降源上下游的判定方法。

表1 變壓器參數(shù)設(shè)置

3.2 暫降方法的驗證

3.2.1 短路故障

3.2.1.1 三相短路故障

故障點F1設(shè)置三相短路故障,圖2分別是監(jiān)測點M1、M2、M3在暫降期間距離阻抗的幅值和相角變化。分別計算暫降發(fā)生前2個周期內(nèi)和暫降期間距離阻抗的幅值和相角的平均值及其變化率,結(jié)果如表2所示。

圖2 F1點發(fā)生三相短路故障監(jiān)測點

表2 F1三相短路故障監(jiān)測點M1、M2、M3距離阻抗幅值相角

由表2可以看出,監(jiān)測點M1距離阻抗幅值變化率超過了-40%且相角的增量大于25°,判斷出暫降源發(fā)生在監(jiān)測點M1的下游,M2和M3距離阻抗幅值和相角變化很小,判斷出暫降源位于上游方向,計算結(jié)果與仿真設(shè)置一致。

3.2.1.2 兩相接地故障

故障點F1 設(shè)置兩相接地故障(U 相和V相),監(jiān)測點M1、M2、M3在暫降期間距離阻抗的幅值和相角變化如圖3所示。距離阻抗的幅值和相角結(jié)果如表3所示。

圖3 F1點發(fā)生兩相接地故障監(jiān)測點

表3 F1兩相接地故障監(jiān)測點M1、M2、M3距離阻抗幅值相角

由表3可以看出,對于兩相接地故障,監(jiān)測點M1的阻抗幅值和相角的變化滿足下游判定條件,M2和M3幅值和相角變化不大,判定暫降源位于上游方向,計算結(jié)果與仿真設(shè)置一致。

3.2.1.3 兩相短路故障

F1發(fā)生兩相短路故障,其監(jiān)測點M1、M2和M3的距離阻抗幅值和相角的計算結(jié)果如表4所示,可以看出上下游的判定結(jié)果是正確的。

表4 F1兩相短路故障監(jiān)測點M1、M2、M3距離阻抗幅值相角

3.2.1.4 單相接地故障

設(shè)置故障點Fa發(fā)生單相接地故障,圖4為監(jiān)測點M1、M2、M3的采用上下游判定方法的仿真結(jié)果,表5為監(jiān)測點距離阻抗幅值和相角的變化值。

由表4和表5可以看出,對于兩相短路故障和單相接地故障,距離阻抗的幅值變化率和相角增量均符合下游判定條件,M2和M3阻抗幅值和相角變化不大,判定為上游,計算結(jié)果與仿真設(shè)置一致。

圖4 Fa點發(fā)生單相接地故障監(jiān)測點

表5 Fa單相接地故障監(jiān)測點M1、M2、M3距離阻抗幅值相角

通過上述仿真結(jié)果可知,對于風電場接入電網(wǎng)支路發(fā)生三相短路、兩相接地、兩相短路、單相接地故障,距離阻抗法都能夠正確的判斷出暫降源的上下游位置。從數(shù)據(jù)結(jié)果來看,不管是哪種故障,相角增量都超過150°,變化較為明顯,而幅值變化率,在多相故障是,幅值變化率超過-80%,變化較為明顯,而單相故障時,幅值變化率超過達到-47.29%,變化較小,但是仍超過設(shè)定的閾值-40%,因此,選定的閾值是比較合理的。

3.2.2 短路容量的影響

現(xiàn)考察短路容量的改變是否會對電壓暫降源上下游判定結(jié)果造成影響。設(shè)置故障點Fa發(fā)生單相接地故障,改變節(jié)點B35 的短路容量由257.90 MVA 增加到271.99 MVA,圖5為監(jiān)測點M1、M2和M3的距離阻抗幅值和相角變化,表6為距離阻抗幅值變化率和相角增量的結(jié)果,其中短路容量為271.99 MVA。

圖5 Fa點發(fā)生單相接地故障監(jiān)測點

表6 監(jiān)測點M1、M2、M3距離阻抗幅值和相角

觀察上述結(jié)果,監(jiān)測點M1、M2和M3對于上下游的判定結(jié)果都是正確的。

現(xiàn)改變短路容量到287.50 MVA、324.75 MVA,Fa設(shè)置單相接地故障,觀察監(jiān)測點距離阻抗幅值和相角的變化,發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點M2和M3阻抗幅值和相角變化不大,判定結(jié)果正確,故只針對變化較大的監(jiān)測點M1分析比較如表7所示。

表7 短路容量變化時監(jiān)測點M1距離阻抗幅值和相角短路容量

由表7發(fā)現(xiàn),隨著短路容量的增加,距離阻抗幅值的變化率和相角的變化不大,表明短路容量的變化對暫降上下游的判定結(jié)果沒有明顯的影響。

4 結(jié)論

改進的距離阻抗法通過選取合理的閾值,可以通過監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)準確的判定暫降源的來源,仿真計算風電場接入電網(wǎng)支路發(fā)生三相短路、兩相接地、兩相短路、單相接地故障,結(jié)果都能夠正確的判斷出暫降源的上下游位置,而且斷路容量的變化對結(jié)果沒有明顯影響。