油田分布式光伏并網系統逆功率保護仿真研究

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

為了推動實現雙碳戰略目標,分布式光伏等新能源發電在勝利油田得到了大規模應用,勝利油田電網中廣泛接入分布式光伏。在分布式電源大規模接入的電網中,如果低壓母線直接并聯形成點狀網絡,那么由低壓接入的分布式電源會引起功率倒送。為保證系統安全可靠運行,必須驗證逆功率保護的有效性[1]。結合油田分布式光伏并網系統特點,對于基于正序功率方向的逆功率保護和基于正序電流相位比較的逆功率保護分別進行電源進線故障、低壓母線故障仿真研究,分析分布式光伏接入及負荷擾動對逆功率保護的影響。

2 仿真模型

在油田井場內建設分布式光伏并網系統,主要用電負荷為油井生產負荷。分布式光伏通過接入配電變壓器0.4 kV側,實現并網運行。根據含分布式光伏點狀網絡系統的實際工程結構,搭建分布式光伏并網系統仿真模型,如圖1所示。仿真模型元件參數見表1。

表1 仿真模型元件參數

圖1 分布式光伏并網系統仿真模型

3 逆功率保護方法

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

(1)

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

將表1數據代入式(1),計算得逆功率保護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方法,電源進線發生短路故障時,繼電器檢測到電流突變量大于整定值,各電源進線均以變壓器指向母線為電流的參考方向,以保護處正序電壓相位為基準判斷電流流向,作為正序功率的方向[3]。發生故障時,若正序電流Ili與正序電壓Uli的相位滿足式(2),則保護動作。

90°

(2)

式中:i為電源進線編號;n為電源進線總數。

而對于基于正序電流相位比較的逆功率保護方法,電源進線發生短路故障時,故障進線中正序電流方向為從電壓母線流向故障點,非故障進線中正序電流方向為從中壓饋線流向低壓母線。故障進線與其余進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,保護動作[4]。

90°

1≤i≤n,1≤j≤n,i≠j

(3)

式中:j為電源進線編號。

4 故障狀態仿真

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發生三相短路故障,向電源回路1的斷路器發送跳閘信號,其余電源回路的繼電器在一定時間后自動返回。可見,參考回路發生故障時,逆功率保護可以可靠動作[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,逆功率保護動作。由圖4可以判斷,電源回路2發生三相短路故障,向電源回路2的斷路器發送跳閘信號,其余電源回路的繼電器在一定時間后自動返回?？梢?非參考回路發生故障時,逆功率保護可以可靠動作。

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,逆功率保護不動作?？梢?當低壓母線發生三相短路故障時,基于正序電流相位比較的逆功率保護不會誤動作。

5 負荷擾動仿真

時間為1 s時,將分布式光伏接入點狀網絡低壓母線中,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,電流突變量遠小于整定值,逆功率保護不動作。與傳統逆功率保護相比,采用基于正序電流相位比較的逆功率保護,接入電網的分布式光伏容量有大幅度增大[6]。

為了驗證逆功率保護的可靠性,投入最大負載和電容器作為干擾。電容器容量設置為30%負載容量,即0.105 kvar。當時間為4 s時,投入最大負載,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,投入最大負載和電容器時,各電源回路電流突變量遠小于保護整定值,逆功率保護不會發生誤動作。

由以上分析可知,油田分布式光伏并網系統正常功率倒送時,逆功率保護不動作。當中壓側發生故障及變壓器發生故障時,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可以正確動作,保護電網。

6 結束語

為保證基于正序功率方向的逆功率保護和基于正序電流相位比較的逆功率保護正確運行,對油田分布式光伏并網系統進行仿真建模,研究各類短路故障狀態下逆功率保護的有效性,評估系統可接入分布式光伏容量,并分析投入最大負載和電容器等對電源回路電流突變量的影響,驗證兩種逆功率保護在保證油田分布式光伏并網系統安全穩定運行方面的有效性和可靠性。