王秀蓮, 胡 廣, 畢大強(qiáng)

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光伏低電壓穿越期間無功補(bǔ)償對(duì)差動(dòng)保護(hù)靈敏度的影響分析

王秀蓮1, 胡 廣1, 畢大強(qiáng)2

(1.沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110168；2.清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

研究了具備低電壓穿越(Low Voltage Ride-Through，LVRT)能力的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，送出線部分發(fā)生三相短路故障時(shí)，LVRT控制過程中發(fā)出的無功電流對(duì)傳統(tǒng)比率制動(dòng)式和新型標(biāo)積制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)靈敏度的影響。理論分析表明故障期間無功補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致兩種差動(dòng)保護(hù)的靈敏度下降，并通過Simulink搭建光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型驗(yàn)證了這一結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)比得出發(fā)生金屬性短路故障時(shí)，標(biāo)積制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)的靈敏度受無功補(bǔ)償影響較小，作為光伏電站送出線部分的保護(hù)效果更佳。最后通過差動(dòng)特性曲線的整定方式，對(duì)如何提升差動(dòng)保護(hù)靈敏度的問題提出改進(jìn)建議。

LVRT；無功補(bǔ)償；比率制動(dòng)；標(biāo)積制動(dòng)；靈敏度

0 引言

隨著光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模并入電網(wǎng)，其對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不可忽略的影響[1-3]，因此光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在自身故障期間的保護(hù)措施，成為電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一[4-5]。PV為逆變器型電源，短路電流易受溫度、光照等影響，其發(fā)出的電功率具有隨機(jī)波動(dòng)性和間歇性，可能導(dǎo)致線路電流縱差保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)拒動(dòng)，區(qū)外故障時(shí)誤動(dòng)[6-9]。文獻(xiàn)[10-12]研究的帶有制動(dòng)量的傳統(tǒng)比率式和標(biāo)積制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)，可有效克服外部故障時(shí)差動(dòng)回路的最大不平衡電流、電流互感器飽和的影響，有效保證了差動(dòng)保護(hù)工作的可靠性。

同時(shí)，為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，世界各國對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電的要求越來越嚴(yán)格，要求PV電站須具備LVRT能力：即當(dāng)電網(wǎng)故障或并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)時(shí)，光伏電站在其可承受范圍內(nèi)能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)為支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)，逆變器須發(fā)出一定量無功電流注入電網(wǎng)。文獻(xiàn)[13]指出低電壓穿越控制策略可能改變故障電流的大小以及電流、電壓間的相位關(guān)系，這對(duì)依靠電流大小門檻值來識(shí)別故障的保護(hù)以及依靠檢測(cè)電壓、電流之間相位來判別故障位置的方向元件，均會(huì)產(chǎn)生一定的影響。無功量的注入必將導(dǎo)致電網(wǎng)潮流的變化，對(duì)繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生不可避免的影響。

本文主要研究了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越期間，逆變器無功補(bǔ)償對(duì)比率制動(dòng)特性和標(biāo)積制動(dòng)特性差動(dòng)保護(hù)靈敏度的影響。通過理論推導(dǎo)分析得出LVRT控制中發(fā)出的無功會(huì)導(dǎo)致兩種差動(dòng)保護(hù)的靈敏度下降，采用Simulink仿真分析驗(yàn)證了這一結(jié)論。并且進(jìn)一步研究得出發(fā)生金屬性短路故障時(shí)，標(biāo)積制動(dòng)特性差動(dòng)保護(hù)靈敏度受無功補(bǔ)償影響較小，用于光伏電站送出線保護(hù)效果更佳。

1 比率制動(dòng)與標(biāo)積制動(dòng)特性

1.1 傳統(tǒng)比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)

比率制動(dòng)特性是利用故障電流來產(chǎn)生制動(dòng)作用，故障電流越大時(shí)制動(dòng)作用就越大，反之則越小，與此同時(shí)繼電器的動(dòng)作電流也隨之增大或減小。可以有效防止外部短路引起的誤動(dòng)。

取繼電器差動(dòng)電流d為

制動(dòng)電流z為

(2)

式中：d為差動(dòng)電流；z為制動(dòng)電流；1、2分別為電流互感器兩側(cè)電流向量(1正方向?yàn)榱魅牖ジ衅鳎?正方向?yàn)榱鞒龌ジ衅?。

比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)判據(jù)為

式中：s為啟動(dòng)電流；z.0為拐點(diǎn)電流；1為比率制動(dòng)特性的斜率。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的計(jì)算導(dǎo)則對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定，s取為0.2N，z.0取為0.8N，1取為0.5。圖1所示為縱差保護(hù)的比率制動(dòng)特性。

圖1 比率制動(dòng)特性曲線

1.2 標(biāo)積制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)

實(shí)際上，標(biāo)積制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)僅僅是比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)的另一種表達(dá)方式[15],根據(jù)比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)表達(dá)式：

展開得

(5)

2 系統(tǒng)建模與分析

2.1 光伏低電壓穿越無功補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)

國家電網(wǎng)公司 2011 年頒布的《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》對(duì)光伏發(fā)電站的動(dòng)態(tài)無功支撐能力提出了確切的要求[16]。

(1) 自電網(wǎng)電壓跌落的時(shí)刻起，動(dòng)態(tài)無功電流的相應(yīng)時(shí)間不大于30 ms。

(2) 自動(dòng)態(tài)無功電流響應(yīng)起一直到電壓恢復(fù)至0.9PU期間，光伏發(fā)電站注入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功電流T應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化，并應(yīng)滿足：

根據(jù)新的國家標(biāo)準(zhǔn)，在檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，要求光伏發(fā)電系統(tǒng)在0.625 s之內(nèi)不脫網(wǎng)。并且根據(jù)電壓跌落的深度，持續(xù)向電網(wǎng)注入相應(yīng)等級(jí)的無功電流支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。實(shí)際上，導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的故障因素有很多，本文研究的僅是三相電壓短路接地情況。按差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍故障類型又分為兩類：光伏發(fā)電系統(tǒng)送出線部分的區(qū)內(nèi)故障和送出線以外部分的區(qū)外故障。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、三相逆變器、穩(wěn)壓電容、濾波電感、公共電網(wǎng)等部分組成。對(duì)于逆變器的控制，采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量雙閉環(huán)控制策略。具體的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 故障線路分析

由《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》可知，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生區(qū)外故障(AB段以外線路)電壓低于0.9PU差動(dòng)保護(hù)不應(yīng)立即動(dòng)作，需要有一定的延遲用以電網(wǎng)輸電線路的主保護(hù)動(dòng)作切除故障[17]。然而發(fā)生如圖3所示的AB段發(fā)生故障(區(qū)內(nèi)故障)時(shí)，差動(dòng)保護(hù)應(yīng)立即動(dòng)作，切除保護(hù)區(qū)域內(nèi)的故障。故此，在確保差動(dòng)保護(hù)裝置不誤動(dòng)的同時(shí)，應(yīng)盡量保證其靈敏度在較高水平。

圖3 短路故障示意圖

根據(jù)差動(dòng)保護(hù)的靈敏系數(shù)定義有：

2.3.1無無功補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)區(qū)內(nèi)故障

在理想情況下，當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)短路故障且不進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，故障點(diǎn)F兩側(cè)電流的相位正好相反，可以假定兩側(cè)的短路電流標(biāo)量分別為1.2N與N。此時(shí)，比率制動(dòng)特性差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流與制動(dòng)電流由式(1)、式(2)可知：

(11)

(12)

標(biāo)積制動(dòng)特性差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流與制動(dòng)電流分別為

(14)

但是，在實(shí)際的線路短路故障中，網(wǎng)側(cè)電流2大小取決于線路阻抗及電網(wǎng)容量的配值，遠(yuǎn)大于2.8N。由式(12)比率制動(dòng)特性下動(dòng)作電流即。可知，在實(shí)際工況下被保護(hù)線路發(fā)生短路故障，標(biāo)積制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)的靈敏度高于比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。

2.3.2有無功補(bǔ)償系統(tǒng)的內(nèi)部故障

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)短路故障進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償量的大小隨著電壓跌落的深度變化而變化，無功電流的注入必將導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)的改變。根據(jù)國標(biāo)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)囊罂芍?，注入系統(tǒng)的無功電流應(yīng)為容性，用以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

正如圖3所示，故障期間故障點(diǎn)F左側(cè)電流的相位在無功補(bǔ)償期間超前于電壓相位，從而故障點(diǎn)兩側(cè)的電流相位差小于180°。有無功補(bǔ)償時(shí)，故障點(diǎn)兩側(cè)電流的矢量差(1-2)和矢量和(1+2)如圖4所示。

圖4 電流矢量合成

對(duì)于比率制動(dòng)特性差動(dòng)保護(hù)，無功電流注入光伏發(fā)電系統(tǒng)使得差動(dòng)電流d(矢量差)減小而制動(dòng)電流z(矢量和)增大，導(dǎo)致靈敏度會(huì)有下降；對(duì)于標(biāo)積制動(dòng)特性差動(dòng)保護(hù)，雖然相位差取值范圍在，制動(dòng)電流zb=0，但是差動(dòng)電流db減小，其靈敏度也會(huì)下降。

3 仿真分析

3.1 系統(tǒng)仿真

本文采用Matlab軟件作為仿真工具，搭建額定功率為250 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)前面分析的可行性和正確性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體參數(shù)如表1所示。

光伏發(fā)電系統(tǒng)在0.2 s時(shí)發(fā)生三相短路故障(區(qū)內(nèi)故障)電網(wǎng)電壓跌落。本文仿真的電壓跌落深度依次為30%、50%、70%及100%。電壓跌落100%期間未采取LVRT控制時(shí)逆變輸出的三相電壓及故障點(diǎn)F兩側(cè)A相電流、電流相位、電流相位差的波形如圖5所示。采取LVRT控制后的波形如圖6所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

圖6 采取LVRT控制的仿真波形

Fig. 6 Simulation waveforms with LVRT control

由圖6可以看出，無LVRT控制策略時(shí)，逆變器輸出故障電流通過限制電流內(nèi)環(huán)給定值dref，使其輸出的故障電流均不超過額定電流的1.2倍。未采取LVRT控制時(shí)，逆變器輸出的故障電流相位沒有發(fā)生改變而電網(wǎng)側(cè)故障電流的相位與故障前相反，導(dǎo)致故障點(diǎn)F兩側(cè)的電流有相位差；采取LVRT控制后，逆變器在短路故障發(fā)生時(shí)發(fā)出一定量的無功電流使得輸出電流相位發(fā)生改變，導(dǎo)致故障點(diǎn)兩側(cè)相位差接近90°。

3.2 故障期間不采取無功補(bǔ)償時(shí)比率制動(dòng)和標(biāo)積制動(dòng)的靈敏分析

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)部短路故障，電壓跌落深度的變化導(dǎo)致比率制動(dòng)特性的靈敏度和標(biāo)積制動(dòng)特性的靈敏度的變化如表2所示。隨著電壓跌落深度的增大，比率制動(dòng)特性靈敏度呈下降趨勢(shì)而標(biāo)積制動(dòng)特性差動(dòng)保護(hù)的靈敏度有相應(yīng)程度的增大。同時(shí)，驗(yàn)證了在理想情況下未采取無功補(bǔ)償措施且制動(dòng)電流小于z.0時(shí)，比率制動(dòng)特性和標(biāo)積制動(dòng)特性差動(dòng)保護(hù)的靈敏度相等，但在實(shí)際線路故障中比率制動(dòng)特性的靈敏度低于標(biāo)積制動(dòng)特性的靈敏度這一分析結(jié)論。

表2 電壓跌落深度與各參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.3 故障期間采取無功補(bǔ)償時(shí)比率制動(dòng)和標(biāo)積制動(dòng)的靈敏度分析

由圖6的仿真波形分析得到，差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)，光伏逆變器側(cè)電流幅值限制到1.05N，而電網(wǎng)側(cè)電流幅值沒有限制明顯增大、故障點(diǎn)F兩側(cè)的相位差為，因此故障期間采用LVRT控制對(duì)系統(tǒng)有著不可忽略的影響。根據(jù)表2與表3所示的電壓跌落深度與各參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，電壓跌落深度相同時(shí)，采用LVRT控制的差動(dòng)電流d較未采用LVRT時(shí)小，即采用LVRT控制時(shí)的靈敏度低于未采用LVRT控制時(shí)的靈敏度。特別是在發(fā)生金屬性短路故障電壓跌落100%情況下，無功補(bǔ)償對(duì)比率制動(dòng)特性差動(dòng)保護(hù)影響更大，標(biāo)積制動(dòng)特性受到的影響相對(duì)較小。因此，標(biāo)積制動(dòng)特更適合于具有低電壓穿越技術(shù)的光伏電站輸出線路差動(dòng)保護(hù)。

表3 電壓跌落深度與各參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

由于比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)的靈敏度與動(dòng)作特性曲線密切相關(guān)，制動(dòng)曲線上啟動(dòng)電流、拐點(diǎn)電流及斜率等因素直接影響著保護(hù)裝置的靈敏度，但是不能僅改變其中任一個(gè)因素用以提升保護(hù)的靈敏度。在保證最大制動(dòng)電流對(duì)應(yīng)的動(dòng)作電流相等的前提下，可以適當(dāng)降低啟動(dòng)電流整定值的同時(shí)提高拐點(diǎn)電流整定值，此時(shí)斜率已然確定。而標(biāo)積制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)在送出線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，制動(dòng)量為0。因此標(biāo)積制動(dòng)原理反應(yīng)內(nèi)部故障靈敏度僅與啟動(dòng)電流整定有關(guān)，在確保可靠性的前提下適當(dāng)降低啟動(dòng)值可以起到提升保護(hù)靈敏度的作用。

4 結(jié)語

本文采用理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證相結(jié)合的方法，分析了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越過程中比率制動(dòng)特性和標(biāo)積制動(dòng)特性差動(dòng)保護(hù)靈敏度受到的影響情況，得出結(jié)論如下：

(1) 經(jīng)過理論推導(dǎo)表明低電壓穿越控制過程中，逆變器發(fā)出的無功電流導(dǎo)致兩種差動(dòng)保護(hù)的靈敏度下降；

(2) 通過仿真對(duì)理論推導(dǎo)所得結(jié)論加以驗(yàn)證，并且對(duì)比分析了標(biāo)積制動(dòng)式和比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)的靈敏度，進(jìn)一步得出前者受到的影響更小，更適合用于光伏電站送出線路的保護(hù)。

最后通過差動(dòng)特性曲線的整定方式，對(duì)如何提升差動(dòng)保護(hù)靈敏度的問題提出改進(jìn)建議，下一步將重點(diǎn)研究光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越過程中差動(dòng)保護(hù)靈敏度的提升方法。

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(編輯 姜新麗)

Impact analysis of reactive power compensation on sensitivity of differential protection during the low voltage ride-through of photovoltaic systems

WANG Xiulian1, HU Guang1, BI Daqiang2

(1. Shenyang Ligong University, Shenyang 110168, China; 2. State Key Lab of Power Systems, Dept of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The influence of reactive power compensation on sensitivity of differential protection of ratio-restraining characteristic and product-restraining characteristic is studied, when the output line of grid-connected photovoltaic (PV) systems with low voltage ride-through capability occurs three-phase short-circuit failures. It is found that the use of LVRT results in the decline of two kinds of sensitivity of the differential protection. The model of grid-connected photovoltaic (PV) system is set up, and verified by Simulink simulation. And further conclusion shows that the impact of differential protection of product-restraining characteristic on sensitivity is smaller, when the reactive power compensation is injected, and is better for the protection of output lines of photovoltaic power station, when the short-circuit fault occurs. Finally, this paper presents recommendations about how to improve the sensitivity of the differential protection by the tuning mode of differential characteristic curve.

LVRT; reactive power compensation; ratio-restraint; product-restraint; sensitivity

10.7667/PSPC150696

2015-04-24；

2015-07-01

王秀蓮(1965-)，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、智能電網(wǎng)及新能源技術(shù)；

胡 廣(1989-)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電技術(shù)；E-mail: 15910364042@163.com

畢大強(qiáng)(1973-)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)主設(shè)備繼電保護(hù)、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。