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2021,07

光伏电源对IEEE 34节点测试馈线过电流保护的影响

来源:上海指邦电气科技有限公司 浏览量:


摘要:以IEEE 34节点测试馈线为研究对象,加入重合器和熔断器等过电流保护设备,在特定位置接入不同容量的光伏电源,利用PSCAD软件进行仿真,就短路电流和保护之间的协调性,研究光伏电源对过电流保护设备的影响。为此进行了多种故障仿真,以验证接入光伏电源后,电网的保护设备之间的协调性是否改变。仿真结果表明:并不是电网中的所有位置接入光伏电源,都会对保护产生影响,只有在特定位置接入光伏电源时,才会使某些保护失去选择性,导致其误动或拒动。

配电网接入多个光伏电源以后,短路电流将会增大,这可能导致电流保护之间的配合存在问题,使某些保护出现拒动或误动,而且过大的短路电流还会影响熔断器和重合器的正常工作。另外,未接入光伏电源之前的配电网一般是辐射状的网络,其保护不具有方向性,而接入光伏发电系统以后,整个配电网变成双电源或多电源系统,系统潮流的流向具有不确定性[1-3]。本文目的是验证当光伏电源接入配电网后,电网发生故障时,对重合器和熔断器的协调性影响。

1 IEEE 34节点测试馈线保护配置

用于研究的配电网模型是IEEE 34节点测试馈线,如图1所示。它有多个单相支线和三相支线、2个电压调节器、2个电容器组(分别在节点32和34)、1个4.16 kV的低电压支线(节点23和24所在的支线),电路的其余部分电压等级是24.9 kV。连接到节点1的变电站变压器(图1中没有显示),其变比为69 kV/24.9 kV,额定容量是2 500 kV·A。馈线总负载大约是2 060 kV·A,功率因数为0.86[4-5]。为了研究光伏电源对配电网过电流保护设备的影响,在IEEE 34节点测试馈线上加入12个熔断器和1个重合器,图2 显示的是含重合器和熔断器的IEEE 34节点测试馈线示意图。节点1处安装重合器,重合器整定为一快两慢,快速分闸的时间值乘以1.2的K修正因子[6]。每个支线由始端熔断器来保护,但支线6除外,该支线上有变压器,其变比为24.9 kV/4.16 kV,额定容量是500 kV·A,变压器高压侧和低压侧都装有熔断器。电容器组的保护也由熔断器来完成。

表1所示为PSCAD仿真的和IEEE 34节点基准情况下每个节点处的故障电流相关误差数据,对于电路中的三相节点,仿真4种故障情况:三相接地、单相接地、两相接地和经阻抗接地的单相接地。对于单相节点,仿真2种故障情况:单相接地和接地电阻为15 赘的单相接地。从表1中可以看出,仿真的最大误差和平均误差均是合理的。

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2 光伏电源模型

光伏电源系统一般由光伏阵列、控制器、逆变器和蓄电池组组成,逆变器是其控制核心。光伏电源对电网故障的响应主要取决于逆变器的控制方式,一般逆变器的控制方式有2种:电压型和电流型。电压控制策略进入故障稳态较快,但冲击电流较大,而电流控制策略冲击电流较小,进入故障稳态较慢。2种控制方式都可以通过对逆变器的快速调整,大约2周波后输出的有功和无功功率都将达到故障后的稳态并与故障前相同[7],故可以在计算短路电流时,假定光伏电源在故障后输出功率不变,故障引起光伏电源接入点电压下降后,其供出的电流将与电压成反比,可用一个受控电流源来代替光伏电源接入IEEE 34节点系统。实际中要求光伏电源具有穿透一定故障的能力,而不是立即和电网断开,以防止发电量损失甚至产生更坏的影响。本文采用光伏电源通过变压器连到电网上。考虑到并网变压器的联接形式会对保护产生影响,接地和不接地连接的变压器都存在优缺点,正如文献[8]所描述的,高压侧不接地的并网变压器接入电网,使得单相接地故障的检测复杂化,但是普通的d/Y0联接方式可以提供接地故障电流,同样也会对电网保护产生影响。综合考虑这2方面,光伏电源并网变压器联接方式采用d/d,其容量和光伏电源容量相等。在PSCAD中搭建光伏电源的等效模型,三相交流受控电流源,其所输出的电流幅值和相位均可控制,幅值根据恒功率模型来确定,在受控电流源和并网变压器的低压侧之间设置一个实时电压测量器,可以测得受控电流源的端电压Upv,再用一个除法器将光伏电源的容量除以端电压Upv,就可以得到光伏电源所输出的电流值。光伏电源接入位置可假定在变电站近端或远端,电压调节器近端和主馈线的支线上,详尽的被测试的连接点是节点2、28、34、8、19、29和24。每个光伏电源的初始容量是馈线总负载容量的20%,即为400 kW,增加光伏电源的容量直到对电网过电流保护设备的协调性产生影响。

3 仿真结果

每个保护设备设置2种故障,一种是在设备下游的近端,另一种是在保护下游尽可能远的地方,这2种故障位置用于区分某种故障条件下流过保护的短路电流,故障点离保护越近,流过保护的电流越大。对于三相支线,无接地阻抗的三相接地故障作为最大故障,接地阻抗为15 赘的A相接地故障作为最小故障;对于单相支线,仅发生单相接地故障,无接地阻抗的单相接地故障作为最大故障,接地阻抗为15 赘的单相接地故障作为最小故障。理论上来说,光伏电源的接入会导致故障电流增加,但这并不意味着流过每个支线上的故障电流都增加。例如,在节点34处的三相故障,当20%馈线总负载容量的光伏电源接入节点24时,流过支线8上的所有分支故障电流都会增加,然而,连接节点15-16的支线,当无光伏电源接入时,其故障电流为209.97 A,当接入光伏电源后,故障电流为207.83 A。表2所示的是在节点24处接入光伏电源,某些节点处的三相接地故障的最大故障电流变化,可以看出当故障发生在光伏电源并网点时,增加的故障电流最多。

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注:比值*=(接入光伏后的故障点电流-无光伏时的故障点电流)/无光伏时的故障点电流。

重合器和熔断器的动作特性曲线具有反时限特性,流过它们的故障电流越大,它们的动作时间就越短。这样接入光伏电源后,故障电流和配合时间都可能改变。对先前假定的几种故障情况进行比较,来检查光伏电源接入情况下保护之间的协调性,除了电容器组的熔断器和熔断器F6外(熔断器F6设计成在重合器跳闸之前熔断),比较重合器的快速跳闸时间和熔断器的最小熔断时间,检验重合器是否先动作。发生瞬时故障时,动作顺序是正确的。对于永久性故障,需比较熔断器的最大熔断时间和重合器的慢速跳闸时间,假设熔断器在重合器闭锁合闸之前熔断,研究只得到了一些初步的结果。表3所示是节点34处发生接地阻抗15 赘的单相接地故障时,在某些节点接入光伏电源,重合器-熔断器F8的协调时间的变化。由于接入光伏电源,重合器和熔断器的动作时间间隔下降了,但节点34情况例外,因为光伏电源接入节点34时和熔断器F8在相同支线上,不过熔断器F8和重合器对于所有情况仍然保持协调。

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一般除了光伏电源所在支线的熔断器保护和电容器组的熔断器协调时间间隔增加外,其他熔断器的协调时间间隔减小。一个主要的不利影响是在节点24处接入光伏电源,会使任何保护设备在支线6有最小故障时不动作。光伏电源也可能产生关于保护协调性的2个主要问题。如果光伏电源在某个保护设备的下游,且故障发生在光伏电源的下游,光伏电源可以提供足够的故障电流,使其上游的保护设备检测不到故障。例如,80%馈线总负载容量的光伏电源接入节点8时,节点28处的最小故障不会使重合器分闸。对于20%馈线总负载容量的光伏电源情况,可以观察到仅支线6上的保护设备不动作。在节点24处接入的光伏电源使最小故障情况下的任何保护设备不动作,还使节点24处三相接地故障时重合器不分闸。如果光伏电源连接到保护设备的下游,故障发生在保护的上游时,光伏电源向保护设备提供反向故障电流,反向的故障电流可能使熔断器熔丝熔断,扩大停电范围。在PSCAD搭建的仿真电路中,若光伏电源放置在三相支线上时,会出现这种情况。在支线8(节点34处)光伏电源大约40%的渗透水平下,节点25处故障时,熔断器F8会在重合器的慢速跳闸之前开始熔化。同样20%的光伏电源连接到节点24,在节点20处发生故障时,熔断器F5也会在重合器的慢速跳闸之前开始熔化。解决这种问题的可行方法是在熔断器处增加具有方向性的设备。一个更不利的失调情况是在节点28处接入48%的光伏电源,当节点34处发生三相接地故障时,熔断器F8会在重合器快速分闸之前开始熔化。对于这种情况,需要求光伏在熔断器熔断之前,从电网断开(注:这里的百分数是指光伏电源容量与馈线总负载容量的比值)。

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4 结语

在PSCAD中建立IEEE 34节点测试馈线模型,在选择的节点处接入光伏电源改变了网络拓扑,光伏电源注入的短路电流使原网络的短路数据改变,短路电流的幅值变化取决于光伏电源的容量和位置。在某些接入位置或渗透水平下,光伏电源会影响保护设备的协调性。此外,接入一定的光伏电源导致熔断器流过反向电流,可能使一些保护误跳闸,并且一些光伏电源也可能导致某些保护不动作。因此,在节点24处接入光伏电源所遇到的问题并不是完全不能预料到的。尽管在本次研究中遇到的问题是相对局限的,或者仅在有大光伏电源渗透水平下才出现,一些协调问题和结果仍需要被进一步研究和验证。

参考文献

[1] 张超,计建仁,夏翔,等.分布式发电对配电网馈线保护的影响[J].继电器,2006,34(13):9-12.

[2] 高研,毕锐,杨为,等.分布式发电对配电网继电保护的影响[J].电网与清洁能源,2009,25(4):20-23.

[3] 周卫,张尧,夏成军,等.分布式发电对配电网继电保护的影响[J].电力系统保护与控制,2010,38(3):1-5.

[4] KERSTING W H. Radial Distribution Test Feeders[C]//Proc IEEE Power Engineering Society Winter Meeting,Columbus,USA,2001,2:908-912.

[5] KERSTING W H. Radial distribution test feeders[J].PowerSystems,IEEE Transactions on,IEEE Power & EnergySociety,1991,6(3):975-985.

[6] WAYNE M Z. Electrical Distribution System Protection[M].3 rd ed. [S. l.]: Cooper Power Systems,2005.

[7] BARANME,MARKABY-EI. Fault Analysis on DistributionFeeders With Distributed Generators[J]. Power Systems,IEEE Transactions on,2005,20(40):1757-1764.

[8] 曹景亮. 分布式电源对配电网继电保护的影响研究[M].武汉:华中科技大学,2008.

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收稿日期:2010-08-26。

作者简介:

张泽云(1984—),女,硕士研究生,主要研究方向为光伏对配网保护的影响。

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