新能源接入系统的电压暂降源定位方法研究

夏 锐,王媛媛,谭志勇

(长园共创电力安全技术股份有限公司,广东 珠海 519085)

通过对某一地区电压暂降的监测,结合电压暂降的随机预估,能够很好的了解各个地区何种电压暂降发生的幅值和频次,对于影响较大的用户,可以通过此结果确定是否需要改变供电节点,从而减小由于电压暂降带来的经济损失[1]。同时,将电压暂降源的判断结果与经济性评估相结合,能够为用户接入点的选择提供一定的依据,提高其经济效益[2]。电压暂降源的准确识别也可以为解决系统与用户间的纠纷提供一定的依据。

风电和太阳能等新能源的接入对系统的电能质量带来了新的问题。基于电力电子器件的接口增大了谐波污染,新能源功率的变动性和随机性容易引起闪变和频率变动,无功功率的需求会引起电压方均根值的变化。此外,新能源发电系统中发生故障时也会引起接入点电压的变化,甚至出现电压暂降事件。当发生电压暂降事件时还会引起新能源发电系统的低电压穿越问题。为此,需通过对新能源接入点监测数据的分析,确定电压暂降是否是新能源发电系统所引起的就尤为必要。

1 电压暂降源定位方法

目前国内外对电压暂降源定位的研究,大体有以下几种方法:基于扰动功率和扰动能量的方法、系统参量直线斜率法、实部电流分量法、等效阻抗电阻符号法、距离阻抗继电器法、无功功率变化法、基于故障类型方法等[3]。

比较分析以上各种暂降源的判定方法,其中扰动功率和扰动能量法没有明确的数学分析方法,且这个方法的可信度也会因为扰动功率与扰动能量的结果不匹配而降低。基于故障类型的方法需要对导致暂降发生线路故障、感应电机启动和变压器投运等3个主要原因先进行确定,再判断暂降源与监测装置的相对位置关系;等效阻抗电阻符号法需要测量监测点所在支路n个周期内的电压和电流,通过伪逆法求解2个矩阵。当得到的电阻符号不一致时不能应用此方法,且暂降前后测量周期的选择会影响结果的正确性。系统参量直线斜率法是利用电压暂降发生时,从监测点获得的基波电流幅值I和基波电压幅值U cos与功率因数的乘积之间的关系来确定电压暂降源的位置。应用最小二乘法将测得的(I,U cos)在直角坐标系中拟合成一条直线,通过判断该直线的斜率来确定电压暂降源的位置[4-5]。相关文献对以上各种方法进行了比较,其结果表明距离阻抗继电器法较其他方法判定特性较好。但该方法还存在一些局限:在辐射网中,如果故障发生在电源和距离阻抗继电器之间,阻抗不会发生变化;如果发生的是永久性故障,可能无法从距离阻抗继电器处得到结论。改进的距离阻抗法通过选取合理的阈值,可以提高方法的可信度和正确性。

2 改进的距离阻抗法

引起电压暂降的主要原因是系统短路故障、变压器投运以及大型感应电动机启动,使系统电流突然增大几倍甚至几十倍,导致公共连接点电压短时下降。根据电压暂降发生期间,公共连接点电压和支路电流的特性,可以利用距离阻抗对暂降源进行定位。

电能质量监测装置可以根据公共连接点电压和所监测支路的电流计算出电压暂降发生前后距离阻抗幅值和相角,并结合同一时刻各处电能质量监测装置的判断结果来定位暂降源。

距离阻抗的计算方法如式(1):

式中:|Z|为距离阻抗的幅值;U为相电压的基波正序分量有效值;I为线电流的基波正序分量有效值。

式中:∠Z为距离阻抗的相角;∠U为相电压的基波正序分量的相角;∠I为线电流的基波正序分量的相角。

由式(1)和(2)可以计算出暂降发生期间和暂降发生前距离阻抗的幅值和相角。为了便于分析暂降发生前后距离阻抗的变化趋势,把距离阻抗幅值的变化率和相角的增量做为判断的标准。

式中:Δ|Z|为距离阻抗幅值在暂降发生期间对比于暂降发生前的变化率;Δ∠Z为距离阻抗相角在暂降发生期间对比于暂降发生前的增量。|Zsag|和|∠Zsag|分别为暂降发生期间距离阻抗的幅值和相角;|Zpresag|和|∠Zpresag|分别为暂降发生前距离阻抗的幅值和相角。

根据电压暂降期间支路电流和公共连接点电压的变化可以总结出:下游支路故障或变压器投运引起电压暂降时,本条支路距离阻抗幅值和相角均发生大幅度变化;上游支路故障或变压器投运引起电压暂降时,本条支路距离阻抗幅值和相角变化幅度较小。根据暂降期间距离阻抗幅值和相角的变化规律,并通过大量的仿真分析,选择较合理的阈值,为暂降源的正确定位提供判断依据。

若同时满足式(4)和(5),则判定电压暂降源位于电能质量监测装置的下游。若式(4)和式(5)不能同时满足,则判定电压暂降源位于电能质量监测装置的上游。

3 仿真验证

3.1 仿真模型

图1给出了所用的电压暂降源定位的仿真系统模型图。

图1 电压暂降系统仿真模型

这是一个包含35 kV 输电、10 kV 配电和接入33台1.5 MW 双馈电机构成的风电场模型辐射型系统。各变压器的参数设置如表1所示。设定新能源支路故障点F1、Fa,普通负载支路故障点F2、Fb和系统侧故障点F1`(B110)以及3个监测点M1、M2、M3,上图1所示,在故障点设置对称故障(三相短路)和不对称故障(单相接地、两相接地、两相短路),通过分析从监测点得到的数据,验证电压暂降源定位方法的可行性和准确性。以下以故障点F1发生三相短路故障、两相接地故障和两相短路故障,Fa发生单相接地故障为例,通过监测点M1、M2、M3获得的数据验证暂降源上下游的判定方法。

表1 变压器参数设置

3.2 暂降方法的验证

3.2.1 短路故障

3.2.1.1 三相短路故障

故障点F1设置三相短路故障,图2分别是监测点M1、M2、M3在暂降期间距离阻抗的幅值和相角变化。分别计算暂降发生前2个周期内和暂降期间距离阻抗的幅值和相角的平均值及其变化率,结果如表2所示。

图2 F1点发生三相短路故障监测点

表2 F1三相短路故障监测点M1、M2、M3距离阻抗幅值相角

由表2可以看出,监测点M1距离阻抗幅值变化率超过了-40%且相角的增量大于25°,判断出暂降源发生在监测点M1的下游,M2和M3距离阻抗幅值和相角变化很小,判断出暂降源位于上游方向,计算结果与仿真设置一致。

3.2.1.2 两相接地故障

故障点F1 设置两相接地故障(U 相和V相),监测点M1、M2、M3在暂降期间距离阻抗的幅值和相角变化如图3所示。距离阻抗的幅值和相角结果如表3所示。

图3 F1点发生两相接地故障监测点

表3 F1两相接地故障监测点M1、M2、M3距离阻抗幅值相角

由表3可以看出,对于两相接地故障,监测点M1的阻抗幅值和相角的变化满足下游判定条件,M2和M3幅值和相角变化不大,判定暂降源位于上游方向,计算结果与仿真设置一致。

3.2.1.3 两相短路故障

F1发生两相短路故障,其监测点M1、M2和M3的距离阻抗幅值和相角的计算结果如表4所示,可以看出上下游的判定结果是正确的。

表4 F1两相短路故障监测点M1、M2、M3距离阻抗幅值相角

3.2.1.4 单相接地故障

设置故障点Fa发生单相接地故障,图4为监测点M1、M2、M3的采用上下游判定方法的仿真结果,表5为监测点距离阻抗幅值和相角的变化值。

由表4和表5可以看出,对于两相短路故障和单相接地故障,距离阻抗的幅值变化率和相角增量均符合下游判定条件,M2和M3阻抗幅值和相角变化不大,判定为上游,计算结果与仿真设置一致。

图4 Fa点发生单相接地故障监测点

表5 Fa单相接地故障监测点M1、M2、M3距离阻抗幅值相角

通过上述仿真结果可知,对于风电场接入电网支路发生三相短路、两相接地、两相短路、单相接地故障,距离阻抗法都能够正确的判断出暂降源的上下游位置。从数据结果来看,不管是哪种故障,相角增量都超过150°,变化较为明显,而幅值变化率,在多相故障是,幅值变化率超过-80%,变化较为明显,而单相故障时,幅值变化率超过达到-47.29%,变化较小,但是仍超过设定的阈值-40%,因此,选定的阈值是比较合理的。

3.2.2 短路容量的影响

现考察短路容量的改变是否会对电压暂降源上下游判定结果造成影响。设置故障点Fa发生单相接地故障,改变节点B35 的短路容量由257.90 MVA 增加到271.99 MVA,图5为监测点M1、M2和M3的距离阻抗幅值和相角变化,表6为距离阻抗幅值变化率和相角增量的结果,其中短路容量为271.99 MVA。

图5 Fa点发生单相接地故障监测点

表6 监测点M1、M2、M3距离阻抗幅值和相角

观察上述结果,监测点M1、M2和M3对于上下游的判定结果都是正确的。

现改变短路容量到287.50 MVA、324.75 MVA,Fa设置单相接地故障,观察监测点距离阻抗幅值和相角的变化,发现监测点M2和M3阻抗幅值和相角变化不大,判定结果正确,故只针对变化较大的监测点M1分析比较如表7所示。

表7 短路容量变化时监测点M1距离阻抗幅值和相角短路容量

由表7发现,随着短路容量的增加,距离阻抗幅值的变化率和相角的变化不大,表明短路容量的变化对暂降上下游的判定结果没有明显的影响。

4 结论

改进的距离阻抗法通过选取合理的阈值,可以通过监测装置的数据准确的判定暂降源的来源,仿真计算风电场接入电网支路发生三相短路、两相接地、两相短路、单相接地故障,结果都能够正确的判断出暂降源的上下游位置,而且断路容量的变化对结果没有明显影响。