油田分布式光伏并网系统逆功率保护仿真研究

荆 峰

胜利石油管理局有限公司电力分公司 山东东营 257000

1 研究背景

为了推动实现双碳战略目标,分布式光伏等新能源发电在胜利油田得到了大规模应用,胜利油田电网中广泛接入分布式光伏。在分布式电源大规模接入的电网中,如果低压母线直接并联形成点状网络,那么由低压接入的分布式电源会引起功率倒送。为保证系统安全可靠运行,必须验证逆功率保护的有效性[1]。结合油田分布式光伏并网系统特点,对于基于正序功率方向的逆功率保护和基于正序电流相位比较的逆功率保护分别进行电源进线故障、低压母线故障仿真研究,分析分布式光伏接入及负荷扰动对逆功率保护的影响。

2 仿真模型

在油田井场内建设分布式光伏并网系统,主要用电负荷为油井生产负荷。分布式光伏通过接入配电变压器0.4 kV侧,实现并网运行。根据含分布式光伏点状网络系统的实际工程结构,搭建分布式光伏并网系统仿真模型,如图1所示。仿真模型元件参数见表1。

表1 仿真模型元件参数

图1 分布式光伏并网系统仿真模型

3 逆功率保护方法

以一个周波时间窗口内的电流变化量来确定逆功率产生的原因,将其作为保护启动元件的整定量,并通过整定来躲过最大三相负载启动引起的电流突变量对保护的影响[2]。整定值Iset计算式为:

(1)

式中:N为变压器数量;Krel1为可靠因数,取1.05～1.1;Kss为综合自启动因数,取5～7;IL.max为低压母线最大三相负载电流;Pmax为低压母线最大三相负载有功功率;UN为低压母线额定电压;cosφ为系统运行时功率因数。

将表1数据代入式(1),计算得逆功率保护电流突变量整定值为0.77 kA。

对于基于正序功率方向的逆功率保护方法,电源进线发生短路故障时,继电器检测到电流突变量大于整定值,各电源进线均以变压器指向母线为电流的参考方向,以保护处正序电压相位为基准判断电流流向,作为正序功率的方向[3]。发生故障时,若正序电流Ili与正序电压Uli的相位满足式(2),则保护动作。

90°

(2)

式中:i为电源进线编号;n为电源进线总数。

而对于基于正序电流相位比较的逆功率保护方法,电源进线发生短路故障时,故障进线中正序电流方向为从电压母线流向故障点,非故障进线中正序电流方向为从中压馈线流向低压母线。故障进线与其余进线两两比较正序电流Ili、Ilj相位,得到的相位差均满足式(3)时,保护动作[4]。

90°

1≤i≤n,1≤j≤n,i≠j

(3)

式中:j为电源进线编号。

4 故障状态仿真

4.1 参考回路故障

以电源回路1作为正序电流相位参考回路,时间为6 s时,电源回路1发生三相短路故障,测量并计算非参考回路,即电源回路2、3与电源回路1的正序电流相位差,如图2所示。ph12代表电源回路1与电源回路2的正序电流相位差,ph13代表电源回路1与电源回路3的正序电流相位差。

图2 电源回路1三相短路故障时正序电流相位差

由图2可以判断,电源回路1发生三相短路故障,向电源回路1的断路器发送跳闸信号,其余电源回路的继电器在一定时间后自动返回。可见,参考回路发生故障时,逆功率保护可以可靠动作[5]。

4.2 非参考回路故障

时间为6 s时,电源回路2发生三相短路故障,各电源回路继电器所检测到的电流突变量如图3所示。测量并计算非参考回路与电源回路1的正序电流相位差,如图4所示。

图3 电源回路2三相短路故障时电流突变量

图4 电源回路2三相短路故障时正序电流相位差

由图3可知,电源回路2发生三相短路故障时,各电源回路继电器检测到的电流突变量均大于启动值,逆功率保护动作。由图4可以判断,电源回路2发生三相短路故障,向电源回路2的断路器发送跳闸信号,其余电源回路的继电器在一定时间后自动返回。可见,非参考回路发生故障时,逆功率保护可以可靠动作。

4.3 低压母线故障

时间为6 s时,低压母线发生三相短路故障,测量并计算非参考回路与电源回路1的正序电流相位差,如图5所示。

图5 低压母线三相短路故障时正序电流相位差

由图5可知,正序电流相位差均为0,逆功率保护不动作。可见,当低压母线发生三相短路故障时,基于正序电流相位比较的逆功率保护不会误动作。

5 负荷扰动仿真

时间为1 s时,将分布式光伏接入点状网络低压母线中,出力逐步增大,观测各电源回路正序功率和电流突变量变化。分布式光伏出力变化如图6所示,电源回路正序功率和电流突变量变化分别如图7、图8所示。

图6 分布式光伏出力变化

图7 电源回路正序功率变化

图8 电源回路电流突变量变化

由图8可知,电流突变量远小于整定值,逆功率保护不动作。与传统逆功率保护相比,采用基于正序电流相位比较的逆功率保护,接入电网的分布式光伏容量有大幅度增大[6]。

为了验证逆功率保护的可靠性,投入最大负载和电容器作为干扰。电容器容量设置为30%负载容量,即0.105 kvar。当时间为4 s时,投入最大负载,各电源回路电流突变量如图9所示;投入电容器,各电源回路电流突变量如图10所示。

图9 投入最大负载时电流突变量

图10 投入电容器时电流突变量

由图9、图10可知,投入最大负载和电容器时,各电源回路电流突变量远小于保护整定值,逆功率保护不会发生误动作。

由以上分析可知,油田分布式光伏并网系统正常功率倒送时,逆功率保护不动作。当中压侧发生故障及变压器发生故障时,基于正序功率方向和基于正序电流相位比较的逆功率保护可以正确动作,保护电网。

6 结束语

为保证基于正序功率方向的逆功率保护和基于正序电流相位比较的逆功率保护正确运行,对油田分布式光伏并网系统进行仿真建模,研究各类短路故障状态下逆功率保护的有效性,评估系统可接入分布式光伏容量,并分析投入最大负载和电容器等对电源回路电流突变量的影响,验证两种逆功率保护在保证油田分布式光伏并网系统安全稳定运行方面的有效性和可靠性。