CN107769177A - 基于光伏电站动态等值阻抗的自适应距离保护策略 - Google Patents

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金恩淑
张家毓
陈连君
高斯日古冷
韩慧
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Tongliao Electric Co Of State Grid Eastern Inner Mongolia Electric Power Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
Northeast Electric Power University
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Tongliao Electric Co Of State Grid Eastern Inner Mongolia Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及继电保护技术领域，是一种基于光伏电站动态等值阻抗的自适应距离保护策略，其特点是，包括的步骤有：利用光照强度和温度，光伏组件的出厂参数、斩波电路参数、逆变器参数、滤波器参数、变压器参数以及并网电压等定义光伏电站动态等值阻抗的数学模型，通过动态等值阻抗Zps计算动态分支系数kD，得到自适应距离保护Ⅱ段动态整定值Zset。此保护能够有效解决光伏电源接入使距离保护Ⅱ段作为后备保护时的拒动问题，同时动态整定值适应光伏发电的波动性和间歇性，能够提高保护的可靠性和灵敏性。

Description

基于光伏电站动态等值阻抗的自适应距离保护策略
技术领域
本发明涉及继电保护技术领域，是一种基于光伏电站动态等值阻抗的自适应距离保护策略。
背景技术
光伏电源并入电网后，不仅会改变原有配电网拓扑结构，并且随着光伏电源容量和接入位置的变化，网络中潮流方向和短路电流也会实时变化。目前66kV配电网通常采用距离保护，其保护范围与灵敏度受系统运行方式变化的影响较小，但是，光伏电源并入66kV配电网使传统距离保护的测量阻抗不能准确反映故障点的位置，引起保护拒动或误动。针对距离保护存在的问题，本文提出了一种基于光伏电站动态等值阻抗的自适应距离保护方案，对提高变电站自动化水平、保护运行管理水平、继电保护性能和减少配件装置具有实际意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，有效解决光伏电源接入使距离保护Ⅱ段作为后备保护时的拒动问题，同时动态整定值适应光伏发电的波动性和间歇性，能够提高保护的可靠性和灵敏性。
解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于光伏电站动态等值阻抗的自适应距离保护策略，其特征是，它包括的步骤有：
1)利用光照强度和温度，光伏组件的出厂参数、斩波电路参数、逆变器参数、滤波器参数、变压器参数以及并网电压定义光伏电站动态等值阻抗的数学模型；
a)光伏电源到斩波电路出口侧的等值阻抗
首先搭建光伏并网的拓扑结构以及光伏电源到斩波电路出口侧的等值电路图，光伏电池输出特性采用考虑光强和温度影响的工程等值模型,其中,S为任意光照强度，Sref为标准光照强度；T为环境温度，Tref为标准环境温度；Uoc，Isc，Um，Im为厂商提供的技术参数，Uoc为光伏电源的开路电压，Isc光伏电源的短路电流，Um为最大功率点电压，Im为最大功率点电流；α为在参考日照下的电流变化温度系数，0.015Amps/℃；β为在参考日照下的电压变化温度系数，取0.7V/℃；Rs为光伏列阵的串联电阻，与光伏组件内部单体光伏电池的串联并联方式有关；Upv为光伏电源出口侧的电压，Ipv光伏电源出口侧的电流，C1、C2为简化光伏电池模型后求解的常系数，U’oc为任意光照和温度条件下光伏组件的开路电压，I’sc为任意光照和温度条件下光伏组件的短路电流；
其次搭建Boost斩波电路，在较长的一段时间内，斩波电路的电容充电，其电压值逐渐上升到恒定值，即光伏阵列的开路电压Uocboost，可得斩波电路开关合上时的负载电流为：
式中Iscclose为开关闭合时的负载电流；Iscopen为开关开路时的负载电流，RVQ为三极管通态时电阻，取值0.2Ω；RVD为斩波电路二极管漏电阻，取值0.2Ω；Isc为光伏组件的短路电流，因此光伏电站短路电流的平均值为
式中D—Boost斩波电路的占空比，取值0.7，
式(4)为光伏电站的等值阻抗的数学模型，式(5)为光伏电站的等值电压源的数学模型，其中Ns为光伏组件的串联数，Np为光伏组件的并联数，
b)光伏电源到变压器出口侧等值阻抗
首先搭建光伏电源到逆变器出口侧的等值电路图，把逆变器等值成一个受控电压源和电阻串联，由于在逆变电路中的IGBT内阻很小，所以Zac可以忽略,利用戴维南定理可求得
其中，M为调制度；L2为滤波器电抗值；Ls为网侧阻抗；Us为并网电压；η为逆变器效率；Ppv.m为光伏电源最大点功率；Upv.m为光伏电源最大功率点电压，
其次搭建光伏电源到变压器出口侧的等值电路图，利用戴维南定理可求得
其中：
式中：Zps是一个可以根据外界环境：光强、温度；光伏组件的出厂参数：开路电压、短路电流，最大功率电电压，最大功率点电流；逆变器参数；滤波器参数；变压器参数以及并网电压等实时变化的等值阻抗，
根据此动态值计算动态分支系数kD,并对距离保护Ⅱ段进行实时整定，提高保护的可靠性；
2)通过动态等值阻抗Zps计算动态分支系数kD，得到自适应距离保护Ⅱ段动态整定值Zset；
首先确定基本出厂参数：开路电压Uoc，短路电流Isc，最大功率点电压Um，最大功率点电流；斩波电路参数；逆变器参数；滤波器参数；变压器参数等。然后检测动态参数温度T；光照强度S；并网电压Us；光伏电源在当前条件下的最大功率Ppv.m和最大功率点电压Upv.m；测量阻抗Zm；根据光伏电站等值阻抗数学模型计算动态阻抗Zps，利用Zps，ZGS和Z1计算动态分支系数kD；最后计算自适应距离保护Ⅱ段动态整定值Zset，比较测量阻抗Zm和Zset的大小判断保护是否动作。
本发明的一种基于光伏电站动态等值阻抗的自适应距离保护策略，有效的解决光伏电源接入使距离保护Ⅱ段作为后备保护时的拒动问题，同时动态整定值适应光伏发电的波动性和间歇性，能够提高保护的可靠性和灵敏性，具有保护策略科学合理，适用性强，效果佳等优点。
附图说明
图1为一种基于光伏电站动态等值阻抗的自适应距离保护策略流程图；
图2 66kV配电网典型拓扑图；
图3为光伏并网的拓扑结构图；
图4为光伏电源到斩波电路侧等值电路图；
图5为Boost斩波电路图；
图6为光伏电源到逆变器出口侧的等值电路图；
图7为利用戴维南等效后的等值电路图；
图8为光伏电源到变压器出口侧的等值电路图；
图9为利用戴维南等效后的等值电路图；
图10为自适应距离保护原理流程图；
图11为含光伏电源距离保护的PSCAD仿真模型图；
图12为光伏出口处电压电流波形图；
图13为保护1的trip信号波形图；
图14为动态分支系数k波形图；
图15为自适应距离保护和传统距离保护整定值对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例所提供一种基于光伏电站动态等值阻抗的自适应距离保护策略，根据图2的66kV配电网典型拓扑图，利用PSCAD仿真数据及MATLAB数据处理实现自适应距离保护，以线路BC处f2发生A相接地短路为例，PSCAD仿真时间为2秒，故障发生时间为1秒处，包括如下步骤：
S1：利用光照强度和温度，光伏组件的出厂参数、斩波电路参数、逆变器参数、滤波器参数、变压器参数以及并网电压等定义光伏电站动态等值阻抗的数学模型，如式(1)所示；
步骤S1利用光照强度和温度，光伏组件的出厂参数、斩波电路参数、逆变器参数、滤波器参数、变压器参数以及并网电压等定义光伏电站动态等值阻抗的数学模型，具体包括：
S11：光伏电源到斩波电路出口侧的等值阻抗
式(1)为保护1的自适应距离保护Ⅱ段整定值，其中ZⅡ set.1为光伏电站动态整定值；kD为线路动态分支系数；ZAB为线路AB等值阻抗；ZⅠ set.2为保护2的距离保护Ⅰ段整定阻抗；KⅡ rel为距离保护Ⅱ段可靠系数，一般取0.8。由于kD的大小取决于而系统等值阻抗ZGS和线路等值阻抗Z1为固定值，因此距离保护Ⅱ段整定值的大小由光伏电站的动态等值阻抗ZPS决定。
图3为光伏并网的拓扑结构，包括光伏电源，升压斩波电路，逆变器，滤波器，变压器等。其中Upv、Ipv分别为光伏电源输出的电压电流；图4为光伏电源到斩波电路出口侧的等值电路图，其中Udc、Zdc分别为等值的电压源和动态等值阻抗。
光伏电池输出特性采用考虑光强和温度影响的工程等值模型,如式(2)所示。其中S为任意光照强度，Sref为标准光照强度；T为环境温度，Tref为标准环境温度；Uoc，Isc，Um，Im为厂商提供的技术参数，分别为光伏电源的开路电压，短路电流，最大功率点电压和最大功率点电流；α为在参考日照下的电流变化温度系数，0.015Amps/℃；β为在参考日照下的电压变化温度系数，取0.7V/℃；Rs为光伏列阵的串联电阻，与光伏组件内部单体光伏电池的串联并联方式有关；Upv，Ipv分别为光伏电源出口侧的电压电流。C1、C2为简化光伏电池模型后求解的常系数。U’oc为任意光照和温度条件下光伏组件的开路电压，I’sc为任意光照和温度条件下光伏组件的短路电流。
如图5所示的Boost斩波电路，在较长的一段时间内，斩波电路的电容充电，其电压值逐渐上升到恒定值，即光伏阵列的开路电压Uocboost。由图5可知，斩波电路开关合上时的负载电流为：
式中Iscclose为开关闭合时的负载电流；Iscopen为开关开路时的负载电流。RVQ为三极管通态时电阻，取值0.2Ω；RVD为斩波电路二极管漏电阻，取值0.2Ω；Isc为光伏组件的短路电流。因此光伏电站短路电流的平均值为
式中D—Boost斩波电路的占空比，取值0.7。
式(5)为光伏电站的等值阻抗的数学模型，式(6)为光伏电站的等值电压源的数学模型，其中Ns为光伏组件的串联数，Np为光伏组件的并联数。
S12：光伏电源到变压器出口侧等值阻抗
图6和图7为光伏电源到逆变器出口侧的等值过程，其中Ueq、Zeq为光伏电源到逆变器出口侧等值的电压源和等值阻抗。把逆变器等值成一个受控电压源和电阻串联，由于在逆变电路中的IGBT内阻很小，所以Zac可以忽略,利用戴维南定理可求得：
其中,M为调制度；L2为滤波器电抗值；Ls为网侧阻抗；Us为并网电压；η为逆变器效率；Ppv.m为光伏电源最大点功率；Upv.m为光伏电源最大功率点电压。
图8和图9为光伏电源到变压器出口侧的等值过程，其中Ups、Zps为光伏电源到变压器出口侧等值的电压源和等值阻抗。ZL1、ZL2、ZC、为滤波器等值阻抗，ZT为变压器等值阻抗，利用戴维南定理可求得
其中：
式中：Zps是一个可以根据外界环境：光强、温度；光伏组件的出厂参数：开路电压、短路电流，最大功率电电压，最大功率点电流；逆变器参数；滤波器参数；变压器参数以及并网电压等实时变化的等值阻抗。
根据此动态值计算动态分支系数kD,并对距离保护Ⅱ段进行实时整定，提高保护的可靠性。
S2：通过动态等值阻抗Zps计算动态分支系数kD，得到自适应距离保护Ⅱ段动态整定值Zset；
步骤S2包括通过动态等值阻抗Zps计算动态分支系数kD，得到自适应距离保护Ⅱ段动态整定值Zset，具体包括：
S21：首先确定基本出厂参数：开路电压Uoc，短路电流Isc，最大功率点电压Um，最大功率点电流；斩波电路参数；逆变器参数；滤波器参数；变压器参数等。然后检测动态参数温度T；光照强度S；并网电压Us；光伏电源在当前条件下的最大功率Ppv.m和最大功率点电压Upv.m；测量阻抗Zm；根据光伏电站等值阻抗数学模型计算动态阻抗Zps，利用Zps，ZGS和Z1计算动态分支系数kD；最后计算自适应距离保护Ⅱ段动态整定值Zset，比较测量阻抗Zm和Zset的大小判断保护是否动作。图10为自适应距离保护原理流程图。
根据上述步骤，利用PSCAD搭建的含光伏电源的距离保护仿真模型，如图11所示。包括光伏电源模块，线路模型，基波及序分量采集模块，故障模块等。光伏电站模块内部结构图，包括光伏电源模块，升压斩波电路，逆变器模块，滤波器模块和变压器模块，MPPT模块，控制模块等。线路参数：AB长度为26.38km，线路BC长度为21.99km，线路CD的长度为47.7km；Z1＝0.0178+j0.314Ω/km，Z0＝0.295+j1.04Ω/km；光伏电源部分参数：设置当前光照强度为400W/m2，温度为25℃；参考光照强度1000W/m2,参考环境温度25℃；在参考日照下的电流变化温度系数α取0.015Amps/℃；在参考日照下的电压变化温度系数β取0.7V/℃；参考厂商提供的技术参数为最大功率点功率260W，最大功率点工作电流8.52A，最大功率点工作电压30.51V，短路电流9.09A，开路电压37.65V；光伏组件的串联数Ns为400，光伏组件的并联数Np为400；光伏逆变器效率97.5％；其他参数：滤波器电抗值L2＝0.037Ω，阻抗Ls＝0.47+j8.28Ω。
当BC线路发生A相接地短路故障时，光伏电源的出口电压电流波形如图12的a，b所示。在保护2不动作的前提下，图13为保护1的trip信号，在1.05秒处保护动作，保护1作为下级线路的后备保护正常动作；图14分别为动态分支系数kD的幅值和相角波形，kD值是一个幅值恒大于1的复数，在1秒故障时有明显增大。图15分别为自适应距离保护Ⅱ段的动态整定阻抗和传统距离保护Ⅱ段的整定阻抗。可以看出，动态分支系数kD的幅值和动态整定值的幅值由于并网点的故障信息量，在1秒故障时都有明显增大，这使当前的测量阻抗更容易小于整定阻抗，提高了保护的灵敏度；且动态整定值的幅值具有明显波动性和实时性，满足光伏发电的间歇性，适应各种运行方式的变化，提高保护的可靠性。
本发明的基于光伏电站动态等值阻抗的自适应距离保护策略仿真软件程序的编制，依据自动控制技术和计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种基于光伏电站动态等值阻抗的自适应距离保护策略，其特征是，它包括的步骤有：
1)利用光照强度和温度，光伏组件的出厂参数、斩波电路参数、逆变器参数、滤波器参数、变压器参数以及并网电压定义光伏电站动态等值阻抗的数学模型；
a)光伏电源到斩波电路出口侧的等值阻抗
首先搭建光伏并网的拓扑结构以及光伏电源到斩波电路出口侧的等值电路图，光伏电池输出特性采用考虑光强和温度影响的工程等值模型,其中,S为任意光照强度，Sref为标准光照强度；T为环境温度，Tref为标准环境温度；Uoc，Isc，Um，Im为厂商提供的技术参数，Uoc为光伏电源的开路电压，Isc光伏电源的短路电流，Um为最大功率点电压，Im为最大功率点电流；α为在参考日照下的电流变化温度系数，0.015Amps/℃；β为在参考日照下的电压变化温度系数，取0.7V/℃；Rs为光伏列阵的串联电阻，与光伏组件内部单体光伏电池的串联并联方式有关；Upv为光伏电源出口侧的电压，Ipv光伏电源出口侧的电流，C1、C2为简化光伏电池模型后求解的常系数，U’oc为任意光照和温度条件下光伏组件的开路电压，I’sc为任意光照和温度条件下光伏组件的短路电流；
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其次搭建Boost斩波电路，在较长的一段时间内，斩波电路的电容充电，其电压值逐渐上升到恒定值，即光伏阵列的开路电压Uocboost，可得斩波电路开关合上时的负载电流为：
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式中Iscclose为开关闭合时的负载电流；Iscopen为开关开路时的负载电流，RVQ为三极管通态时电阻，取值0.2Ω；RVD为斩波电路二极管漏电阻，取值0.2Ω；Isc为光伏组件的短路电流，因此光伏电站短路电流的平均值为
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式中D—Boost斩波电路的占空比，取值0.7，
式(4)为光伏电站的等值阻抗的数学模型，式(5)为光伏电站的等值电压源的数学模型，其中Ns为光伏组件的串联数，Np为光伏组件的并联数，
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b)光伏电源到变压器出口侧等值阻抗
首先搭建光伏电源到逆变器出口侧的等值电路图，把逆变器等值成一个受控电压源和电阻串联，由于在逆变电路中的IGBT内阻很小，所以Zac可以忽略,利用戴维南定理可求得
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其中，M为调制度；L2为滤波器电抗值；Ls为网侧阻抗；Us为并网电压；η为逆变器效率；Ppv.m为光伏电源最大点功率；Upv.m为光伏电源最大功率点电压，
其次搭建光伏电源到变压器出口侧的等值电路图，利用戴维南定理可求得
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其中：
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式中：Zps是一个可以根据外界环境：光强、温度；光伏组件的出厂参数：开路电压、短路电流，最大功率电电压，最大功率点电流；逆变器参数；滤波器参数；变压器参数以及并网电压等实时变化的等值阻抗，
根据此动态值计算动态分支系数kD,并对距离保护Ⅱ段进行实时整定，提高保护的可靠性；
2)通过动态等值阻抗Zps计算动态分支系数kD，得到自适应距离保护Ⅱ段动态整定值Zset；
首先确定基本出厂参数：开路电压Uoc，短路电流Isc，最大功率点电压Um，最大功率点电流；斩波电路参数；逆变器参数；滤波器参数；变压器参数等。然后检测动态参数温度T；光照强度S；并网电压Us；光伏电源在当前条件下的最大功率Ppv.m和最大功率点电压Upv.m；测量阻抗Zm；根据光伏电站等值阻抗数学模型计算动态阻抗Zps，利用Zps，ZGS和Z1计算动态分支系数kD；最后计算自适应距离保护Ⅱ段动态整定值Zset，比较测量阻抗Zm和Zset的大小判断保护是否动作。
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