新能源场站并网联络线纵联零序方向保护的整定研究.pdf
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1、第51 卷 第13 期 电力系统保护与控制电力系统保护与控制 Vol.51 No.13 2023年7 月1 日 Power System Protection and Control Jul.1,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.221451 新能源场站并网联络线纵联零序方向保护的整定研究 梁振锋1,马 龙1,桂小智2,潘本仁2,王晓卫1(1.西安理工大学,陕西 西安 710054;2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院,江西 南昌 330000)摘要:提出了新能源并网联络线零序方向纵联保护的整定方法。考虑了新能源场站的各种主变联结组别,包括YNd、YNdd、YNynd 接
2、线方式,推导了并网联络线区内与区外接地故障时线路两侧零序测量阻抗表达式。结果表明:并网联络线区内接地故障时,主变采用 YNd、YNdd 联结组别的新能源场站侧零序测量阻抗与联结组别有关,而主变采用 YNynd 联结组别的新能源场站侧零序测量阻抗与联结组别和系统运行方式有关。据此给出了新能源并网联络线零序正方向元件和反方向元件最大灵敏角和动作区的整定方法。PSCAD/EMTDC 仿真结果表明,各种故障情况下的零序阻抗角与分析结论一致,零序方向纵联保护能够正确可靠动作。关键词:新能源场站;零序方向纵联保护;并网联络线;零序阻抗角;变压器联结组别 The setting of zero sequen
3、ce directional pilot protection for a grid tie-line of a new energy station LIANG Zhenfeng1,MA Long1,GUI Xiaozhi2,PAN Benren2,WANG Xiaowei1(1.Xian University of Technology,Xian 710054,China;2.State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute,Nanchang 330000,China)Abstract:A new energy grid tie-li
4、ne zero-sequence directional pilot protection setting method is proposed.Considering various connection groups of main transformers in new energy stations,including YNd,YNdd,YNynd connection types,the expressions of zero-sequence measured impedance on both sides of the line are derived when ground f
5、aults occur inside and outside the grid tie-line.The results show that the zero-sequence measurement impedance of the new energy station side of the main transformer with YNd,YNdd connection types is related to the main transformer connection group when the grounding fault occurs in the grid tie-lin
6、e area.The YNynd connection type is related to the main transformer connection group and the system operation mode.Based on the results,the setting method of the maximum sensitive angle and action zone of the zero-sequence positive and negative directional elements of the new energy grid tie-line is
7、 given.PSCAD/EMTDC simulation results show that the zero-sequence impedance angle is consistent with the analysis conclusion in various fault conditions,and the zero-sequence directional pilot protection can operate correctly.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China
8、(No.52177114).Key words:new energy station;zero-sequence directional pilot protection;grid tie-line;zero-sequence impedance angle;transformer connection group 0 引言 为实现“碳达峰、碳中和”目标,我国需要大力发展风电、光伏等新能源。新能源并网联络线故障后,受新能源电源并网控制的影响,场站侧故障 基金项目:国家自然科学基金项目资助(52177114);国网江西省电力有限公司科技项目资助(52182020008H)电流呈现幅值受限、相角受
9、控等特征1-3。在低电压穿越过程中,逆变器发出的无功电流导致传统差动保护灵敏度低,差动电流与制动电流之比接近于14-7。因此,新能源并网联络线纵差保护得到广泛研究。文献8-11利用两侧故障电流波形的相关系数构造保护判据,但该方法对通信要求较高,新能源弱出力甚至无风、无光时,保护不能正确动作。文献12利用参数识别方法判别区内外故障,区外故梁振锋,等 新能源场站并网联络线纵联零序方向保护的整定研究 -83-障呈电容模型,区内故障呈电感模型,但该方法受高次谐波影响。文献13通过调整自适应阈值构成差动保护判据。文献14利用送出线两端的距离保护方向元件判断区内外故障。目前,新能源并网联络线高阻接地故障保
10、护灵敏度不足。文献15指出风电的弱馈特性使并网联络线距离保护耐过渡电阻能力减小。零序方向纵联保护常用于反映高压输电线路高阻接地故障16-17。文献17指出同塔双回线中零序电压会导致过补偿,提出利用负序方向元件辅助判据以改善零序纵联保护性能。文献18针对高阻接地故障和 PT 断线,提出电流自构参考量的电流方向纵联保护。文献19-21研究了新能源发电并网后方向元件的适应性。新能源场站主变联结组别多样,运行方式复杂,本文分析了新能源并网系统主变采用 YNd、YNdd、YNynd 联结组别时对零序方向元件的影响,给出了零序纵联方向保护方向元件的整定原则和方法。分析了不同主变联结组别下联络线路两侧正反方
11、向接地故障时的零序测量阻抗,结果表明零序测量阻抗与主变联结组别和系统运行方式有关。给出了不同主变联结组别下场站侧零序正反方向元件的最大灵敏角整定方法。PSCAD/EMTDC 仿真表明,零序方向元件能够可靠动作,且受过渡电阻、新能源出力、新能源运行方式影响较小,具有一定的抗过渡电阻能力和较好的灵敏度,对工程应用有一定的参考价值。1 零序方向纵联保护及其整定 高压线路往往配置有零序方向纵联保护,如CSC-103C/103D 系列线路保护装置。其中零序方向元件设有正、反方向元件,反方向元件灵敏度比正方向元件高,其电流门槛值取为正方向元件的 0.625倍22。正反方向元件的动作区如图 1 所示。图 1
12、 零序方向元件动作区 Fig.1 Action area of zero-sequence directional element 零序正方向动作区为 0018arg(3/3)180IU (1)零序反方向动作区为 00162arg(3/3)0IU (2)式中,0U、0I 分别为保护安装处的零序电压和零序电流相量。零序正方向元件的动作判据为:00set33II,且零序方向位于正方向动作区。其中0set3I为零序I-IV 段电流定值中的最小值。零序反方向元件的动作判据为:030.625I 0set3I,且零序方向位于反方向动作区。2 新能源场站电气主接线方式对零序方向的影响 与常规电站相比,新能源
13、场站电气主接线形式多样,存在多种变压器联结组别形式。变压器绕组的联结组别对零序电流的流通有很大影响23。2.1 新能源场站不同主变接线方式 图 2 为 3 种新能源场站主变压器的类型和接线组别方式8,24-25。图 2 新能源场站主接线图 Fig.2 Main wiring diagram of new energy station 图 2 中,方式一的主变为 YNd 接线方式,新能源场站经 35 kV 汇集,220 kV 或 110 kV 并网送出。方式二的主变为 YNdd 接线方式,低压侧两个三角形接线可接入两个新能源场站,经 220 kV 并网送出。方式三主变为 YNynd 接线方式,新
14、能源场站 1-84-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 经 Dyn 变压器接入,新能源场站 2 经 YNd 变压器接入,后经 220 kV 并网送出。对于方式一的变压器T及方式三的变压器T-3,1Z 为高压侧绕组阻抗,2Z 为低压侧绕组阻抗;对于方式二的变压器 T,T1Z为高压侧漏抗,T2Z为低压侧漏抗,T3Z表示中压侧漏抗;对于方式三的变压器 T-1,IZ 为高压侧绕组阻抗,IIZ 为低压侧绕组阻抗,IIIZ 为中压侧绕组阻抗。m0Z为励磁阻抗。2.2 新能源联络线故障时零序方向元件动作特性 规定零序电流由母线流向线路为正。新能源并网联络线区内接地故障时,对于方式一、二、三,系统侧的零序测
15、量阻抗s0Z为系统侧的零序等效阻抗。2.2.1 方式一、二联络线故障 联络线区内接地故障时,方式一和方式二的零序网络如图 3 所示。图 3 中:P 表示场站侧母线,S表示系统侧母线;p0Z为场站侧零序测量阻抗;s0Z为系统侧零序测量阻抗;L0Z为联络线零序阻抗;为故障点到 P 母线的距离占线路全长的比例;p0I、s0I分别为场站侧和系统侧的零序电流;p0U、s0U分别为场站侧和系统侧的零序电压;0U为故障点零序电压;f 为故障点。图 3 区内故障时方式一和方式二的零序网络图 Fig.3 Zero sequence network diagram of mode 1 and mode 2 in
16、internal fault 图4为YNd接线和YNdd接线方式的变压器零序等值电路图。图 4 变压器零序等值电路 Fig.4 Zero sequence equivalent circuit of transformer 如图 4(a)所示,场站侧零序测量阻抗如式(3)。2m0p01122m0ZZZZZZZZ (3)如图 4(b)所示,场站侧零序测量阻抗如式(4)。T2T3p0T1T2T3ZZZZZZ (4)由式(3)、式(4)可知,区内故障时方式一和方式二场站侧保护的零序测量阻抗存在差异。2.2.2 方式三联络线故障 联络线区内故障时,方式三在不同运行方式下的零序等值网络如图 5、图 6
17、所示。图中,k为主变高压侧与中压侧的变比,0lZ为l5线路零序阻抗,T-30Z为变压器 T-3 的零序阻抗。其中,T-30Z、0lZ已换算到高压侧。方式三根据运行方式可分为两种情况。其中,新能源场站分为正常运行和停运两种状态。新能源场站 1、场站 2 停运是指l4、l5线路首端断路器跳开。1)第一种情况:新能源场站 1、2 正常运行或新能源场站 1 停运、场站 2 正常运行。图 5 为该运行方式下联络线接地故障零序等值电路图。图 5 区内故障零序等值网络 Fig.5 Zero sequence equivalent network of internal fault 由图 5 可得,场站侧零序
18、测量阻抗如式(5)。22IIIII0T-30p0I22IIIII0T-30()=llZZk Zk ZZZZZk Zk Z (5)2)第二种情况:新能源场站 1 运行、场站 2 停运或新能源场站 1、2 均停运。图 6 为该运行方式下联络线接地故障零序等值网络图。图 6 场站 2 停运的零序等值网络 Fig.6 Zero sequence equivalent network of station 2 outages 该运行方式下,变压器中压侧无零序流通回路,因此场站侧零序测量阻抗如式(6)所示。p0IIIZZZ (6)由式(5)、式(6)可知,区内故障时方式三在不同运行方式下,场站侧零序测量阻
19、抗不同。2.3 场站侧反方向线路故障时零序方向元件动作特性分析 场站侧区外故障时,系统侧零序测量阻抗仍为梁振锋,等 新能源场站并网联络线纵联零序方向保护的整定研究 -85-系统侧的零序等效阻抗。2.3.1 方式一和方式二反方向故障 联络线区外场站侧反方向接地故障时,即在方式一的l1线路或方式二的l2线路接地故障时,由于没有零序通路,无零序电流产生,因此场站侧的零序方向元件不启动。2.3.2 方式三反方向故障 根据方式三的不同运行方式和零序等值网络,分为两种情况分析。1)新能源场站 1、2 均正常运行和新能源场站 1停运、场站 2 正常运行,l5线路发生接地故障时,零序等值网络如图 7 所示,符
20、号含义和图 5 一致。图 7 新能源场站 1、2 正常运行区外故障零序网络图 Fig.7 Zero sequence network diagram of outside faults of new energy stations 1 and 2 during normal operation 如图7所示,场站侧零序测量阻抗如式(7)所示。p0L0s0ZZZ (7)当l4线路接地故障时,联络线无零序电流,因此零序方向元件不启动。2)新能源场站 1 正常运行、场站 2 停运和新能源场站 1、2 都停运,l4线路接地故障时,无零序电流,因此场站侧零序方向元件不启动;l5线路接地故障时,场站侧零序方
21、向元件测量阻抗如式(7)所示。根据以上分析,场站侧反方向线路接地故障时,零序测量阻抗与系统的运行方式有关。3 零序方向元件的整定 对于方式一、二、三,系统侧的零序方向元件按文献22的方法整定。本节主要给出场站侧零序方向元件的整定方法。对于方式一、二、三,场站侧零序反方向元件的最大灵敏角整定为 senp0L0s0arg()arg()ZZZ (8)方式一场站侧零序正方向元件最大灵敏角整定为 senp012arg()arg()ZZZ (9)方式二场站侧零序正方向元件最大灵敏角整定为 T2T3senp0T1T2T3arg()arg ZZZZZZ (10)方式三的最大灵敏角根据新能源场站的不同运行方式整
22、定,分为两种情况。1)新能源场站 1、2 均正常运行和新能源场站 1停运、场站 2 正常运行时,场站侧零序正方向元件的最大灵敏角为 22IIIII0T-30sen1p0I22IIIII0T-30()arg()argllZZk Zk ZZZZZk Zk Z(11)2)新能源场站 1 正常运行、场站 2 停运和新能源场站 1、2 都停运时,场站侧零序正方向元件的最大灵敏角为 sen2p0IIIarg()arg()ZZZ (12)在方式三的不同运行方式下,零序阻抗的大小不同,但计算出的零序阻抗角差异较小,因此方式三的最大灵敏角按两种情况下最大灵敏角的平均值整定,如式(13)所示。sensen1sen
23、21=()2 (13)零序正方向动作区为 p0sensenp090arg270UI (14)零序反方向动作区为 p0sensenp090arg90UI (15)图8为本文整定方法确定的零序方向元件动作区。图 8 零序方向元件的动作区 Fig.8 Action area of zero-sequence directional element 4 仿真验证 在 PSCAD 中搭建新能源并网系统仿真模型,如图 9图 11 所示。图 9 为风电并网系统模型图,联络线电压等级为 220 kV,左侧为 100 台 2 MW 风机构成的 200 MW 风电场,主变为 YNd 接线方式,短路阻抗为 14%,
24、短路损耗为 560 kW。并网系统正序阻抗为2.43j54.35,零序阻抗为1.1j16.6。-86-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 图 10 为光伏并网接入系统模型图,两个光伏场站容量各为 80 MW,主变采用 YNdd 接线。图 11 为光伏、风电混合并网系统模型图,左侧为 50 台 2 MW风机形成的 100 MW 风电场以及 100 个 0.5 MW 光伏单元形成的 50 MW 光伏电站,主变为 YNynd 接线方式。图 10 和图 11 的主变额定容量均为 160 MVA,其短路阻抗均为高-中为 22%,高-低为 14%,中-低为 9%;短路损耗为 807 kW26。并网联络线
25、路均为 40 km,其单位正序阻抗为0.076j0.338/km,单位零序阻抗为0.284j0.824/km,单位正序、零序电容分别为0.0086 F/km、0.0061 F/km。图10和图11的并网系统等效正序阻抗为0.4j12.568,等效零序阻抗为0.6j18.849。采样频率为2.5 kHz,0k、1k、2k、3k、4k、5k分别为并网联络线上不同的故障位置,即在光伏侧区外、联络线区内(10%、50%、90%)、系统侧区外。如图11所示,0(50%)f为35 kV线路故障位置,1(10%)f、2(50%)f、3(90%)f分别为110 kV线路不同故障位置。图 9 风电并网系统模型图
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