集群接入的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線單相重合策略研究

，

(國(guó)網(wǎng)新疆經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

能源危機(jī)已受到世界各國(guó)的高度關(guān)注，大力發(fā)展可再生能源已成為目前社會(huì)的當(dāng)務(wù)之急。風(fēng)電作為中國(guó)基本能源政策對(duì)緩解能源供應(yīng)、改善能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)和諧社會(huì)和電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義，加快可再生清潔能源的發(fā)展和高效利用已成為中國(guó)能源領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略之一。

由于受風(fēng)能資源的影響，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式多變使風(fēng)電場(chǎng)集群的故障特性具有特殊性，常規(guī)故障分析如疊加原理不適應(yīng)，無(wú)法進(jìn)行數(shù)學(xué)分析[1-3]。隨著風(fēng)電高滲透接入和單元容量的增加，不考慮風(fēng)電的運(yùn)行特性及其影響，按常規(guī)線路配置保護(hù)及重合閘(一般重合閘不投或采用單相重合閘)，容易導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)、配合困難，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組不必要的切機(jī)，既影響風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，且難以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障時(shí)的電源支持。從近年來(lái)的運(yùn)行情況來(lái)看，如果風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)專用線路發(fā)生故障，具備無(wú)功支撐及低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行工況不同，故障性質(zhì)不同，重合的效果也大不相同。如果重合策略不合理，不但風(fēng)電場(chǎng)要遭受二次沖擊，也會(huì)影響電網(wǎng)及其他相鄰并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，而風(fēng)電場(chǎng)的集群特性還可能放大這種影響，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，嚴(yán)重影響風(fēng)電場(chǎng)及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著風(fēng)電場(chǎng)集群規(guī)模及系統(tǒng)中風(fēng)電容量的不斷增大，合理的重合閘策略已成為保證風(fēng)電場(chǎng)及其接入系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提。下面旨在依據(jù)集群風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)和研究風(fēng)電場(chǎng)故障穿越動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，研究適應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)集群運(yùn)行特點(diǎn)的重合閘策略。

風(fēng)電場(chǎng)故障特性隨運(yùn)行方式、風(fēng)電機(jī)組類(lèi)型而變。在風(fēng)電場(chǎng)故障特性及相關(guān)保護(hù)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究，取得了一定的研究成果。而與風(fēng)電相關(guān)的重合閘研究方面對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)中重合閘技術(shù)的研究較多[4-6]。文獻(xiàn)[7]研究了影響雙側(cè)有源線路重合閘的主要因素，分析了準(zhǔn)同期重合閘方式的可行性。文獻(xiàn)[8]剖析了風(fēng)電場(chǎng)側(cè)保護(hù)重合閘采用檢同期方式難以動(dòng)作成功的原因，提出了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線重合閘的合理配合方式。文獻(xiàn)[9]詳細(xì)分析了大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)對(duì)保護(hù)和重合閘的影響，提出了相關(guān)建議措施。

下面將重點(diǎn)對(duì)集群風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線的單相重合閘展開(kāi)研究，從潛供電流入手，在分析了線路數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)電特性，提出了抑制潛供電流，縮短熄弧時(shí)間的方法，在一定程度上提高了單相重合的成功率。

1 線路數(shù)學(xué)模型分析

如圖1所示，假設(shè)輸電線路c相發(fā)生單相接地故障，故障后c相兩側(cè)斷路器跳開(kāi)。但是由于故障相和正常相之間存在電感耦合和電容耦合，另一方面，線路此時(shí)非全相運(yùn)行，正常相還將持續(xù)流過(guò)電流，通過(guò)線路間互感在故障相產(chǎn)生互感電勢(shì)EM，然后通過(guò)故障相對(duì)地電容經(jīng)c0由故障點(diǎn)形成互感電流。電容電流和互感電流之和稱為潛供電流。

圖1 潛供電流原理圖

(1)

(2)

式中，U為故障相電壓；I為 c相故障電流；l為線路長(zhǎng)度，以下均相同不再?gòu)?fù)述。

設(shè)電弧電阻不計(jì)，短路點(diǎn)位于x處，在前半段0-x處有

將邊界條件帶入推導(dǎo)得

(3)

(4)

兩式聯(lián)立得

(5)

該式只能求解左半邊提供的潛供電流，同理有后半部分分量為

總的潛供電流為

(7)

由該表達(dá)式可知，組成潛供電流的兩部分不僅與線路參數(shù)有關(guān)，還與故障位置相關(guān)，前一分量耦合電容占主導(dǎo)，與線路長(zhǎng)度呈線性關(guān)系；后一分量由相間互感耦合決定，不僅與線路參數(shù)有關(guān)，還與線路傳送功率及故障位置有關(guān)。

潛供電弧熄滅瞬間在弧道上產(chǎn)生的電壓叫做恢復(fù)電壓。如果恢復(fù)電壓上升快、幅值高，就會(huì)使弧道重燃，研究表明潛供電流和恢復(fù)電壓是影響電弧熄滅的兩個(gè)主要因素。

2 集群風(fēng)電場(chǎng)重合動(dòng)態(tài)特性分析

圖2是某地區(qū)集群風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)地理接線圖。以圖中風(fēng)電場(chǎng)A為例，假設(shè)送出線路發(fā)生單相接地故障，仿真驗(yàn)證其重合不成功對(duì)電網(wǎng)的沖擊。220 kV送出線路1 s發(fā)生單相接地故障，1.05 s保護(hù)速斷，2.5 s單相重合，重合失敗后2.6 s風(fēng)電場(chǎng)跳三相脫網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

如果風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)專用線路發(fā)生故障，具備無(wú)功支撐及低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行工況不同，故障性質(zhì)不同，重合的效果也大不相同。仿真結(jié)果表明，如果重合策略不合理，不但風(fēng)電場(chǎng)要遭受二次沖擊，也會(huì)影響電網(wǎng)及其他相鄰并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，而風(fēng)電場(chǎng)的集群特性還可能放大這種影響，極端情況下可能導(dǎo)致集群脫網(wǎng)事故。

圖2 地理接線示意圖

圖3 風(fēng)電場(chǎng)A、B母線電壓曲線

圖4 風(fēng)電場(chǎng)B、C母線電壓曲線

圖5 220 kV變電站母線電壓曲線

現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)送出線路重合配置與常規(guī)電源無(wú)異，單相自動(dòng)重合閘都是固定時(shí)限的，整定值的選取考慮電弧熄滅時(shí)間、絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)、以及兩側(cè)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。綜合考慮一般取0.6～1.5 s[10]。故障點(diǎn)的電弧熄滅時(shí)間不但與線路參數(shù)有關(guān)，還與故障點(diǎn)的風(fēng)速、電弧長(zhǎng)度、潛供電流等因素有關(guān)，因此惡劣天氣條件下二次電弧長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法熄滅會(huì)極大增加重合失敗的可能。

3 重合措施分析與仿真

3.1 重合措施分析

條件不同電弧熄滅時(shí)間也不同，當(dāng)輸電線路在惡劣天氣條件下，如雨、霧等潮濕天氣發(fā)生單相接地故障，兩側(cè)斷路器跳開(kāi)后很長(zhǎng)時(shí)間二次電弧無(wú)法熄滅，在線路參數(shù)固定的前提下，如何降低潛供電流是決定單相重合成功率的決定因素。針對(duì)集群接入的風(fēng)電場(chǎng)惡劣條件下單相重合成功率不高的原因，提出以下解決措施。

圖6 單相重合策略示意圖

根據(jù)前述數(shù)學(xué)分析，式(7)中潛供電流由兩部分組成，前一分量耦合電容占主導(dǎo)，與線路長(zhǎng)度呈線性關(guān)系；后一分量由相間互感耦合決定，不僅與線路參數(shù)有關(guān)，還與線路傳送功率有關(guān)，如若在故障同時(shí)限制風(fēng)電場(chǎng)出力，就能達(dá)到降低潛供電流，加速電弧熄滅的目的。

因此提出的重合策略為：當(dāng)送出線路f點(diǎn)發(fā)生單相接地故障，兩側(cè)斷路器QF-A斷開(kāi)后，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)集電線路QF1斷開(kāi)。通過(guò)限制風(fēng)電場(chǎng)出力，從而減小聯(lián)絡(luò)線的功率傳送，達(dá)到抑制潛供電流，使電弧快速熄滅，重合時(shí)QF-A重合成功后QF1通過(guò)檢同期并入電網(wǎng)。而風(fēng)電場(chǎng)是由若干條集電線路組成，這為重合策略的實(shí)施提供了可能。

3.2 重合策略仿真驗(yàn)證

以圖2為例搭建仿真模型，采用PSASP仿真軟件分析風(fēng)電場(chǎng)A聯(lián)絡(luò)線路故障后，通過(guò)限制風(fēng)電場(chǎng)出力達(dá)到降低潛供電流的目的。

風(fēng)電場(chǎng)A總?cè)萘?98 MW，通過(guò)一條220 kV送出線路接入一座220 kV變電站。送出線路1 s發(fā)生單相接地故障，1.02 s保護(hù)速斷，2.5 s單相重合，分別仿真送出線路傳輸功率為198 MW和180 MW，約限制出力20 MW情況下線路潛供電流值。

潛供電流值取故障后0.1 s時(shí)IA的值。其值由軟件報(bào)表輸出，單位為標(biāo)幺值。有名值由下列公式可算出。

I=IA*·IA

潛供電流標(biāo)幺值：IA*=0.023 71

潛供電流值：I=0.023 71×251.02=5.951 6 A

不同線路長(zhǎng)度下潛供電流值如表1所示。

表1 潛供電流計(jì)算值 /A

仿真結(jié)果表明，風(fēng)電場(chǎng)故障時(shí)，在非全相運(yùn)行期間通過(guò)限制風(fēng)電場(chǎng)出力能在一定程度上降低潛供電流，從而加速電弧熄滅。

現(xiàn)有單相重合閘都為固定時(shí)限，整定值的設(shè)定綜合考慮了電弧熄滅時(shí)間及其絕緣恢復(fù)時(shí)間，因而成功率較高。而惡劣天氣嚴(yán)重影響熄弧時(shí)間，極大地增加了重合失敗的可能性，該重合策略能在惡劣外界條件的情況下，通過(guò)抑制潛供電流加速熄弧，提高重合成功率。但同時(shí)該方法具有一定局限性，在風(fēng)電滿發(fā)且天氣條件惡劣時(shí)效果明顯。

該方案通過(guò)切機(jī)的方式來(lái)限制潛供電流，與現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)規(guī)程不相符，但如若重合失敗，不但該風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)，極端情況下可能導(dǎo)致附近風(fēng)電場(chǎng)群脫網(wǎng)，給電網(wǎng)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。而如若對(duì)風(fēng)電場(chǎng)小部分主動(dòng)切機(jī)來(lái)抑制潛供電流，不但對(duì)電網(wǎng)影響微乎其微，而且達(dá)到了提高重合成功率的目的，從這一點(diǎn)出發(fā)，該方法具有一定的借鑒意義。

4 結(jié) 論

兩側(cè)斷路器跳開(kāi)后很長(zhǎng)時(shí)間二次電弧無(wú)法熄滅，是造成聯(lián)絡(luò)線單相重合閘失敗的主要原因，從理論上分析了聯(lián)絡(luò)線潛供電流的數(shù)學(xué)模型，提出了在非全相運(yùn)行期間通過(guò)限制風(fēng)電場(chǎng)出力達(dá)到抑制潛供電流，加速電弧熄滅的目的，雖然具有局限性，但在特定情況下有一定的借鑒意義。

[1] 何世恩，董新洲.大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)原因分析及對(duì)策[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(1): 131-137, 144.

[2] HE Shi-en, WANG Wei-zhou, JIA Huai-sen，et al. Integration of Wind Power into Gansu Grid and Its Operation[C]. The First International Conference on Sustainable Power Generation and Supply,SUPERGEN, Nanjing, April 5-7, 2009.

[3] 徐瑋，楊玉林，李政光.甘肅酒泉大規(guī)模風(fēng)電參與電力市場(chǎng)模式及其消納方案[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010,34(6)：71-77.

[4] 張保會(huì)，王進(jìn)，李光輝．具有低電壓穿越能力的風(fēng)電接入電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的配合[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備，2012,32(3)：1-6.

[5] 謝昊，盧繼平.重合閘在分布式發(fā)電條件下的應(yīng)用分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30(3)：30-34.

[6] 趙月靈，李華忠，孫嗚. 分布式電源接入對(duì)變電站距離保護(hù)及重合閘的影響[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(20)：217-221.

[7] 夏成軍，代文良，邱桂華，等.提高110 kV電網(wǎng)供電可靠性的重合閘方式研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(11)：133-137.

[8] 宋少群, 付超 , 張?zhí)m英, 等.風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線重合閘的合理配合方式[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(20)：77-80.

[9] He Shien, Suonan Jiale，Kang Xiaoning，et al.Impacts of Large-scale Wind Power Grid Integration on Relay Protection and Countermeasures[J].Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(8)：136-142.

[10] 賀家李，李永麗，董新洲，等. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理(4版)[M]. .北京:中國(guó)電力出版社, 2010.