風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試?yán)^電保護(hù)策略研究

張松科，易吉良，李軍軍，姜建偉，江元元

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試?yán)^電保護(hù)策略研究

張松科，易吉良，李軍軍，姜建偉，江元元

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電網(wǎng)要求風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越能力。在測(cè)試風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力時(shí)，為保證風(fēng)電機(jī)組及電壓跌落裝置的安全，設(shè)計(jì)了一套包括反時(shí)限過流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、低/過壓保護(hù)、低/過頻保護(hù)以及差動(dòng)保護(hù)等5個(gè)保護(hù)模塊的繼電保護(hù)系統(tǒng)，并在風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越仿真測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)故障時(shí)可靠動(dòng)作，低電壓穿越測(cè)試時(shí)不會(huì)誤動(dòng)作，能夠躲過風(fēng)電機(jī)組起動(dòng)時(shí)的尖峰電流，起到保護(hù)電壓跌落裝置的作用。

風(fēng)電機(jī)組；低電壓穿越；電壓跌落裝置；繼電保護(hù)

1 研究背景

隨著大容量風(fēng)電機(jī)組的飛速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的比例逐漸增加，其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響不容忽視。在風(fēng)電發(fā)展初期，風(fēng)電在電力系統(tǒng)中所占比重較小，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組會(huì)因自我保護(hù)而立即脫網(wǎng)。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量較大的系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)會(huì)造成電網(wǎng)的電壓和頻率嚴(yán)重下降，導(dǎo)致故障加劇，甚至引起電網(wǎng)崩潰[1-2]。因此，電網(wǎng)安全運(yùn)行準(zhǔn)則要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有一定的低電壓穿越能力，以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓瞬間跌落時(shí)仍能保持并網(wǎng)[3]。

國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《國(guó)家電網(wǎng)公司風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版）》對(duì)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力做出了如下要求：

a）風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)（與公共電網(wǎng)直接相連的風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器高壓側(cè)母線或節(jié)點(diǎn)）電壓跌至額定電壓的20%時(shí)，能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms的能力；

b）在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)定的風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越運(yùn)行具體要求如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求Fig.1 Requirements of wind farm low voltage ride-through

在測(cè)試風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力時(shí)，為了保證風(fēng)電機(jī)組在正常工作以及在外部電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落時(shí)，測(cè)試低電壓穿越運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)較為完善的保護(hù)模塊，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施[4]。

本研究擬利用MATLAB/SIMULINK搭建風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試平臺(tái)，并且對(duì)風(fēng)電機(jī)組和電壓跌落裝置（voltage sag generator，VSG）建立仿真模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組與VSG的特點(diǎn)，以及各種保護(hù)的原理對(duì)該平臺(tái)的繼電保護(hù)模塊進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，以期為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)提供一定的理論參考依據(jù)。

2 風(fēng)電機(jī)組與VSG保護(hù)系統(tǒng)原理

風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)是電網(wǎng)通過電壓跌落裝置連接到風(fēng)電機(jī)組，電壓跌落裝置可按照要求改變輸出電壓，使得風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)模擬出不同程度的電壓跌落。根據(jù)對(duì)繼電保護(hù)的要求，繼電保護(hù)裝置動(dòng)作切除故障的時(shí)間必須滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

保護(hù)系統(tǒng)共設(shè)置了5個(gè)保護(hù)風(fēng)電機(jī)組與VSG安全運(yùn)行的保護(hù)模塊，即反時(shí)限過流保護(hù)模塊、速斷過流保護(hù)模塊、低/過頻保護(hù)模塊、低/過壓保護(hù)模塊和差動(dòng)保護(hù)模塊[5]，如圖2所示。

圖2 風(fēng)電機(jī)組和VSG保護(hù)系統(tǒng)Fig. 2 Wind turbines and VSG protection system

此保護(hù)系統(tǒng)適用于1.5 MW及以上雙饋異步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越仿真系統(tǒng)，以及2 MW及以上直驅(qū)發(fā)電機(jī)型風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越仿真系統(tǒng)。

2.1 反時(shí)限過流保護(hù)

反時(shí)限過流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間隨著過電流的增大而減小，當(dāng)電流較大時(shí)，動(dòng)作時(shí)限比較短；而當(dāng)電流較小時(shí)，動(dòng)作時(shí)限自動(dòng)延長(zhǎng)。適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)反時(shí)限特性曲線t=f(I) ，使反時(shí)限過流保護(hù)動(dòng)作特性與發(fā)電機(jī)允許的過電流曲線相配合，就能有效地防止發(fā)電機(jī)承受過電流而損壞[6]。本研究中，反時(shí)限過流保護(hù)的SIMULINK仿真模型如圖3所示。

圖3 反時(shí)限過流保護(hù)仿真模型Fig.3 Simulation model of inverse-time overcurrent protection

系統(tǒng)反時(shí)限特性曲線t=f(I)的數(shù)學(xué)模型為

式中：I是以發(fā)電機(jī)的額定電流為基值的故障電流標(biāo)么值；

A和r為常數(shù)，且A的量綱為時(shí)間。

上式表明，過電流繼電器的動(dòng)作時(shí)間 t是故障電流I的函數(shù)。當(dāng)I＜1時(shí)，t＜0，表示過電流繼電器不動(dòng)作；當(dāng)I＞l時(shí)，t＞0，過電流繼電器動(dòng)作于跳閘。故障電流越大，繼電器動(dòng)作時(shí)間越小，表明繼電器動(dòng)作時(shí)間與故障電流成反時(shí)限特性。

本方案中采用如下極端反時(shí)限特性數(shù)學(xué)模型：

式中： 為與溫升裕度、定子繞組溫升特性等因素有關(guān)的修正系數(shù)，一般取0.05；

常數(shù)A由制造廠提供，本研究中取80。

反時(shí)限特性模型中，電流均以發(fā)電機(jī)額定電流IN為基值[7]。

2.2 速斷過流保護(hù)

速斷過流保護(hù)按照被保護(hù)設(shè)備的短路電流來(lái)整定，當(dāng)短路電流超過設(shè)定值時(shí)，保護(hù)裝置會(huì)立即動(dòng)作，斷路器跳閘。速斷過流保護(hù)沒有延時(shí)，動(dòng)作可靠，切斷故障速度較快。

在本模型中，采用速斷過流保護(hù)作為短路故障的主保護(hù)，能夠自動(dòng)改變整定值。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)電流一般比較大，在起動(dòng)過程中，速斷過流保護(hù)的整定值按躲過起動(dòng)電流來(lái)設(shè)定。在起動(dòng)過程結(jié)束后，整定值自動(dòng)減小為正常設(shè)定值，從而提高系統(tǒng)故障情況下的靈敏度。

速斷過流保護(hù)動(dòng)作條件為：

Im為起動(dòng)過程中的速斷電流定值；

T為起動(dòng)時(shí)間；

Is為正常運(yùn)行時(shí)的速斷電流定值。

所設(shè)計(jì)的速斷過流保護(hù)的SIMULINK仿真模型如圖4所示。

圖4 速斷過流保護(hù)仿真模型Fig. 4 Simulation model of instantaneous overcurrent protection

2.3 低/過頻保護(hù)

電網(wǎng)電壓頻率對(duì)電氣設(shè)備有著較大的影響，當(dāng)頻率過大或過小時(shí)，都會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成損壞。頻率保護(hù)裝置持續(xù)測(cè)量電網(wǎng)電壓的即時(shí)頻率，并將測(cè)量值經(jīng)過均值濾波算法處理后，與電網(wǎng)固有頻率進(jìn)行比較，若測(cè)量頻率超出允許波動(dòng)范圍，則頻率保護(hù)動(dòng)作，斷路器跳閘。

系統(tǒng)的低頻保護(hù)動(dòng)作條件為：

式中：fl為低頻保護(hù)設(shè)定值；

Tfl為低頻保護(hù)動(dòng)作延時(shí)時(shí)間。

系統(tǒng)的過頻保護(hù)動(dòng)作條件為：

式中：fo為過頻保護(hù)設(shè)定值；

Tfo為過頻保護(hù)延時(shí)設(shè)定時(shí)間。

所設(shè)計(jì)的低/過頻保護(hù)的SIMULINK仿真模型如圖5所示。

圖5 頻率保護(hù)仿真模型Fig. 5 Simulation model of frequency protection

2.4 低/過壓保護(hù)

電壓故障要求反應(yīng)速度較快，當(dāng)電網(wǎng)電壓消失后，保護(hù)動(dòng)作，斷路器跳閘，將風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)中脫離，以免風(fēng)力發(fā)電設(shè)備遭到損壞。

低電壓保護(hù)判據(jù)為：當(dāng)三相電壓均小于低電壓保護(hù)整定值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)，斷路器延時(shí)跳閘。

低電壓保護(hù)動(dòng)作條件為：

式中：UL為低電壓保護(hù)設(shè)定值；

TVL為低電壓保護(hù)延時(shí)時(shí)間。

過電壓保護(hù)動(dòng)作條件為：

式中：Uo為過電壓保護(hù)設(shè)定值；

TVo為過電壓保護(hù)延時(shí)時(shí)間。

低/過壓保護(hù)的SIMULINK仿真模型與頻率保護(hù)相似，在此基礎(chǔ)上添加電壓跌落裝置VSG動(dòng)作判據(jù)，當(dāng)VSG動(dòng)作時(shí)，閉鎖電壓保護(hù)，防止此時(shí)繼電保護(hù)誤動(dòng)作。

2.5 差動(dòng)保護(hù)

差動(dòng)保護(hù)是變壓器的主保護(hù)，主要用來(lái)保護(hù)雙繞組或三繞組變壓器繞組內(nèi)部及其引出線上發(fā)生的各種相間短路故障，同時(shí)也可以用來(lái)保護(hù)變壓器單相匝間的短路故障?？v差保護(hù)分為比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)、標(biāo)積比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)、故障分量差動(dòng)保護(hù)等，本設(shè)計(jì)中采用比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)。比率制動(dòng)式分相差動(dòng)的作用是利用分相比率制動(dòng)判據(jù)實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)跳閘，其動(dòng)作判據(jù)為[9]：

這種玩法讓陳小華不能理解，他坦承雖然當(dāng)時(shí)58到家對(duì)高額補(bǔ)貼的后果看得不像今天這么透，但是這個(gè)模式肯定到不了58到家要的彼岸，所以一定是錯(cuò)誤的。

拐點(diǎn)前：

Iop＞Iop,min，Ires＜Ires,min。

拐點(diǎn)后：

式中：Iop為差動(dòng)電流的幅值；

Ires為制動(dòng)電流的幅值；

Iop,min為差動(dòng)保護(hù)最小動(dòng)作電流；

Ires,min為差動(dòng)保護(hù)最小制動(dòng)電流；

Kres為制動(dòng)系數(shù)。

以A相為例，其差動(dòng)電流和制動(dòng)電流分別為：

式中：IA為變壓器高壓側(cè)A相電流；

Ia為變壓器低壓側(cè)A相電流。

升壓變壓器一般采用Yd11接線方式，因此在差動(dòng)保護(hù)中需要進(jìn)行相位補(bǔ)償。其補(bǔ)償方式為：

式中：I′a，I′b，I′c分別為低壓側(cè)三相電流經(jīng)補(bǔ)償計(jì)算后的值；

IA, IB, IC分別為高壓側(cè)三相電流。

變壓器差動(dòng)保護(hù)的SIMULINK仿真模型見圖6。

圖6 差動(dòng)保護(hù)仿真模型Fig. 6 Simulation model of differential protection

3 仿真模型的建立

在MATLAB中，利用SIMULINK工具箱搭建了一個(gè)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試平臺(tái)，在電壓跌落裝置高低壓側(cè)斷路器上安裝了繼電保護(hù)模塊。低電壓穿越測(cè)試保護(hù)系統(tǒng)如圖7所示。

此保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)信號(hào)測(cè)量點(diǎn)：VSG一次側(cè)以及二次側(cè)，測(cè)試信號(hào)包括一、二次側(cè)電壓、電流以及頻率。

圖7 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試保護(hù)系統(tǒng)Fig. 7 Protection system of wind turbines LVRT test

所有的測(cè)試信號(hào)經(jīng)過處理后被送到保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)共配置了反時(shí)限過流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、低/過壓保護(hù)、低/過頻保護(hù)以及差動(dòng)保護(hù)等5個(gè)保護(hù)模塊。所有保護(hù)模塊輸出信號(hào)相遇后送入電壓跌落裝置兩側(cè)的斷路器，斷路器動(dòng)作切除故障，保護(hù)整個(gè)機(jī)組安全運(yùn)行。其中，反時(shí)限過流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、低/過壓保護(hù)、低/過頻保護(hù)以及差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)S1～S5發(fā)送至VSG二次側(cè)斷路器；差動(dòng)保護(hù)信號(hào)S5發(fā)送至VSG一次側(cè)斷路器。

為了避免瞬時(shí)干擾或信號(hào)的不穩(wěn)定使保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)作，采用均值濾波法，每間隔1 ms采樣一次，連續(xù)采樣3次，取平均值作為本次采樣的信號(hào)值，并與動(dòng)作值比較，可提高系統(tǒng)的抗干擾能力。均值濾波方法仿真如圖8所示。

圖8 均值濾波方法仿真Fig. 8 Simulation of mean filter method

4 仿真結(jié)果

保護(hù)系統(tǒng)在保證可靠切除故障的同時(shí)，還要滿足在低電壓穿越過程中不發(fā)生誤動(dòng)作的要求。因此，對(duì)于系統(tǒng)發(fā)生故障和低電壓穿越過程兩種情況分別進(jìn)行仿真。

4.1 系統(tǒng)故障仿真

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電流、電壓或頻率會(huì)超過保護(hù)設(shè)定值，引起繼電保護(hù)動(dòng)作，斷路器跳閘切除故障。采用圖7所示仿真模型，對(duì)風(fēng)電機(jī)組出口發(fā)生兩相短路、三相短路等故障時(shí)進(jìn)行仿真。設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為2.5 s，故障出現(xiàn)時(shí)間為1.5 s。實(shí)驗(yàn)所得仿真波形如圖9和圖10所示。

圖9 AB兩相短路仿真波形Fig.9 Simulation waveform of AB two phase short circuit

圖10 三相短路仿真波形Fig. 10 Simulation waveform of three phase short circuit

由圖9和圖10可見，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到1.5 s時(shí)，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生短路故障，系統(tǒng)電流急劇增大，可達(dá)到額定電流的10倍以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電流保護(hù)整定值，繼電保護(hù)均能在10 ms內(nèi)發(fā)出跳閘信號(hào)（保護(hù)出口信號(hào)由1.0變0），使斷路器跳閘，隔離故障。

4.2 低電壓穿越過程仿真

在低電壓穿越過程中，電網(wǎng)要求風(fēng)電機(jī)組在一定時(shí)間內(nèi)不能脫離電網(wǎng)運(yùn)行。所以，在這段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)當(dāng)閉鎖電壓保護(hù)，以防止保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。采用圖7所示仿真模型，對(duì)電網(wǎng)電壓跌至20%額定電壓時(shí)，625 ms內(nèi)風(fēng)電機(jī)組不得脫網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行仿真。設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為3 s，電壓跌落起始時(shí)間為2 s，結(jié)束時(shí)間為2.625 s，低電壓持續(xù)運(yùn)行625 ms。所得仿真波形如圖11所示。

圖11 電壓跌落至20%的仿真波形Fig.11 Simulation waveform of voltage dropped to 20%

由圖11可以看出，仿真運(yùn)行至2 s時(shí)，電網(wǎng)電壓突然跌落至額定電壓的20%，此時(shí)，電壓保護(hù)被閉鎖。因此，在625 ms內(nèi)繼電保護(hù)并未動(dòng)作，風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行至2.625 s時(shí)，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，風(fēng)電機(jī)組重新發(fā)出有功功率。在此過程中，繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠，不動(dòng)作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于低電壓穿越測(cè)試平臺(tái)的繼電保護(hù)系統(tǒng)，論述了各種保護(hù)的基本原理，并利用MATLAB的SIMULINK工具箱建立了仿真模型，在系統(tǒng)故障和低電壓穿越兩種狀態(tài)下分別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在系統(tǒng)故障時(shí)可靠動(dòng)作，而低電壓穿越過程中不會(huì)誤動(dòng)作，配合斷路器實(shí)現(xiàn)有選擇地動(dòng)作。該保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，靈敏性高，可以滿足風(fēng)電機(jī)組LVRT測(cè)試平臺(tái)對(duì)于繼電保護(hù)的要求。

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（責(zé)任編輯：廖友媛）

Relay Protection Strategy Research on LVRT Test of Wind Turbines

Zhang Songke，Yi Jiliang，Li Junjun，Jiang Jianwei，Jiang Yuanyuan
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China）

In order to improve the stability of the power system, power grid requires wind turbines of low voltage ride through capability. To ensure the safety of wind turbines and voltage sag generator during the wind turbines LVRT test, a relay protection system with five relay protection models which includes inverse-time overcurrent protection, instantaneous overcurrent protection, low/over voltage protection, low/over frequency protection and differential protection is designed and verified on LVRT test platform of wind turbines. The results show that the relay protection system can guarantee reliable action in a system failure and no malfunction in low voltage ride through tests. The system can escape the starting peak current of wind turbines, thus protects the voltage sag generator.

wind turbines； low voltage ride through ；voltage sag generator；relay protection

TM307+.3

：A

：1673-9833(2014)01-0032-06

2013-12-10

湖南省自然科學(xué)株洲市聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（12JJ9042）

張松科（1986-），男，河南洛陽(yáng)人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組低電壓穿越繼電保護(hù)，

E-mail：zhangsongke@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.007