雙饋風(fēng)電機(jī)組接入對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響及其對(duì)策研究

田文奇，馮江哲，趙小明，王順超

（龍?jiān)矗ū本╋L(fēng)電工程技術(shù)有限公司，北京 100034）

0 引言

近年來(lái)，大量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入中低壓配電網(wǎng)給傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)帶來(lái)不可忽視的影響。傳統(tǒng)的單側(cè)電源、輻射狀配電網(wǎng)，三段式電流保護(hù)具有保護(hù)原理簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并且在一般情況下能夠滿足快速、可靠切除故障的要求。當(dāng)接入風(fēng)電場(chǎng)的容量不大時(shí)，繼電保護(hù)配置和整定計(jì)算往往不考慮風(fēng)電場(chǎng)的影響，而是簡(jiǎn)單地將風(fēng)電場(chǎng)看作是一個(gè)負(fù)荷［1］。然而，當(dāng)接入的風(fēng)電場(chǎng)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，提供的短路電流很大，甚至?xí)^(guò)系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流，可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)。因此，隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的增大，非常有必要研究其對(duì)現(xiàn)有繼電保護(hù)的影響及對(duì)策。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)風(fēng)電的研究大都集中在風(fēng)電機(jī)組的控制［2－4］、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部及其聯(lián)絡(luò)線的保護(hù)［5－7］、風(fēng)電引起的電能質(zhì)量問(wèn)題等方面［8－9］，還有許多文獻(xiàn)也僅僅是針對(duì)分布式電源接入位置不同對(duì)保護(hù)的影響展開(kāi)研究［10－11］，而同時(shí)考慮風(fēng)電場(chǎng)接入容量、風(fēng)速、有功功率、無(wú)功功率等因素對(duì)保護(hù)影響問(wèn)題的研究相對(duì)較少。因此，以下以目前廣泛應(yīng)用的雙饋機(jī)型為例，結(jié)合以上因素深入研究風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)后配電網(wǎng)保護(hù)可能出現(xiàn)的問(wèn)題及其對(duì)策。

1 風(fēng)電接入對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響

風(fēng)電場(chǎng)接入后，系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)之間的區(qū)域?yàn)殡p端電源供電，其他區(qū)域仍為單側(cè)電源供電，系統(tǒng)的潮流將重新分布。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)將提供短路電流，使故障電流的大小和流向發(fā)生改變，從而影響配電網(wǎng)的保護(hù)。風(fēng)電場(chǎng)并入配電網(wǎng)接線示意見(jiàn)圖1。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)并入配電網(wǎng)接線

下面根據(jù)圖1中故障發(fā)生位置的不同，具體說(shuō)明風(fēng)電接入后風(fēng)速、容量、有功功率、無(wú)功功率等因素對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響。

1.1 風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)下游F1點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)故障發(fā)生在風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)下游的F1 點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)同時(shí)提供故障電流，流過(guò)保護(hù)1和保護(hù)2的短路電流都會(huì)增大。對(duì)于保護(hù)2來(lái)說(shuō)，靈敏度提高，速斷保護(hù)的保護(hù)范圍擴(kuò)大，可能會(huì)延伸到下一級(jí)線路而發(fā)生誤動(dòng)，從而失去了選擇性，而且風(fēng)電場(chǎng)容量越大，影響越明顯。同時(shí)，由于風(fēng)速狀態(tài)決定運(yùn)行狀態(tài)，而且風(fēng)電場(chǎng)在超同步運(yùn)行狀態(tài)下提供的短路電流大于同步運(yùn)行狀態(tài)和亞同步運(yùn)行狀態(tài)，所以風(fēng)速越大，風(fēng)電場(chǎng)提供的短路電流越大，保護(hù)2發(fā)生誤動(dòng)的可能性也越大。另外，風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率時(shí)短路電流比吸收無(wú)功功率時(shí)大，所以輸出無(wú)功功率時(shí)保護(hù)2誤動(dòng)的可能性更大。

1.2 風(fēng)電接入點(diǎn)下游F2點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)故障發(fā)生在風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)下游的F2 點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)同時(shí)提供故障電流，保護(hù)2流過(guò)的短路電流增大，風(fēng)電場(chǎng)的接入能夠提高保護(hù)2的靈敏度，這對(duì)保護(hù)2 是有利的。但是，由于風(fēng)電場(chǎng)的存在，接入點(diǎn)的殘壓提高了，保護(hù)3流過(guò)的短路電流會(huì)減小，并且風(fēng)電場(chǎng)容量越大越明顯。由于F2 處故障時(shí)，保護(hù)3的電流速斷保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作，所以在保護(hù)2能夠可靠動(dòng)作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生影響。但如果保護(hù)2由于某種原因拒動(dòng)了，需要保護(hù)3的定時(shí)限電流速斷保護(hù)動(dòng)作，由于保護(hù)3流過(guò)的短路電流減小了，靈敏度降低，保護(hù)范圍減小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)拒動(dòng)。所以風(fēng)電場(chǎng)的接入使得保護(hù)3不能很好的作為下一級(jí)線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)。與F1 處故障相同，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)保護(hù)3 的影響程度會(huì)因風(fēng)速的大小和無(wú)功功率狀態(tài)的不同而不同。

1.3 風(fēng)電接入點(diǎn)上游F3點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)在風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)上游的F3點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，由于通過(guò)保護(hù)3的短路電流全部由系統(tǒng)電源提供，因此風(fēng)電場(chǎng)的接入不會(huì)對(duì)保護(hù)3的正確動(dòng)作產(chǎn)生影響。

1.4 相鄰饋線F4點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)故障發(fā)生在相鄰饋線的F4 點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)都將提供短路電流。保護(hù)5測(cè)量到的短路電流會(huì)增大，靈敏度提高，保護(hù)5能夠可靠動(dòng)作，這對(duì)保護(hù)5是有利的。保護(hù)3和保護(hù)4測(cè)量到的是風(fēng)電場(chǎng)提供的短路電流，方向?yàn)榫€路到母線，如果保護(hù)3和保護(hù)4沒(méi)有加裝方向元件，風(fēng)電場(chǎng)容量很大時(shí)，則可能造成保護(hù)3和保護(hù)4的誤動(dòng)作，這時(shí)將擴(kuò)大停電范圍。

2 風(fēng)電對(duì)保護(hù)影響的仿真分析

使用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)RTDS 對(duì)圖1所示的系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真。具體的參數(shù)為：系統(tǒng)電源的電壓為10.5kV，初始相位角為0°，最小內(nèi)阻抗為0.091Ω，最大內(nèi)阻抗為0.126Ω；AB 線路阻抗為0.54＋j0.694Ω，BC 線路阻抗為0.54＋j0.694Ω，CD 線路阻抗為1.813＋j0.651Ω，DE 線路阻抗為3.26＋j1.302Ω，AF線路阻抗為1.08＋j1.388Ω。該系統(tǒng)的負(fù)荷分布是：饋線1和饋線2的末端所帶負(fù)荷阻抗均為30＋j15.7Ω；母線B、C、D、F、H 所帶負(fù)荷均為14.17＋j8.78Ω。風(fēng)電場(chǎng)利用單機(jī)等效的方法，采用雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，容量為30 MVA，風(fēng)機(jī)出口電壓為0.69kV，經(jīng)過(guò)升壓變壓器升至10 kV 后，接入饋線2 的母線C 處。風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速為3m／s，額定風(fēng)速為12m／s。未接入風(fēng)電場(chǎng)前，保護(hù)1、2、3和5采用傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)，其整定值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各線路電流保護(hù)的整定值

以故障位置的不同為順序，對(duì)接入風(fēng)電場(chǎng)后保護(hù)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行研究分析如下。

2.1 DE段F1點(diǎn)短路時(shí)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)保護(hù)2的影響

F1選擇為DE 線路出口處4%位置，t＝0.2s時(shí)該處發(fā)生三相短路故障。圖2（a）是風(fēng)速為7 m／s、12m／s及不含風(fēng)電場(chǎng)時(shí)通過(guò)保護(hù)2的短路電流；圖2（b）是輸出無(wú)功功率、吸收無(wú)功功率及不含風(fēng)電場(chǎng)時(shí)通過(guò)保護(hù)2的短路電流。

圖2 F1點(diǎn)短路時(shí)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)保護(hù)2的影響

從圖2（a）可以看出風(fēng)速為12m／s時(shí)明顯比風(fēng)速7m／s時(shí)的短路電流大，說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速會(huì)直接影響故障時(shí)的短路電流。風(fēng)速具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，風(fēng)速的變化是比較頻繁的，在高風(fēng)速下短路電流大，保護(hù)2的靈敏性提高，但可靠性降低，短路電流超過(guò)原有保護(hù)整定值，保護(hù)2和保護(hù)1失去選擇性。從圖2（b）可以看出，無(wú)論風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率的情況如何，風(fēng)電場(chǎng)在故障時(shí)均對(duì)短路電流起助增作用，擴(kuò)大了保護(hù)2的保護(hù)范圍。輸出無(wú)功功率時(shí)風(fēng)電場(chǎng)提供的短路電流比吸收無(wú)功功率時(shí)大，保護(hù)2發(fā)生無(wú)選擇性的誤動(dòng)。因此，風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率的狀態(tài)對(duì)配電網(wǎng)原有保護(hù)也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

2.2 CD段F2點(diǎn)短路時(shí)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)保護(hù)3的影響

F2選擇為CD 線路40%位置，t＝0.2s時(shí)發(fā)生三相短路故障。圖3（a）是風(fēng)速為7m／s、12m／s及不含風(fēng)電場(chǎng)時(shí)通過(guò)保護(hù)3的短路電流；圖3（b）是輸出無(wú)功功率、吸收無(wú)功功率及不含風(fēng)電場(chǎng)時(shí)通過(guò)保護(hù)3的短路電流。

圖3 F2點(diǎn)故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)保護(hù)3的影響

從圖3可以看出，由于風(fēng)電場(chǎng)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)提供一定的電壓支撐，使得通過(guò)保護(hù)3的短路電流比無(wú)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)減小，且風(fēng)速越大減小的越多，輸出無(wú)功功率時(shí)比吸收無(wú)功功率時(shí)減小的多，對(duì)于保護(hù)3的帶時(shí)限電流速斷保護(hù)是不利的，可能會(huì)影響保護(hù)3帶時(shí)限電流速斷保護(hù)對(duì)相鄰下一條線路的遠(yuǎn)后備作用。

2.3 BC段F3點(diǎn)短路時(shí)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)保護(hù)3的影響

F3選擇為BC線路50%位置，t＝0.2s時(shí)發(fā)生三相短路故障。圖4（a）所示為接入風(fēng)電場(chǎng)前后通過(guò)保護(hù)3的短路電流，可以看出，風(fēng)電場(chǎng)的接入不會(huì)影響保護(hù)3的可靠動(dòng)作。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)保護(hù)3的影響

2.4 AF段F4點(diǎn)短路時(shí)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)保護(hù)3的影響

F4選擇為AF線路20%位置，t＝0.2s時(shí)發(fā)生三相短路故障，仿真結(jié)果如圖4（b）所示。當(dāng)沒(méi)有接入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，保護(hù)3正常的負(fù)荷電流小于各保護(hù)電流整定值，當(dāng)相鄰饋線1上的AF段發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)保護(hù)3的電流反而減小，這是因?yàn)楫?dāng)AF故障時(shí)，母線A 上的電壓降低，導(dǎo)致饋線2上的電流減小。當(dāng)接入30MVA 的風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，其提供的流過(guò)保護(hù)3的電流為反向電流，由線路流向母線，且比保護(hù)3Ⅱ段和Ⅲ段的保護(hù)整定值大，如果保護(hù)5的無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)由于某種原因拒動(dòng)，則保護(hù)3有可能會(huì)誤動(dòng)作，擴(kuò)大停電范圍。所以，在接入風(fēng)電場(chǎng)后，其上游線路上的保護(hù)應(yīng)裝設(shè)方向元件。

3 含風(fēng)電的配電網(wǎng)自適應(yīng)電流速斷保護(hù)

自適應(yīng)電流保護(hù)［12－13］是一種根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)的變化而實(shí)時(shí)地改變保護(hù)裝置動(dòng)作特性或整定值的保護(hù)。自適應(yīng)電流速斷保護(hù)整定值應(yīng)隨系統(tǒng)運(yùn)行方式和短路類型的實(shí)際情況變化，按下式計(jì)算：

式中：K′rel為保護(hù)的可靠系數(shù)；Kd為可自動(dòng)估計(jì)的故障類型系數(shù)；ES為保護(hù)背側(cè)的系統(tǒng)電源等效電勢(shì)；ZS為保護(hù)背側(cè)的系統(tǒng)等效阻抗；ZL為被保護(hù)線路的阻抗。其中，通常采用故障分量原理在線計(jì)算的參數(shù)有：故障類型系數(shù)Kd、保護(hù)背側(cè)系統(tǒng)電源等效電勢(shì)ES和故障發(fā)生時(shí)保護(hù)背側(cè)的系統(tǒng)等效阻抗ZS［14］。

對(duì)于含有風(fēng)電場(chǎng)的配電網(wǎng)，將風(fēng)電場(chǎng)等效為一個(gè)電流變化的電流源，其值為風(fēng)電場(chǎng)在對(duì)應(yīng)情況下的輸出電流，采用故障分量法對(duì)故障后含風(fēng)電的配電系統(tǒng)進(jìn)行分解，如圖5所示。在此基礎(chǔ)上，對(duì)式（1）所描述的各參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。

圖5 含風(fēng)電的配電系統(tǒng)故障分量法分解

a.系統(tǒng)等效阻抗ZS。

式中：、為通過(guò)對(duì)稱分量法求得的正 序電壓故障分量和正序電流故障分量。

b.保護(hù)背側(cè)的系統(tǒng)電源等效電勢(shì)E′S。

式中：UAF、IAF分別為被保護(hù)線路故障時(shí)保護(hù)安裝處的電壓、電流。

c.故障類型系數(shù)Kd。由于在相同運(yùn)行方式下，同一地點(diǎn)分別發(fā)生兩相短路和三相短路時(shí)，兩相短路電流是三相短路電流的／2 倍，當(dāng)發(fā)生三相短路時(shí)，設(shè)置故障類型系數(shù)Kd為1，發(fā)生兩相短路時(shí)設(shè)置故障類型系數(shù)Kd為／2。

考慮到E′S是包含風(fēng)電場(chǎng)的等效電源，其大小與風(fēng)電場(chǎng)的出力變化或故障發(fā)生的類型、位置有關(guān)，而在式（1）中的系統(tǒng)等效電勢(shì)ES為保護(hù)所在線路的末端發(fā)生三相短路時(shí)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)等效電勢(shì)，所以式（3）計(jì)算值將等于或大于整定計(jì)算所需要的值。同時(shí)，含風(fēng)電的系統(tǒng)兩相短路時(shí)系統(tǒng)的等效電勢(shì)比三相短路時(shí)小（因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)在兩相短路時(shí)提供的短路電流?。詢上喽搪窌r(shí)的短路電流應(yīng)該小于三相短路時(shí)的／2 倍，即在整定計(jì)算時(shí)兩相短路故障的故障類型系數(shù)Kd應(yīng)該小于／2。針對(duì)以上問(wèn)題，文中仍然按照原自適應(yīng)電流速斷保護(hù)的整定方法來(lái)計(jì)算系統(tǒng)等效電勢(shì)ES及故障類型系數(shù)Kd，但適當(dāng)減小式（1）中的可靠系數(shù)K′rel，以減輕原計(jì)算方法所帶來(lái)的整定值偏大問(wèn)題，更精確的計(jì)算方法還有待進(jìn)一步研究。

4 含風(fēng)電配電網(wǎng)自適應(yīng)電流速斷保護(hù)仿真結(jié)果

利用RTDS仿真和MATLAB 編程相結(jié)合的方法，針對(duì)圖1所示的系統(tǒng)F1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，仿真對(duì)比了線路CD首端保護(hù)R2采用傳統(tǒng)電流Ⅰ段保護(hù)和采用自適應(yīng)電流速斷保護(hù)的保護(hù)效果。其中，利用突變量判斷故障的發(fā)生，在故障發(fā)生之前設(shè)定自適應(yīng)無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)的整定值與傳統(tǒng)無(wú)時(shí)限的電流速斷保護(hù)整定值相等，當(dāng)判斷故障發(fā)生之后才進(jìn)行在線計(jì)算獲得新的保護(hù)整定值，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同情況下自適應(yīng)電流保護(hù)的保護(hù)效果

從仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于含有風(fēng)電場(chǎng)的配電網(wǎng)，自適應(yīng)電流保護(hù)在不同風(fēng)速、不同出力情況、不同故障類型情況下都能夠達(dá)到良好的保護(hù)效果。

5 結(jié)論

a.定性分析了風(fēng)電場(chǎng)接入后故障位置不同對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)的影響，并且利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀（RTDS）建模仿真，定量分析了各故障位置情況下風(fēng)速和無(wú)功功率不同時(shí)對(duì)保護(hù)的影響程度。

b.提出了改進(jìn)的自適應(yīng)電流保護(hù)及其整定方法，通過(guò)仿真對(duì)各種故障情況下保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明改進(jìn)的自適應(yīng)電流保護(hù)能夠解決含風(fēng)電場(chǎng)的配電網(wǎng)電流保護(hù)出現(xiàn)的問(wèn)題，具有良好的保護(hù)效果。

［1］雷亞洲.風(fēng)力發(fā)電與電力市場(chǎng)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（10）：1－5.

［2］卞松江，呂曉美，相會(huì)杰.交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的仿真研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（16）：57－62.

［3］解 倉(cāng)，杜 滄，董冀媛，等.大容量異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］李 晶，宋家驊，王偉勝.大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（6）：100－105.

［5］王厚軍.風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)性能研究［D］.烏魯木齊：新疆大學(xué)，2010.

［6］Pradhan A K.Adaptive Distance Relay Setting for Lines Connecting Wind Farms［J］.Wind Engineering，2007，22（1）：206－213.

［7］Jang S I，Choi J H，Kim J W.An Adaptive Relaying for the Protection of a Wind Farm Interconnected with Distribution Networks［J］.IEEE Trans.Power System，2003，6（3）：296－302.

［8］李 渝，范高鋒，李 慶，等.達(dá)坂城風(fēng)電接入系統(tǒng)對(duì)新疆電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007（6）：88－92.

［9］王純琦.大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)接入電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題研究［D］.烏魯木齊：新疆大學(xué)，2007.

［10］何世恩，姚 旭，徐善飛.大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)繼電保護(hù)的影響與對(duì)策［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，41（1）：21－27.

［11］龐建業(yè)，夏曉賓，房 牧.分布式風(fēng)電對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響［J］.繼電器，2007，35（11）：5－8.

［12］陳 皓.自適應(yīng)技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中應(yīng)用［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2001，21（10）：56－61.

［13］張愛(ài)祥.智能型自適應(yīng)繼電保護(hù)的應(yīng)用研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2005.

［14］初 嫣.自適應(yīng)電流、電壓保護(hù)的研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2003.