采用電壓極化的比相式距離保護用于雙饋式風電場送出線路適用性分析

陳琳浩，張金華 ，都勁松，舒 進 ，張保會

（1.西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032）

0 引言

2015年，我國新增風電裝機容量30.75 GW，累計裝機容量145.36 GW［1］。近年來，風力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的比例越來越大，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來了諸多挑戰(zhàn)。雙饋式風力發(fā)電機具有變速恒頻的運行能力，在風力發(fā)電領(lǐng)域中得到了廣泛應用，然而其在系統(tǒng)故障期間的電磁暫態(tài)特性與同步發(fā)電機存在較大不同，給傳統(tǒng)繼電保護的適用性帶來了很大影響，我國部分地區(qū)已多次發(fā)生風電送出線路保護誤選相及誤動作等問題［2］。

目前，已有相關(guān)文獻考察了風電場送出線路距離保護適用性。文獻［3］討論了風電場運行參數(shù)變化對其送出線路距離保護的影響，指出測量阻抗受運行參數(shù)變化的影響導致保護范圍發(fā)生變化。文獻［4］分析了投入撬棒的雙饋風機出現(xiàn)非工頻故障電流的機理，進一步討論了基于相量計算和解微分方程算法的距離保護的適用性。文獻［5］提出撬棒電路的投入會增強風電場的弱饋程度，進而影響風電場送出線路距離保護的計算精度。文獻［6］分析了風電場實際運行方式的變化對工頻故障分量距離保護的影響。文獻［7］指出工頻變化量距離保護在風電場中的適用性；同時討論了比相式距離保護受系統(tǒng)頻率偏移的影響。然而針對采用正序電壓、記憶電壓等電壓極化的比相式距離保護適用性問題，尚無系統(tǒng)的分析研究。文獻［8］研究了風電場支路電流對正序電壓極化的阻抗元件的影響，但沒有對集中式風電場送出線路距離保護進行適用性分析。

鑒于此，本文首先討論了雙饋式風電場的電源特性和故障暫態(tài)特征，然后從原理上分析了采用電壓極化的比相式距離保護的適用性，推導出其隨背側(cè)風電場內(nèi)阻抗變化的動態(tài)阻抗圓的動作特性，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，阻抗圓的時變特性會造成距離保護的不正確動作，最后基于RTDS仿真平臺搭建了模型，驗證了以上結(jié)論。

1 雙饋式風電場電源特性分析

通常，風電場容量較小，其等值阻抗遠大于系統(tǒng)側(cè)阻抗，風電場提供的短路電流相比于系統(tǒng)側(cè)的短路電流而言很小。同時，風電場主變壓器高壓側(cè)中性點直接接地，風電場側(cè)零序網(wǎng)絡只包含主變壓器零序阻抗和故障點到保護安裝處的線路零序阻抗，其值遠小于正、負序等值阻抗，當送出線路發(fā)生接地故障時，風電場側(cè)短路電流中的零序分量遠大于正、負序分量，呈現(xiàn)明顯的弱饋特性［5］。

風電場電壓具有追隨電網(wǎng)電壓的時變特性。風電場在穩(wěn)態(tài)運行時，出口電壓與傳統(tǒng)同步系統(tǒng)電源一樣保持三相對稱，但在系統(tǒng)發(fā)生故障期間，由于風機依舊采用網(wǎng)側(cè)電壓作為參考電壓［9］，在控制環(huán)節(jié)的作用下，風機出口的電壓不再保持三相對稱。以圖1所示網(wǎng)絡為例，當送出線路上k點發(fā)生BC相間短路故障時，風電場側(cè)B、C相的母線電壓相同，均與故障點處電壓一致，如圖2所示。

圖1 風電場送出線路故障網(wǎng)絡圖Fig.1 Network diagram of outgoing line fault of wind farm

圖2 BC兩相短路時的風電場側(cè)電壓和電流Fig.2 Voltage and current at wind farm side during short circuit between phase-B and phase-C

另外，由于雙饋風機對正、負序分量的控制能力有所差異，風電場的正、負序阻抗也不相等［7，10］，這與傳統(tǒng)同步電源正、負序阻抗相等的特點不同。圖3為上述BC兩相短路故障中風電場側(cè)電壓和電流的正、負序分量幅值，可以看出故障電流中的正、負序分量幅值不相等。

圖3 風電場側(cè)電壓、電流的正、負序分量幅值Fig.3 Amplitude of positive-and negative-sequence components of voltage and current at wind farm side

綜上所述，雙饋式風電場在故障期間具有弱饋，電動勢時變，正、負序阻抗不相等的暫態(tài)特性。

線路上安裝的繼電保護裝置感受到的是風電場外特性，利用疊加法計算風電場等值阻抗。首先得到故障后的電壓、電流采樣值序列，利用傅氏算法計算出對應的相量，與故障前的相量相減得到故障分量，然后將故障分量分解為正、負序分量，再將電壓和電流正、負序分量分別相除得到正、負序等值阻抗。通過滑動數(shù)據(jù)窗可以得到阻抗隨時間變化的曲線，如圖4所示。

圖4 風電場的正、負序等值阻抗Fig.4 Positive-and negative-sequence equivalent impedances of wind farm

由圖4可見，雙饋式風電場的正、負序等值阻抗在故障期間不相等，其中正序等值阻抗在故障后的3～4個周期內(nèi)幅值和相角都有明顯的變化，反映了風電場側(cè)電動勢和正序等值阻抗的時變特征；而負序等值阻抗在故障期間保持穩(wěn)定。這與傳統(tǒng)的比相式距離保護分析時認為正、負序阻抗相同且不變化的假設條件不同，會給距離保護的正確動作帶來極大的干擾。

2 采用電壓極化的距離保護適用性分析

2.1 采用電壓極化的距離保護基本原理［11］，①南瑞繼保電氣有限公司.南瑞繼保PCS-931系列超高壓線路電流差動保護裝置技術(shù)和使用說明書.2010.

采用電壓極化的比相式距離保護的動作條件為：

其中，Uop為補償電壓；Uref為極化電壓，又稱為參考電壓。

通常，為了保證距離保護在出口短路時無電壓死區(qū)，采用正序電壓、非故障相電壓、記憶電壓作為極化電壓。下面以圖5所示的雙側(cè)電源系統(tǒng)中正方向發(fā)生短路故障為例，分析影響正序電壓極化距離保護動作性能的因素。

圖5 系統(tǒng)故障網(wǎng)絡圖Fig.5 Network diagram of system fault

2.1.1 接地距離繼電器動作特性

對于按接地距離接線方式接線的φ（φ=A，B，C）相測量元件而言，保護安裝處的補償電壓可表示為：

其中，φ=A，B，C；Uφ、Iφ分別為保護安裝處的相電壓和相電流；Zset為整定阻抗；K為零序電流補償系數(shù)。

當M側(cè)電源正方向發(fā)生單相接地故障時，設系統(tǒng)的正序、負序阻抗相等，則正序極化電壓為：

其中，φ=A，B，C；Uφ1、Iφ1分別為保護安裝處測量到的正序電壓、電流；EφM為M側(cè)電源的電動勢；Eφ∑為短路點等值電動勢，若假設系統(tǒng)兩側(cè)電源的電動勢相等，即不計負荷電流的作用，則 Eφ∑=EφM=EφN，其中EφN為 N 側(cè)電源的電動勢；Z∑1、Z∑0為從短路點看入的等值正序、零序阻抗；Zj為短路點到保護安裝處的正序阻抗；ZM1為M側(cè)系統(tǒng)的正序阻抗；C1M為保護安裝處正序電流對于故障點正序電流的分流系數(shù)。

令，再假設系統(tǒng)各部分的阻抗角都相等，則KC為大于0的實常數(shù)，它的存在不會對比相有任何影響，將式（2）、（3）代入式（1），則動作條件又可以表示為：

在阻抗復平面上，式（4）表示正方向單相接地時的動作范圍為一個以Zset與-ZM1末端連線為直徑的圓，如圖6所示。

圖6 接地距離繼電器在正向故障時的動作特性Fig.6 Action characteristic of grounding distance relay during forward fault

2.1.2 相間距離繼電器動作特性

對于按相間距離接線方式接線的 φφ′（φ=A，B，C；φ′=A，B，C；φ≠φ′）相測量元件而言，補償電壓可表示為：

其中，Uφφ′、Iφφ′分別為保護安裝處的線電壓、線電流；φ=A，B，C；φ′=A，B，C；φ≠φ′。

當M側(cè)電源正方向發(fā)生兩相短路時，正序極化電壓為：

其中，φ=A，B，C；φ′=A，B，C；φ≠φ′；Uφφ′1、Iφφ′1分別為保護安裝處測量到的故障相間的正序電壓和正序電流；Eφφ′M為 M 側(cè)電源故障相之間的電動勢；Eφφ′∑為短路點故障相之間的等值電動勢，假設系統(tǒng)兩側(cè)電源的電動勢相等，即不計負荷電流的作用，則有Eφφ′∑=Eφφ′M=Eφφ′N，其中 Eφφ′N為 N 側(cè)電源故障相之間的電動勢。

將式（5）、（6）代入式（1），則動作條件同樣可以表示為：

從接地繼電器和相間繼電器動作特性的推導過程來看，式（7）的成立要求系統(tǒng)各部分的阻抗角相同，且正、負序阻抗相等。另外，由式（7）可知，當電源正序阻抗不變時，動作阻抗圓不變，當電源阻抗變化時，每一個ZM1都應該對應一個動作圓。

2.2 風電場送出線路距離保護適用性分析

2.2.1 接地距離繼電器適用性

基于圖1分析當風電場送出線路上發(fā)生單相接地故障時風電場側(cè)距離保護的適用性。由于風電場側(cè)等值阻抗遠大于系統(tǒng)側(cè)等值阻抗，即（其中ZM2和ZN1、ZN2分別為M側(cè)風電場的負序阻抗和N側(cè)系統(tǒng)的正、負序阻抗），故Z∑1≈ZN1、成立。

又因為風電場正、負序等值阻抗不相等，正序極化電壓可化為：

其中，φ=A，B，C；Uφ1、Iφ1分別為保護安裝處相電壓、相電流的正序分量；Z∑2為從短路點看入的等值負序阻抗；ZM0為 M 側(cè)風電場的零序阻抗；IMφ1、IMφ2、IMφ0分別為流過保護安裝處的正序、負序和零序短路電流。

將式（2）、（8）代入式（1），得到動作條件為：

從式（9）可以看出，風電場側(cè)接地繼電器的電壓比相結(jié)果同樣可以化簡為阻抗比的形式，但等效阻抗不再是背側(cè)正序等值阻抗ZM1，而是與背側(cè)各序阻抗以及各序電流相關(guān)，此處用ZM表示。

2.2.2 相間距離繼電器適用性

當風電場送出線路發(fā)生兩相短路故障時，與單相接地故障類似，正序極化電壓可表示為：

其中，φ=A，B，C；φ′=A，B，C；φ≠φ′；IMφφ′1、IMφφ′2分別為流過保護安裝處的故障相間的正序、負序短路電流。

將式（5）、（10）代入式（1）得到動作條件為：

綜上所述，采用正序電壓極化的比相式距離保護的動作特性與風電場各序等值阻抗以及流過保護的各序電流分量相關(guān)。當風電場送出線路發(fā)生短路故障時，保護阻抗圓會受到背側(cè)風電場等值阻抗的影響而具有時變特征，造成距離保護區(qū)內(nèi)拒動或者區(qū)外誤動。

當系統(tǒng)側(cè)距離保護的反方向發(fā)生故障時，流過系統(tǒng)側(cè)距離保護的短路電流由風電場提供，還會引起保護反向誤動，限于篇幅，此處只給出結(jié)論，不再進行推導。

3 RTDS仿真試驗

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

為了考察雙饋式風電場在不同故障類型下序阻抗的變化規(guī)律以及保護的動作情況，在RTDS環(huán)境下搭建如圖7所示的典型風電場送出系統(tǒng)模型。風電場主變共連接2條匯集線路，額定輸出有功功率31 MW。雙饋式風機的單機容量為1.55 MW，經(jīng)過箱變（0.69 kV／35 kV）連接在 35 kV 匯集線路的末端，每條匯集線路接有10臺風機，2條匯集電線路并聯(lián)接入35 kV中壓母線，經(jīng)風電場主變（35 kV／110 kV）及110 kV風電場送出線路將電能送至系統(tǒng)。

圖7 RTDS仿真模型Fig.7 RTDS simulation model

圖7所示系統(tǒng)的主要參數(shù)如下。

a.系統(tǒng)側(cè)電源正序阻抗Zs1=10.43 Ω，零序阻抗Zs0=8.96 Ω；系統(tǒng)短路容量為 1160 MV·A，31 MW 風電場的短路容量比為2.67%。

b.風電場主變壓器：額定容量為75 MV·A，額定電壓為35 kV／110 kV，短路電壓百分比為Uk=10.5%。

c.110 kV 送出線路：正序阻抗 z11=0.078+j0.401 Ω／km，零序阻抗 z10=0.147+j1.198 Ω／km，線路長度L=40 km。

d.箱式變壓器：額定容量為 1.6 MV·A，額定電壓為 0.69 kV／35 kV，短路電壓百分比為 Uk=6.5%。

e.典型風機參數(shù)如下：定子電阻Rs為0.0023 Ω，定子漏抗Xs為0.032Ω；轉(zhuǎn)子側(cè)阻抗已折算到定子側(cè)，轉(zhuǎn)子電阻 Rr為 0.0018 Ω，轉(zhuǎn)子漏抗 Xr為 0.021 Ω，激磁電抗 Xm為 0.83 Ω，撬棒電阻 Rcrowbar為 0.0087 Ω。

3.2 正序電壓極化的距離保護動作結(jié)果

基于上述RTDS模型，對110 kV送出線路中點f1點發(fā)生不同類型故障的情況進行了仿真，故障持續(xù)時間0.5 s，故障初始時刻為t0，保護從故障后的第一個周期結(jié)束時刻ts開始計算動作結(jié)果。

3.2.1 單相接地故障動作仿真

根據(jù)仿真試驗數(shù)據(jù)計算出A相接地故障后20～120 ms的風電場側(cè)等效阻抗ZM，如圖8所示。從圖8可見，風電場側(cè)等效阻抗在前2個周期內(nèi)的變化范圍較大，之后穩(wěn)定在第一象限。故障后不同時刻的動態(tài)阻抗圓如圖9所示。由圖9可見，測量阻抗Zj一直位于阻抗圓內(nèi)部，保護正確動作。

圖8 A相接地故障時的風電場側(cè)等效阻抗Fig.8 Equivalent impedance at wind farm side during grounding fault of phase-A

圖9 A相接地故障時的動作阻抗圓Fig.9 Action impedance circle during grounding fault of phase-A

對應A相接地繼電器的動作情況如圖10所示，圖中縱坐標為補償電壓與正序極化電壓比相所得相角的絕對值，0°～90°為動作區(qū)間，可以看出比相結(jié)果一直落在動作區(qū)，距離保護可靠動作。

圖10 A相接地繼電器的動作情況Fig.10 Action of grounding relay for phase-A

3.2.2 相間短路故障動作仿真

當送出線路中點f1點發(fā)生BC兩相短路時，風電場側(cè)等效阻抗ZM的計算結(jié)果如圖11所示。由圖11可見，ZM在故障后的前2個周期內(nèi)變化范圍很大，之后穩(wěn)定在第四象限。動態(tài)阻抗圓如圖12所示，其放大圖見圖13。由圖12、13可見，測量阻抗Zj一直穩(wěn)定在第一象限，然而阻抗圓的位置和大小隨著風電場側(cè)等效阻抗的變化而變動，到故障后的第5個周期時阻抗圓不再包含測量阻抗，距離保護拒動。

BC相間繼電器的動作情況如圖14所示，可以看出在故障初始4個周期內(nèi)，比相結(jié)果落在動作區(qū)，之后則一直偏離動作區(qū)間，距離保護不能持續(xù)正確動作。

圖11 BC相短路時的風電場側(cè)等效阻抗Fig.11 Equivalent impedance at wind farm side during short circuit between phase-B and phase-C

圖12 BC相短路時的動作阻抗圓Fig.12 Action impedance circle during short circuit between phase-B and phase-C

圖13 BC相短路時的動作阻抗圓放大圖Fig.13 Enlarged action impedance circle during short circuit between phase-B and phase-C

圖14 BC相間繼電器的動作情況Fig.14 Action of inter-phase relay for phase B and C

3.3 采用電壓極化的距離保護動作結(jié)果

以上分析和仿真結(jié)果均是針對正序電壓極化的比相式距離保護。除此之外，本文還對采用其他電壓極化的比相式距離保護進行了仿真計算，其中采用健全相電壓和記憶電壓極化的結(jié)果與采用正序電壓極化的結(jié)果一致，如表1所示。由表1可見，問題最為嚴重的是發(fā)生兩相短路和兩相接地短路的情況，此時3種保護的動作可靠性均極低；三相短路時，采用記憶電壓的距離保護也會出現(xiàn)誤動。

表1 f1故障時風電場側(cè)距離保護的動作情況Table1 Actions of distance protections at wind farm side，responding to fault at f1

另外，本文還對系統(tǒng)連接變壓器高壓側(cè)f2處故障進行了仿真，以考察風電場側(cè)距離保護暫態(tài)超越和系統(tǒng)側(cè)距離保護反向誤動的情況，結(jié)果如表2、3所示。

表2 f2故障時風電場側(cè)距離保護的動作情況Table2 Actions of distance protections at wind farm side，responding to fault at f2

表3 f2故障時系統(tǒng)側(cè)距離保護的動作情況Table3 Actions of distance protection at system side，responding to fault at f2

表2、表3的動作情況說明：當流過距離保護裝置的短路電流主要由風電場提供時，保護都有可能發(fā)生不正確動作；相間故障對保護的影響大于單相接地故障對保護的影響。

4 結(jié)論

本文在研究雙饋式風電場電源特性的基礎上，從原理上對采用電壓極化的比相式距離保護進行了適用性分析，得到以下結(jié)論。

（1）雙饋式風電場在故障期間具有弱饋，電動勢時變，正、負序阻抗不相等的暫態(tài)特性。

（2）影響采用電壓極化的比相式距離保護動作性能的直接原因在于極化電壓是否與故障相電壓相位一致；發(fā)生相間故障時，正序電壓、非故障相電壓以及記憶電壓均與故障相電壓的相位差別較大。

（3）采用電壓極化的比相式距離保護的動作特性與風電場各序等值阻抗以及流過保護的各序電流分量相關(guān)。當風電場送出線路發(fā)生短路故障時，保護阻抗圓會受到背側(cè)風電場等值阻抗的影響而具有時變特征，造成距離保護區(qū)內(nèi)拒動或者區(qū)外誤動。

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