雙饋風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)對(duì)電流突變量選相元件的影響及改進(jìn)措施

何奎 呂飛鵬

摘要：風(fēng)電作為一種新能源接入電網(wǎng)的容量越來(lái)越大，并且有著不同于常規(guī)電源的故障特性，這對(duì)于傳統(tǒng)繼電保護(hù)元件有較大的影響。其不同于傳統(tǒng)電源之處主要體現(xiàn)在弱電源、正負(fù)序阻抗不同以及電力電子裝置產(chǎn)生的諧波等三個(gè)方面。這對(duì)基于電流突變量的故障選相元件產(chǎn)生了巨大影響。本文通過(guò)分析雙饋式風(fēng)電場(chǎng)故障序阻抗特征，提出利用負(fù)序補(bǔ)償電流改進(jìn)單相選相元件的策略。通過(guò)分析單相接地故障電流的特點(diǎn)，采用了故障相電流突變量與非故障相電流突變量之差的比值進(jìn)行選相的方法，提高了風(fēng)電側(cè)選相的靈敏度。本文研究問(wèn)題提高了電流突變量選相元件面臨風(fēng)電的適應(yīng)性。最后通過(guò)PSCAD/EMTDC搭建模型并仿真驗(yàn)證了本文所提出方法的有效性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：雙饋式風(fēng)電場(chǎng)；電流突變量；選相元件；弱電源；正負(fù)序阻抗

Abstract：The wind power as a new energy access grid capacity is growing and different from the traditional power failure characteristics.The differences are mainly reflected in the weak fed， positive and negative sequence impedance， power electronic devices harmonic problems.Great impact on the traditional relay protection components is caused by these characteristics.The influence of wind power access on the phase selector elements of the mutation is analyzed theoretically，and the new method is proposed to improve the sensitivity and reliability of the single phase selector element.Finally the effectiveness of the proposed method is validated by simulating on the platform of PSCAD / EMTDC.

Key words：doublyfed wind farms；phase fault current surge；phase selector elements；week source；positive and negative sequence impedance

隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，并網(wǎng)容量越來(lái)越大，由于風(fēng)電異于常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的故障特性，給保護(hù)裝置的配置、整定造成了巨大影響。因此研究風(fēng)電接入對(duì)保護(hù)裝置的影響十分重要。我國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)主要為集中式并網(wǎng)，經(jīng)升壓至高電壓等級(jí)接入主電網(wǎng)。高壓輸電線多配置縱聯(lián)保護(hù)、光纖差動(dòng)保護(hù)以及后背距離保護(hù)，選相元件是其基本元件。選相元件可靠動(dòng)作極大地影響到保護(hù)裝置的動(dòng)作性能，進(jìn)而影響供電的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選相元件按原理主要包括：電流突變量選相元件；序分量選相元件；阻抗選相元件[1]。相電流差及序分量選相元件選相都是建立在背側(cè)正、負(fù)序阻抗近似相等的基礎(chǔ)上，但是雙饋式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)正負(fù)序阻抗并不相等[2]。此外，風(fēng)電中大量的諧波及嚴(yán)重故障時(shí)產(chǎn)生的頻率偏移現(xiàn)象對(duì)基于工頻傅里葉算法的相量提取有較大影響。相對(duì)于電網(wǎng)，風(fēng)電具有明顯的弱饋性[3]，提供短路電流的能力較小，并且在單相接地故障中，零序電流遠(yuǎn)大于正負(fù)序電流，因此對(duì)選相元件的靈敏度影響較大。本文綜合考慮風(fēng)電的弱電源及序阻抗特征，研究電流突變量單相選相元件的適應(yīng)性，并提出相應(yīng)改進(jìn)方案。

1 突變量選相元件基本原理

如圖1所示為風(fēng)電并網(wǎng)的系統(tǒng)，線路上發(fā)生A相接地故障。從電力系統(tǒng)分析理論可知，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)可采用疊加原理將電網(wǎng)分為非故障網(wǎng)絡(luò)和故障附加網(wǎng)絡(luò)；故障分量為故障全量減去故障前的正常量[4]。對(duì)應(yīng)于圖1所示系統(tǒng)的故障分量網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。M、N側(cè)分別為系統(tǒng)側(cè)和風(fēng)電側(cè)，j=0，1，2分別表示零序、正序、負(fù)序；ΔIjm、ΔIjn分別為系統(tǒng)側(cè)、風(fēng)電側(cè)故障電流分量；ΔUjn為風(fēng)電側(cè)故障電壓分量；Zjm、Zjn為系統(tǒng)側(cè)、風(fēng)電側(cè)阻抗；ZjmF、ZjmF為系統(tǒng)側(cè)、風(fēng)電側(cè)母線到短路點(diǎn)阻抗；IjF為故障點(diǎn)A相故障電流各序分量，RF為接地電阻，UF為故障附加電源。

風(fēng)電側(cè)保護(hù)安裝處測(cè)量的突變量分別ΔIA、ΔIB、ΔIC，應(yīng)用對(duì)稱分量法有：

相間（BC）相故障時(shí)，帶入邊界條件可得：

根據(jù)式（4）及式（5）可以實(shí)現(xiàn)故障選相。

2 弱電源及序阻抗特性

我國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)主要以集中式并網(wǎng)，即每臺(tái)風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)集電線連接并入?yún)R流母線，然后經(jīng)過(guò)變壓器升壓后通過(guò)送出線路并入電網(wǎng)。與電網(wǎng)容量相比，風(fēng)電場(chǎng)屬于弱電源，具有明顯弱饋特征[5]。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓通常為0.69kV，經(jīng)換算到高壓側(cè)后正負(fù)序阻抗很大，零序阻抗由于不包括電源而很小。風(fēng)電場(chǎng)提供短路電流能力弱，故障相電流幅值很小，并且風(fēng)電側(cè)保護(hù)安裝處感受到的短路電流中零序電流占比遠(yuǎn)大于正、負(fù)序電流，三相短路電流幅值相位十分接近。因此選相元件的靈敏度會(huì)顯著降低，導(dǎo)致依靠電流突變量選相不再滿足實(shí)際電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求。目前電網(wǎng)公司通常要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具備低電壓穿越能力，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般通過(guò)安裝撬棒保護(hù)以獲得低電壓穿越能力[6]。由于撬棒保護(hù)啟時(shí)動(dòng)時(shí)間一般為幾毫秒，所以發(fā)生短路故障后可以看成是普通異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行[7]，其正、負(fù)等效電路如下圖：

從式（8）及式（9）可以看出，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)序阻抗與轉(zhuǎn)差率及撬棒電阻值成一定的函數(shù)關(guān)系。在發(fā)電機(jī)接近同步速時(shí)正序阻抗變化幅度很大，負(fù)序阻抗較為穩(wěn)定。在實(shí)際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)差率s一般為±0.2，所以正、負(fù)序阻抗不一定相等，并且一般可以認(rèn)為正序阻抗大于負(fù)序阻抗。文獻(xiàn)[8，9]指出，撬棒保護(hù)啟動(dòng)后撬棒電阻阻值對(duì)電抗分量影響較大，正序阻抗與撬棒電阻呈正相關(guān)關(guān)系；并且變壓器接線方式的不影響零序阻抗。

由于風(fēng)電場(chǎng)控制策略及運(yùn)行方式變化，其正、負(fù)序阻抗變化非常大。因此基于正、負(fù)序電流分配系數(shù)相等的突變量選相元件不再適用于雙饋式風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)。

3 改進(jìn)方案

為解決現(xiàn)有電流突變量選相方法在風(fēng)電側(cè)靈敏度不足以及風(fēng)電側(cè)保護(hù)感受到的正負(fù)序阻抗不相等帶來(lái)的可靠性問(wèn)題。本文提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。文獻(xiàn)[10]提出了使用故障相電流突變量與其余兩相正常相電流突變量之差的比值，即選相系數(shù)進(jìn)行選相。

單相（A相）接地故障時(shí)，把單相接地短路邊界條件帶入式（8）可以得到K1K2=K3。選相系數(shù)具有明顯特征，考慮一定裕量，選相判據(jù)為：

該方法可以提高弱電源側(cè)電流突變量選相元件靈敏度，但是該原理是針對(duì)傳統(tǒng)電源而言，即正、負(fù)序阻抗相等。為了滿足該應(yīng)用條件，使用C1代替C2。假定C1=μC2，帶入式（1），并與式（3）結(jié)合，整理成正、負(fù)序電流分配系數(shù)相等的形式：

考慮到風(fēng)電場(chǎng)阻抗折算到高壓側(cè)后其阻抗遠(yuǎn)大于電網(wǎng)及線路阻抗，式（11）中等式左側(cè)μ近似為：

通過(guò)加入負(fù)序補(bǔ)償電流解決了正、負(fù)序阻抗不等的問(wèn)題，從而可以進(jìn)行選相。此方法兼顧雙饋風(fēng)電場(chǎng)弱電源及序阻抗特征，能很好地改善風(fēng)電側(cè)電流突變量選相元件性能。

4 仿真分析

在PSCAD/EMTDC平臺(tái)搭建如圖1所示風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)，線路電壓等級(jí)為110kV；線路長(zhǎng)度200km。應(yīng)用容量加權(quán)法搭建具低電壓穿越能力的30MW風(fēng)電場(chǎng)等值模型，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式及參數(shù)均參照主流風(fēng)機(jī)：轉(zhuǎn)子側(cè)采用定子磁鏈定向，定子側(cè)采用電網(wǎng)電壓定向[11]。風(fēng)機(jī)處于位功率因素運(yùn)行。正序線路參數(shù)為r1=0.081/km，l1=0.401mH/km，c1=0.003μF/km；零序線路參數(shù)為r0=0.475/km，l0=1.143mH/km，c0=00025μF/km；系統(tǒng)側(cè)參數(shù)為Z0m=（1.1+j6.6） ，Z1m=（2.43+j19） ；A相接地故障距離風(fēng)電側(cè)母線50km；短路時(shí)間為05s。

仿真結(jié)果表明，風(fēng)電場(chǎng)正序阻抗大于負(fù)序阻抗，并且負(fù)序阻抗變化幅度較小；A相接地故障時(shí)三相短路電流以零序分量為主，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

針對(duì)不同接地電阻及故障位置進(jìn)行詳細(xì)仿真，ε1=0.9，ε2=1.1；ε3=0.2，η1=8，η2=40；門檻電流值δ整定為15 A。采用故障后20 ms計(jì)算選相系數(shù)，仿真結(jié)果如下表所示：

仿真結(jié)果表明，對(duì)于金屬性及高阻接地故障本文所提出方法都能準(zhǔn)確快速選出故障相；此外還表現(xiàn)出較高的靈敏度。

5 結(jié)論

雙饋風(fēng)電場(chǎng)送出線發(fā)生短路故障后，風(fēng)電側(cè)阻抗會(huì)發(fā)生變化，故障網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)電場(chǎng)的正、負(fù)阻抗不再相等，因而引起正、負(fù)序電流分配系數(shù)也不相等，從而導(dǎo)致選相結(jié)果不正確。此外，風(fēng)電場(chǎng)相對(duì)于大電網(wǎng)容量小、電壓等級(jí)低，經(jīng)折算到高電壓后阻抗遠(yuǎn)大于電網(wǎng)側(cè)阻抗，因而短路發(fā)生后提供短路電流的能力差，對(duì)基于突變量的保護(hù)元件產(chǎn)生較大的影響。本文從電流突變量選相元件的原理出發(fā)，結(jié)合雙饋式風(fēng)電場(chǎng)故障特點(diǎn)，理論上分析了突變量選相元件面臨風(fēng)電接入的適應(yīng)能力，并提出了綜合考慮風(fēng)電的弱電源及正、負(fù)序阻抗不一致特征的選相方法。該方法通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)電側(cè)序阻抗及負(fù)序電流以得到補(bǔ)償電流從而解決了電流分配系數(shù)不相等的問(wèn)題，很大程度上提高了風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)時(shí)電流突變量單相選相的靈敏性及可靠性。本文的主要結(jié)論包括：

1）基于突變量的選相元件的應(yīng)用前提條件為保護(hù)背側(cè)正、負(fù)序阻抗相等。

2）不同于常規(guī)電網(wǎng)，雙饋式風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式、控制策略變化較大，其短路電流呈復(fù)雜多態(tài)性，并且風(fēng)場(chǎng)側(cè)阻抗不穩(wěn)定且正負(fù)序阻抗不相等，不能保證突變量選相元件正確動(dòng)作。

3）在弱電源側(cè)故障電流零序電流占比大，三相電流幅值及相位相近，造成基于突變量原理的選相元件靈敏度降低。

4）當(dāng)具有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)送出線路發(fā)生故障時(shí)，撬棒電阻瞬時(shí)投入，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)作普通異步電機(jī)處理。

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作者簡(jiǎn)介：何奎（1990），男，四川南充人，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究；呂飛鵬（1968），男，云南玉溪人，博士，教授，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。

通信作者：何奎