不同類型風(fēng)電場對現(xiàn)有繼電保護(hù)仿真對比分析*

趙東杰，樊艷芳，王曉飛，常喜強(qiáng)

（1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊830047；2.國網(wǎng)新疆電力調(diào)度控制中心，烏魯木齊830002）

0 引 言

近年來，技術(shù)日益成熟的風(fēng)電飛速發(fā)展并逐漸形成風(fēng)電集群，為可持續(xù)發(fā)展提供了新動(dòng)力。隨著大規(guī)模風(fēng)電集群并網(wǎng)，將給系統(tǒng)的繼電保護(hù)帶來一系列問題，尤其是風(fēng)電送出線路常規(guī)繼電保護(hù)的適應(yīng)性問題，尚需進(jìn)一步仿真分析研究［1-4］。

目前，針對風(fēng)電接入系統(tǒng)繼電保護(hù)問題，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了一定研究。文獻(xiàn)［5-6］分析了風(fēng)電接入系統(tǒng)出現(xiàn)故障期間的電磁暫態(tài)響應(yīng)過程，其特征明顯與傳統(tǒng)電源有差異。文獻(xiàn)［7-9］分析了當(dāng)大規(guī)模雙饋風(fēng)電場送出線路出現(xiàn)故障時(shí)，風(fēng)電系統(tǒng)表現(xiàn)出高諧波和頻偏特性，指出距離保護(hù)及縱聯(lián)保護(hù)可能受到影響并引起誤動(dòng)，但是對于其他保護(hù)元件（如：方向元件、選相元件）的影響并未涉及。文獻(xiàn)［10-12］分析了直驅(qū)風(fēng)電場的各種故障特性，并提出基于穩(wěn)態(tài)電壓對稱分量的選相元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電流選相元件，直驅(qū)風(fēng)電場對其他保護(hù)元件的影響涉及較少。綜上所述，目前研究只針對單一型風(fēng)電場送出線路的故障對單個(gè)保護(hù)元件的影響，我國已建立大規(guī)模集群混合風(fēng)電場，但是針對集群不同類型風(fēng)電場對現(xiàn)有各種常規(guī)繼電保護(hù)元件的影響仍然缺乏仿真分析。

本文以新疆某地區(qū)集群風(fēng)電場（含雙饋、直驅(qū)）為研究對象，針對雙饋風(fēng)電場和直驅(qū)風(fēng)電場送出線路仿真分析了故障期間的暫態(tài)特性、故障特征的變化，分別對兩種類型風(fēng)電場對送出線路的保護(hù)元件進(jìn)行動(dòng)作性能測試及對比分析。對于風(fēng)電場合理選擇繼電保護(hù)配置，以保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。

1 風(fēng)電場送出線路基本保護(hù)配置

1.1 新疆某地區(qū)風(fēng)電接入系統(tǒng)狀況

以新疆某地區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)搭建框架，在A主變有3個(gè)49.5 MW的雙饋風(fēng)電場，其中風(fēng)電場是多臺單機(jī)容量為1.5 MW的機(jī)組通過箱變，然后經(jīng)風(fēng)電場主變壓器及風(fēng)電場110 kV送出線送至A主變110 kV母線上；在B主變有2個(gè)48MW的直驅(qū)風(fēng)電場，風(fēng)電場是多臺單機(jī)容量2 MW的機(jī)組通過箱變，經(jīng)風(fēng)電場主變壓器及110 kV風(fēng)電場送出線送至B主變110 kV母線上，最終經(jīng)過三繞組升壓變壓器將電能接入大系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 集群風(fēng)電接入系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure block diagram of cluster wind power access system

雙饋風(fēng)電場對風(fēng)電場送出線路保護(hù)的影響以A主變區(qū)110 kV風(fēng)電場3為例討論，直驅(qū)將以B主變區(qū)110 kV風(fēng)電場1為例來討論。

1.2 風(fēng)電送出線保護(hù)配置

以新疆某地區(qū)集群風(fēng)電場送出線為例，主保護(hù)配置常用的有縱聯(lián)方向保護(hù)和縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)送出線全線路；三段式距離保護(hù)常作為后備保護(hù)，但是為了滿足距離保護(hù)判斷故障相別以及單相重合閘的要求，需要配置的保護(hù)具有故障選相的能力，對各保護(hù)元件進(jìn)行介紹如表1。

表1 各保護(hù)元件的介紹Tab.1 Introduction of protection elements

2 不同類型風(fēng)電場送出線路故障特征仿真對比分析

2.1 雙饋風(fēng)電場不同類型故障仿真分析

針對雙饋風(fēng)電場，首先在t=4 s時(shí)風(fēng)電場送出線路L3上點(diǎn)f1處發(fā)生危害較大的三相短路故障，持續(xù)故障0.1 s，為了防止直流側(cè)過壓和變換器過流在故障5 ms后機(jī)組投入Crowbar電路，由此得到雙饋風(fēng)電場系統(tǒng)側(cè)電流i1、風(fēng)電場側(cè)電流i2及系統(tǒng)側(cè)電壓u1、風(fēng)電場側(cè)電壓 u2仿真結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 雙饋風(fēng)電場系統(tǒng)電流與風(fēng)電場電流Fig.2 System current and wind farm current of DFIG

圖3 雙饋風(fēng)電場系統(tǒng)電壓與風(fēng)電場電壓Fig.3 System voltage and wind farm voltage of DFIG

由圖2所示，雙饋風(fēng)電場送出線路故障時(shí)，風(fēng)電場側(cè)短路電流仿真曲線不再規(guī)則，其主要頻率分量隨短路前機(jī)組工況變化，不再保持工頻，系統(tǒng)側(cè)電流主要由系統(tǒng)和其它風(fēng)電場共同提供支撐，依舊是工頻。由圖3所示，當(dāng)線路發(fā)生三相短路時(shí)，風(fēng)電場裝機(jī)容量相對于系統(tǒng)較小，系統(tǒng)側(cè)阻抗小于風(fēng)電場側(cè)阻抗，風(fēng)電場側(cè)電壓主要還是工頻分量。

當(dāng)t=4 s時(shí)在風(fēng)電場送出線路L3上點(diǎn)f1處發(fā)生概率較大的單相接地故障，運(yùn)行工況與前面相同，由此得到雙饋風(fēng)電場系統(tǒng)側(cè)電流i1、風(fēng)電場側(cè)電流i2，及系統(tǒng)側(cè)電壓u1、風(fēng)電場側(cè)電壓u2分別如圖4和圖5所示。

圖4 雙饋風(fēng)電場系統(tǒng)電流與風(fēng)電場電流Fig.4 System current and wind farm current of DFIG

圖5 雙饋風(fēng)電場系統(tǒng)電壓與風(fēng)電場電壓Fig.5 System voltage and wind farm voltage of DFIG

圖4中，首先系統(tǒng)側(cè)非故障相電流幅值小于故障相電流，風(fēng)電場側(cè)發(fā)生單線接地時(shí)，故障電流的零序分量比率比較大，非故障相幅值相位與故障相接近，這使基于序電流大小及相電流差突變量的常規(guī)保護(hù)裝置受到嚴(yán)重影響。圖5所示，雙饋風(fēng)電場系統(tǒng)側(cè)與風(fēng)電場側(cè)故障相電壓明顯下跌。

2.2 直驅(qū)風(fēng)電場不同類型故障仿真分析

對于直驅(qū)風(fēng)電場，為區(qū)別于雙饋風(fēng)電場在t=2 s時(shí)送出線路L4上點(diǎn)f2處三相短路故障，由此得到直驅(qū)風(fēng)電場系統(tǒng)側(cè)電流i1、風(fēng)電場側(cè)電流i2及系統(tǒng)側(cè)電壓u1、風(fēng)電場側(cè)電壓u2分別如圖6和圖7所示。

圖6 直驅(qū)風(fēng)電場系統(tǒng)電流與風(fēng)電場電流Fig.6 System current and current of direct drive wind farm system

圖7 直驅(qū)風(fēng)電場系統(tǒng)電壓與風(fēng)電場電壓Fig.7 System voltage and voltage of direct drive wind farm system

由圖6所示，直驅(qū)風(fēng)電場故障電流頻率仍能保持工頻。由圖7所示，直驅(qū)風(fēng)電場送出線路系統(tǒng)側(cè)電壓與風(fēng)電場側(cè)電壓都迅速衰減到很小。

當(dāng)t=2 s時(shí)在風(fēng)電場送出線路L4上點(diǎn)f2處發(fā)生概率較大的單相接地故障，運(yùn)行工況不變，直驅(qū)風(fēng)電場系統(tǒng)側(cè)電流i1、風(fēng)電場側(cè)電流i2如圖8所示。

圖8 單相故障時(shí)系統(tǒng)電流與風(fēng)電場電流Fig.8 System current and wind farm currentwhen single phase fault occurs

仿真分析風(fēng)電場送出線路故障期間，雙饋風(fēng)電場側(cè)的故障電流、電壓出現(xiàn)波動(dòng)，這會對依據(jù)電流、電壓計(jì)算結(jié)果而動(dòng)作的保護(hù)裝置產(chǎn)生影響導(dǎo)致誤動(dòng)。同樣，直驅(qū)式風(fēng)電場側(cè)電壓也出現(xiàn)波動(dòng)，但故障電流的頻率維持工頻，對送出線路的保護(hù)裝置造成部分影響。

3 風(fēng)電場送出線路繼電保護(hù)仿真對比分析

3.1 對電流差動(dòng)保護(hù)元件的影響分析

根據(jù)風(fēng)電送出線路的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的原理，它需要線路兩端電流狀況來作出相應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)雙饋風(fēng)電場送出線路出現(xiàn)故障時(shí)，從上面仿真可以得出系統(tǒng)側(cè)故障電流保持工頻，風(fēng)電場側(cè)故障電流隨短路前機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化，此時(shí)基于工頻相量的保護(hù)算法提取到的是非工頻電流相量，對于直驅(qū)風(fēng)電場故障期間其系統(tǒng)側(cè)故障電流仍保持工頻，由于系統(tǒng)遠(yuǎn)大于風(fēng)電場短路容量，因此系統(tǒng)側(cè)工頻故障電流幅值遠(yuǎn)大于風(fēng)電場側(cè)，降低了電流差動(dòng)保護(hù)的性能。對于雙饋與直驅(qū)兩種類型風(fēng)電場，電流差動(dòng)保護(hù)元件都正確動(dòng)作，但是保護(hù)靈敏度卻降低了。

3.2 對方向保護(hù)元件的影響分析

對于雙饋風(fēng)電場和直驅(qū)風(fēng)電場送出線路的縱聯(lián)方向保護(hù)，當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)正確動(dòng)作，反之則拒動(dòng)；如果在保護(hù)范圍外發(fā)生故障時(shí)則導(dǎo)致誤動(dòng)。針對不同類型風(fēng)電場、不同運(yùn)行工況下（風(fēng)速8 m/s、12.5 m/s）的故障仿真，通過提取工頻分量的傅氏濾波算法計(jì)算，得出正序、負(fù)序、零序方向元件動(dòng)作結(jié)果如表2～表4。

表2 不同運(yùn)行工況下正序方向元件動(dòng)作結(jié)果Tab.2 Operating results of positive-sequence directional element under different operating conditions

表3 不同運(yùn)行工況下負(fù)序方向元件動(dòng)作結(jié)果Tab.3 Operating results of negative-sequence directional element under different operating conditions

表4 不同運(yùn)行工況下零序方向元件動(dòng)作結(jié)果Tab.4 Operating results of zero-sequence directional element under different operating conditions

由表2～表4所示，對于雙饋風(fēng)電場正序方向元件和負(fù)序方向元件受到風(fēng)電接入影響，因?yàn)楫?dāng)故障電流頻率是非工頻后均不能正常工作，而零序方向元件受風(fēng)電接入影響較小，接地故障時(shí)，零序分量在風(fēng)電場側(cè)故障電流中所占比例較高，使三相電流幅值相近；對于直驅(qū)風(fēng)電場正序方向元件基本不受影響，負(fù)序方向元件和零序方向元件受到部分影響不能正確動(dòng)作。

3.3 對距離保護(hù)元件的影響分析

圖9是雙饋風(fēng)電場送出線路區(qū)內(nèi)發(fā)生三相故障時(shí)，相間距離保護(hù)元件的動(dòng)作特性。可以通過傅氏算法計(jì)算出測量阻抗的運(yùn)動(dòng)軌跡，在故障開始后的一段時(shí)間測量阻抗在整定阻抗圓內(nèi)外擺動(dòng)，可能落入動(dòng)作區(qū)導(dǎo)致距離保護(hù)誤動(dòng)。

圖9 雙饋風(fēng)電場距離元件動(dòng)作結(jié)果Fig.9 Operating result of distance element of DFIG wind farm

圖10是直驅(qū)風(fēng)電場送出線路區(qū)內(nèi)三相和兩相故障下相間距離保護(hù)元件的動(dòng)作特性及測量阻抗在阻抗整定圓內(nèi)外的軌跡。在故障開始后測量阻抗軌跡波動(dòng)小。

圖10 直驅(qū)風(fēng)電場距離元件動(dòng)作結(jié)果Fig.10 Operating result of distance element of direct drive wind farm

結(jié)合風(fēng)電場側(cè)電壓、電流信息，我們對送出線路風(fēng)電場側(cè)的距離保護(hù)裝置進(jìn)行分析，經(jīng)過不同類型故障仿真計(jì)算，在雙饋風(fēng)電場下，在區(qū)內(nèi)外故障情況下，測量阻抗的軌跡在阻抗整定圓內(nèi)外大范圍波動(dòng)，距離保護(hù)的動(dòng)作性能受到嚴(yán)重影響。在直驅(qū)風(fēng)電場下，測量阻抗的軌跡波動(dòng)小，距離保護(hù)的動(dòng)作性能基本不受影響。

3.4 對選相保護(hù)元件的影響分析

若不同類型（雙饋、直驅(qū)）風(fēng)電場在不同運(yùn)行工況下，風(fēng)電場送出線路發(fā)生不同類型故障時(shí)，各選相元件動(dòng)作如表5～表6所示。

表5 不同運(yùn)行工況下對稱分量選相元件動(dòng)作結(jié)果Tab.5 Operating results of phase-selection element based on symmetrical component under different operating conditions

表6 不同運(yùn)行工況下相電流差突變量選相元件動(dòng)作結(jié)果Tab.6 Operating results of phase-selection element based on differential phase current under different operating conditions

由表5可以看出，雙饋風(fēng)電場發(fā)生故障時(shí)，故障電流頻率發(fā)生偏移，對稱分量選相元件判斷出現(xiàn)誤差；由表6可知，在發(fā)生接地故障時(shí)，兩種類型風(fēng)電場對相電流差突變量選相元件判斷都出現(xiàn)錯(cuò)誤結(jié)果。

4 結(jié)束語

通過對雙饋風(fēng)電場和直驅(qū)風(fēng)電場送出線路現(xiàn)有保護(hù)適應(yīng)性仿真分析得出以下結(jié)論：

（1）雙饋風(fēng)電場的送出線路發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)電場故障電流頻率不再保持工頻，而是隨短路前機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化；而對于直驅(qū)風(fēng)電場，其風(fēng)電場故障電流頻率不受運(yùn)行工況影響，仍保持工頻，且風(fēng)電場側(cè)母線電壓也維持工頻，可準(zhǔn)確提取基于傅氏算法工頻相量；

（2）對于送出線路的主保護(hù)，兩者的電流差動(dòng)元件都能動(dòng)作，但是靈敏度都降低了，雙饋風(fēng)電場對基于電壓、電流相量的方向元件的動(dòng)作性能會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而直驅(qū)風(fēng)電場對方向元件的動(dòng)作性能的影響不大（除負(fù)序、零序方向元件在故障時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)外）；

（3）對于送出線路的后備保護(hù)，雙饋風(fēng)電場對基于電壓、電流相量的距離元件也會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而直驅(qū)式對距離元件基本不影響。兩種類型風(fēng)電場的相電流差突變量選相元件易出現(xiàn)誤動(dòng)現(xiàn)象。

通過仿真不同類型風(fēng)電場送出線路的不同類型故障，分析了故障對雙饋和直驅(qū)風(fēng)電場常規(guī)繼電保護(hù)元件的影響。這對以后不同類型風(fēng)電場選擇保護(hù)裝置提供一些參考。