一起風電場解列保護拒動的分析及改進措施

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(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

一起風電場解列保護拒動的分析及改進措施

王彥國,余群兵,徐光福

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

集中式并網(wǎng)風電一方面要防止在系統(tǒng)輕微故障時機組脫網(wǎng)，另一方面在風電場升壓站本側(cè)送出線故障時要求能迅速解列。針對工程中一起典型的風電場升壓站本側(cè)送出線接地故障后解列保護拒動的事故進行了分析，遵循風電場低電壓穿越特性，通過增加進線保護動作輔助判據(jù)，對低壓解列保護進行了改進。改進后保護即可在系統(tǒng)輕微故障時保障風機不脫網(wǎng)連續(xù)運行，維護了并網(wǎng)風機的經(jīng)濟效益；同時又保證了在風電場升壓站本側(cè)送出線故障時可迅速解列風電，提高了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

低電壓穿越；低壓解列；風電場；繼電保護

0 引 言

隨著新能源和電力電子技術的迅速發(fā)展，風電并網(wǎng)從小容量裝機、接入地區(qū)配電網(wǎng)絡、就地消納的分散式方式發(fā)展為集團式建設、采用超高壓遠距離輸送、異地消納的集中式方式[1-2]。風電集中接入系統(tǒng)后，如仍采用應對分散式風電的簡單聯(lián)跳做法，則會發(fā)生因小的電網(wǎng)故障造成大量風電機組被切除的事故，造成系統(tǒng)功率缺額，電網(wǎng)電壓繼續(xù)跌落，甚至引起大面積的停電，帶來系統(tǒng)穩(wěn)定問題[1，3]。因此，為了避免小的電網(wǎng)故障造成大面積風電被切除，并網(wǎng)的風電機組要求具備低電壓穿越能力[4-7]。

當其他風電場送出線或升壓站內(nèi)發(fā)生故障，導致本側(cè)風電場并網(wǎng)點電壓降低時，低電壓穿越特性可保證風機在不脫網(wǎng)區(qū)域連續(xù)運行，有助于系統(tǒng)穩(wěn)定，同時也保障了并網(wǎng)風電的效益；但如果本側(cè)送出線發(fā)生故障，受具備低電壓穿越特性的風電機組的電壓支撐影響，低壓解列保護會延緩動作、甚至拒動。下面對工程中一起風電場升壓站本側(cè)送出線接地故障后解列保護拒動的事故進行了分析，遵循風電場低電壓穿越特性，通過引入進線保護動作判據(jù)，對低壓解列保護進行了改進。

1 事故經(jīng)過

圖1為集中式方式的典型接線，風電機組通過單機單變，將低壓(0.69 kV)通過箱變升高至中壓(10 kV或35 kV)，多臺風電機組匯集到一條集電線接入中壓匯流母線，再通過風電場主變壓器升壓至更高電壓(一般為110 kV)，通過送出線并入系統(tǒng)。

故障如圖1所示，110 kV本側(cè)送出線發(fā)生A相接地故障，配置的送出線主保護光纖差動瞬時跳開1DL、2DL，但安裝于風電場1升壓變壓器的110 kV母線的故障解列裝置的保護未動作。裝置定值單如表1所示。

圖1 風電集中接入系統(tǒng)

保護類別定值時間/s低壓解列50V0.1過壓解列Ⅰ段115V1.3過壓解列Ⅱ段111V10低頻解列47.8Hz1.3過頻解列50.6Hz1.3

提取故障解列裝置在該時刻的錄波，如圖2所示，明顯看出在故障后A相電壓跌落，但數(shù)周波后電壓抬升。

圖2 故障解列裝置錄波

解列保護采用線電壓判據(jù)，線電壓幅值和頻率特性分析如圖3所示。

由圖3分析可知：

1) 發(fā)生故障后電壓跌落，基本不變，短時間后所有電壓抬升，每個線電壓都有大于過壓解列定值的情況，但持續(xù)時間只有1～3個周波，過壓解列保護因計時器不滿足未動作。

2) 約420 ms后線電壓跌落至50 V以下，低壓解列保護起動，但不到520 ms時所有線電壓都跌落至15 V以下。此時低壓解列計時未滿足，故障解列裝置在這種三相失壓情況下判定風電機組已全部自行解列，不再重復動作，低壓解列保護返回；

圖3 電壓頻率分析

3) 頻率在故障后先緩慢下降，但降幅達不到低頻解列定值，在短時間后頻率迅速爬升，大于過頻解列定值，但持續(xù)約6個周波后又回落至過頻定值以下，過頻解列保護因計時器不滿足未動作；

4) 約260 ms后頻率跌落至低頻解列定值以下，低頻解列保護起動，但700 ms后電壓全部跌至0，無法再基于電壓計算頻率，頻率恢復至默認工頻值，低頻解列保護返回。

可見由于電壓和頻率在故障后出現(xiàn)先緩慢降低、再短時間迅速抬升、然后再降低的現(xiàn)象，導致解列保護均未動作。針對該問題，結(jié)合風機的運行特性對故障全程做進一步分析。

2 故障分析

根據(jù)110 kV本側(cè)送出線故障后的動作、重合閘波形，可得到如圖4所示的故障全程動作時序。

圖4 故障全程動作時序

1)0～12 ms：110 kV本側(cè)送出線發(fā)生A相接地故障，此期間保護尚未動作，110 kV母線A相電壓降低，B、C相電壓保持不變，風電機組仍保持與電網(wǎng)相連，保持正常運行，110 kV本側(cè)送出線兩側(cè)都流過短路電流。

2)20 ms時本側(cè)送出線主保護動作，71 ms時跳開本側(cè)開關2DL。

3)71～140 ms：在檢測到母線電壓降低后，風電傳動將控制轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)支撐模式，風電機組不再發(fā)送有功功率，而是通過向電網(wǎng)反送無功功率來支撐電網(wǎng)電壓。

線電壓在此期間全部升高，最大值都大于過壓解列定值；頻率也隨之迅速升高，最大值大于過頻解列，但兩種保護都不滿足動作時間。

4)140～739 ms：在檢測到母線電壓返回至正常值之上后，風電傳動控制關閉電網(wǎng)支撐模式，再次發(fā)送有功功率。此時故障點仍然存在，沒有無功支撐，母線電壓開始下降。739 ms時所有電壓降低至0，說明風機低壓側(cè)0.69 kV動作，風機全部脫網(wǎng)，從2DL跳開計時約670 ms，證明了風機脫網(wǎng)時間符合低電壓穿越曲線特性。

在電壓跌落期間，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)風電機組的槳距角來減少捕獲的風能，進而減小風機的機械轉(zhuǎn)矩以穩(wěn)定風電機組的轉(zhuǎn)速，保證風機的穩(wěn)定運行[12-13]。由圖3可見，抬升后的頻率數(shù)周波后即被調(diào)低至工頻附近，在電網(wǎng)支撐模式關閉后，頻率開始衰減，在電壓低于頻率計算門檻后，頻率恢復至默認值50 Hz。

5)1 092 ms時2DL重合閘動作，1 099 ms時2DL重合成功。

6)1 240 ms時1DL重合閘動作，合于故障，1DL加速跳開。

可見，具備低電壓穿越能力的風電機組，在本側(cè)送出線發(fā)生故障后，風機會因低電壓穿越失敗而脫網(wǎng)。但由于電壓、頻率的逐步衰減，必須要等到低電壓穿越時間到達后才與系統(tǒng)解列，這一特性將造成送出線重合閘、備自投延緩動作[7]。針對該問題，參照GB/T 19963-2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》相關要求，對解列保護做出改進。

3 改進措施

《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》對風電場的運行適應性有明確規(guī)定[6]：

1)對于電壓范圍，當風電場并網(wǎng)點電壓在本側(cè)送出線的90%～110%額定電壓之間時，風電機組應能正常運行；當風電場并網(wǎng)點電壓超過本側(cè)送出線的110%時，風電場的運行特性由風電機組的性能確定。

2)對于頻率范圍，要求如表2所示。

由以上規(guī)定看出，風電場基于電壓、頻率的保護以保護風機為目的，這與電網(wǎng)繼電保護以維護系統(tǒng)穩(wěn)定為目的存在矛盾[8-11]。以此故障為例，本側(cè)送出線單相接地后過壓、過頻只維持幾個周波，如依賴過壓、過頻保護來解列風電場，則必須減小動作時間，這不但違背了《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》的相關要求，而且在其他送出線或系統(tǒng)輕微故障時可能導致保護誤切本側(cè)風電場，造成事故擴大的現(xiàn)象。對于低頻保護，考慮風電場升壓站的母線頻率在故障后跌落一般要經(jīng)過一段時間，此外參照表2相關規(guī)定，也不滿足風電場迅速解列的需求。

綜上所述，選擇低壓解列保護來進行改進。該保護配置兩段，Ⅰ段增加進線保護動作輔助判據(jù)，在本側(cè)送出線故障后瞬時動作；Ⅱ段遵循低電壓穿越曲線特性，在其他送出線或系統(tǒng)故障后判低電壓穿越失敗才動作。

3.1 進線保護動作輔助判據(jù)

以圖1接線為例，故障解列裝置引入送出線兩端開關1DL、2DL的保護跳令，本端2DL信號在常規(guī)站可由硬開入方式接入裝置，在智能站可由過程層GOOSE方式接入；遠端1DL信號需通過光纖接入。此外再引入1DL、2DL的KKJ1、KKJ2合后位置，在送出線開關執(zhí)行手動跳閘操作時閉鎖解列。如不考慮遠端系統(tǒng)側(cè)母線故障或其他站內(nèi)故障跳開1DL后迅速解列風電場的需求，1DL信號可不接入。

進線保護動作輔助判據(jù)不引入送出線開關的跳閘位置，一方面是考慮到在保護動作后開關跳開需經(jīng)過20～50 ms延時；另一方面由上節(jié)分析可知，2DL開關跳開隔離故障后母線電壓受風機電網(wǎng)支撐模式影響迅速升高。如引入跳閘位置，則在開關跳開后再經(jīng)過通道傳輸延時和信號確認延時，電壓可能已升高至定值以上，造成保護拒動的現(xiàn)象。

改進后低壓解列Ⅰ段邏輯:當送出線開關1DL、或2DL保護動作信號由0至1變化時，展寬時間。此時如對應開關KKJ為1，且低壓解列Ⅰ段起動，則不經(jīng)延時瞬時出口。保護邏輯圖如圖5所示。

圖5 低壓解列Ⅰ段邏輯

由上節(jié)分析可知，當本側(cè)送出線故障時，風電場低電壓穿越失敗，因此低壓解列Ⅰ段不必遵循低電壓穿越特性曲線，電壓定值可抬高至額定電壓的70%～90%，保證故障后迅速啟動；在進線保護動作輔助判據(jù)置1時，比起故障發(fā)生時刻已經(jīng)過送出線主保護動作延時、保護動作信號傳輸延時、故障解列裝置信號確認延時，因此低壓解列Ⅰ段保護不設延時瞬時動作。

改進后的低壓解列Ⅰ段使用如表3所示的定值，采用所提故障波形回放測試。

由圖6波形看出，當故障解列裝置判進線保護動作為1時，Uab電壓低于80 V，低壓解列Ⅰ段成功動作。

表3 改進后低壓解列Ⅰ段定值

圖6 改進后低壓解列Ⅰ段成功動作波形

3.2 低電壓穿越特性判據(jù)

參照國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準Q/GDW 392-2009《風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定》，對風電場低電壓穿越能力的要求如圖7所示(為額定電壓)。

1)風電機組具備在并網(wǎng)點電壓跌落至20%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms的能力；

2)并網(wǎng)點電壓在跌落后2 s內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%時，風電機組保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行[6-7]。

圖7 風電場低電壓穿越要求

參照圖7的風電場低電壓穿越特性曲線，低壓解列Ⅱ段增設4個與低電壓穿越相關的參數(shù)：

①Ul0為正常運行時最低電壓限值；

②Ul1為可耐受的電壓下限；

③T0為電壓跌落到Ul0需要保持并網(wǎng)的時間；

④T1為電壓跌落到Ul1需要保持并網(wǎng)的時間。

參照圖7設置默認值如下

表4 低壓解列Ⅱ段低電壓穿越相關參數(shù)默認值

根據(jù)這4個參數(shù)，可計算出不脫網(wǎng)連續(xù)運行區(qū)域和允許從電網(wǎng)切出區(qū)域的分界線的斜率。

(1)

低壓解列Ⅱ段保護設置低電壓穿越計時器Tlv，電壓降低確認計數(shù)器cnt1、cnt2。當并網(wǎng)點電壓跌落至Ul0以下時，計時器Tlv開始計時，在電壓恢復至Ul0以上或低壓解列Ⅱ段保護動作或退出后，計時器Tlv清零。

在Tlv計時期間，如電壓低于Ul1，連續(xù)確認滿足cnt1后保護動作。當Tlv大于T1后，如果并網(wǎng)點電壓U跌落于允許從電網(wǎng)切出區(qū)域，則滿足式(2)：

(2)

展開得：

U

(3)

該情況下連續(xù)確認滿足cnt2后保護動作。

以表4默認值為例，對低壓解列Ⅱ段邏輯描述如圖8所示。

圖8 低壓解列Ⅱ段流程

低壓解列保護具備曾經(jīng)有壓判據(jù)，即裝置首次上電后電壓一定要大于Ul0，持續(xù)短延時后低壓保護才確認投入；低壓元件動作返回后，也要曾經(jīng)有壓，保護才能再次投入。因此可避免風電場解列后電壓消失時低壓元件重復動作。低壓解列出口接點動作后經(jīng)固定短延時收回，避免在保護動作后電壓低于定值時接點一直閉合。

對于增設的低電壓穿越相關參數(shù)，在工程運行時可根據(jù)不同類型的風電機組特性進行微調(diào)，使低壓解列Ⅱ段保護在風機低電壓穿越失敗前先一步動作。

4 結(jié) 語

集中式并網(wǎng)風電機組具備低電壓穿越能力，在風電場升壓站本側(cè)送出線故障時會發(fā)送無功來支撐電網(wǎng)電壓，導致解列保護有拒動風險，造成后續(xù)重合閘、備自投延緩動作。選擇低壓解列保護進行了改進，其中Ⅰ段速動保護增加進線保護動作輔助判據(jù)，Ⅱ段保護遵循風電場低電壓穿越特性曲線。該措施已在西北地區(qū)工程中得到驗證，改進后的保護既保障了風機在系統(tǒng)輕微故障時不脫網(wǎng)連續(xù)運行，維護了并網(wǎng)風機的經(jīng)濟效益，又在本側(cè)送出線故障時可迅速解列風電，提高了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

[1] 何世恩，姚旭，徐善飛．大規(guī)模風電接入對繼電保護的影響與對策[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41(1)：21-27．

[2] Globe Wind Energy Council(GWEC).World Wind Report 2011[R/OL].[2012-03-01]. http://www.gwec.net/publications/global-wind-report-21.

[3] 張保會，王進，李光輝，等．具有低電壓穿越能力的風電接入電力系統(tǒng)繼電保護的配合[J].電力自動化設備，2012，32(3)：1-6．

[4] 國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 432—2010風電調(diào)度運行管理規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2010.

[5] 中國電力科學研究院.風電并網(wǎng)研究成果匯編[M]．北京：中國環(huán)境科學出版社，2010:12-45.

[6] 國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 392—2009風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定[S].北京：中國電力出版社，2009.

[7] 高雯.風電場接入對固原電網(wǎng)繼電保護的影響研究[D]. 北京：華北電力大學，2013:10-11，15-19.

[8] 焦在強．大規(guī)模風電接入的繼電保護問題綜述[J]．電網(wǎng)技術，2012，36(7)：195-201．

[9] Smith J C，Milligan M R，Deneo E A，et al.Utility Wind Integration and Operating Impact State of the Art[J]．IEEE Trans.on Power Systems，2007，22(3)：900-908．

[10] Sulla F，Svensson J，Samuelsson O.Symmetrical and Un-symmetrical Short-circuit Current of Squirrel-cage and Doubly-fed Induction Generators[J]．Electric Power Systems Research，2011，81(8)：1610-1618．

[11] 張麗英，葉廷路，辛耀中，等．大規(guī)模風電接入電網(wǎng)的相關問題及措施[J]．中國電機工程學報，2010，30(25)：1-9．

[12] 朱永強，張旭．風電場電氣系統(tǒng)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2010：124-126．

[13] 張保會．分散式能源發(fā)電接入電力系統(tǒng)科學技術問題的研究[J]．電力自動化設備，2007，27(12)：1-4．

The large-scale grid-connected wind farm should avoid taking off the grid when minor faults occur on one hand, on the other it needs to isolate promptly as soon as the own outgoing line faults of boost station of wind farm occurs. A protective action resistance for fault disconnection of wind farm after the typical ground fault of outgoing line in booster station is analyzed, and following the low-voltage ride-through characteristics of wind farm, the under-voltage isolation protection is improved by adding outgoing line protections as auxiliary criterion. After the improvement, the protections ensure the wind farm in continuous operation will not be taken off the grid when minor faults occur, which maintains the economic benefits of wind farm. Meanwhile it ensures the prompt isolation when the faults of own outgoing line in boost station occur, which improves the safety and stability of power grid.

low-voltage ride-through; under-voltage separation; wind farm; relay protection

TM615

B

1003-6954(2017)06-0076-06

王彥國(1983)，碩士、工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)中110 kV及以下繼電保護、新能源發(fā)電保護控制；

余群兵(1979)，碩士、工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)中110 kV及以下繼電保護；

徐光福(1982)，碩士、工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)中110 kV及以下繼電保護、分布式發(fā)電保護控制。

2017-07-06)