DFIG接入配電網(wǎng)的工頻故障分量距離保護(hù)應(yīng)用研究

羅要云 寧愛林 羅媚媚

摘 要：DFIG接入配電網(wǎng)后，由于有了助增電流的影響，使得原有電流保護(hù)和距離保護(hù)都不再實用。本文分析了考慮低電壓穿越時，DFIG接入配電網(wǎng)的工頻故障分量距離保護(hù)，結(jié)果表明，DFIG接入對工頻故障分量距離保護(hù)沒有影響。同時分析了實際應(yīng)用過程中存在的問題，提出應(yīng)用保護(hù)安裝處電壓突變量進(jìn)行比較的判據(jù)，并通過仿真驗證該理論的正確性。

關(guān)鍵詞：DFIG；低電壓穿越；工頻故障分量距離保護(hù)；保護(hù)安裝處；電壓突變量；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.155

0 引言

近年來，風(fēng)力發(fā)電以其投資省、能耗低、清潔環(huán)保[1]等優(yōu)勢在新能源發(fā)電中迅速發(fā)展起來。風(fēng)力發(fā)電有很大一部分是通過分布式方式接入配電網(wǎng)，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)通常按照輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，采用的保護(hù)方式多為三段式電流保護(hù)。

風(fēng)力發(fā)電機組接入以后，配電網(wǎng)絡(luò)就從傳統(tǒng)的單一輻射型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成多電源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)配網(wǎng)發(fā)生短路故障時，配電網(wǎng)的潮流方向、故障電流的分布發(fā)生了根本性變化，這將導(dǎo)致原有的繼電保護(hù)配置存在誤動和拒動的可能[2]。為了保證配電網(wǎng)絡(luò)安全可靠地運行研究風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)后繼電保護(hù)的配置，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)對繼電保護(hù)的影響

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是單輻射型的，電流以一個方向流動，通常配置的為簡單的三段式電流保護(hù)，當(dāng)配電網(wǎng)接入逆變型電源，如風(fēng)力發(fā)電機組以后，電網(wǎng)形式就從單一電源轉(zhuǎn)變成為多電源形式，此時，電流的流向是多向型的，同時電流的幅值也隨DFIG的容量、接入位置等變化而變化。距離保護(hù)具有不受運行方式影響的優(yōu)點，而且距離保護(hù)中的方向阻抗圓特性具有特定的方向性，使得它在分布式電源接入配電網(wǎng)的應(yīng)用中受歡迎[3]-[7]，但是傳統(tǒng)的距離保護(hù)Ⅱ段須與下級線路Ⅰ段相配合，以圖1為例，保護(hù)1的Ⅱ段的整定值在DFIG接入配電網(wǎng)之前，它的整定值，此時，當(dāng)DFIG接入以后，如不改變整定值，當(dāng)在保護(hù)1的Ⅱ段末端發(fā)生短路時，在保護(hù)1所測到的阻抗為：

由于有DFIG接入配電網(wǎng)，這時，，就會使保護(hù)1測得的阻抗增大，這樣就有可能在保護(hù)1的保護(hù)范圍內(nèi)拒動，保護(hù)2卻誤動的情況產(chǎn)生，當(dāng)根據(jù)接入的DFIG重新整定時，必須要考慮分支系數(shù)，分支系數(shù)中電流與DFIG的容量和出力有關(guān)，但實際運行中，DFIG的出力還與風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)速的不可控因素導(dǎo)致不確定，所以傳統(tǒng)的距離保護(hù)應(yīng)用到DFIG接入的配電網(wǎng)存在局限性。

2 基于工頻故障分量距離保護(hù)的原理

基于工頻故障分量距離保護(hù)基本原理如圖2所示。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，根據(jù)疊加原理可將故障狀態(tài)分解為正常負(fù)荷狀態(tài)和故障附加狀態(tài)[9-10]，其中故障附加狀態(tài)如圖2（a） 所示，即在故障點引入一個與故障前電壓幅值相等、相位相反的電壓源[8]，從而在短路附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生故障分量的電流和電壓。如圖2（a）所示， K1 、K2為正、反方向兩個故障點，分別對應(yīng)于電壓源。圖中Y 點為距離保護(hù)整定點， 是保護(hù)安裝處到整定點的阻抗值， 為正方向保護(hù)范圍內(nèi)故障時阻抗值，為系統(tǒng)電源內(nèi)阻抗。保護(hù)安裝處M 所測量到的電壓、電流突變量分別為ΔU、ΔI。根據(jù)圖2中各電氣量的正方向，補償?shù)奖Ｗo(hù)范圍末端Y點處的突變量電壓為：

（1）正反向故障情況。從圖2可以看出，當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生正方向故障時，存在如下關(guān)系：

從而得到：

此時故障點處的突變量電壓為：

對比可以知道，在正方向保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，則 ；同理，可以推得在正方向保護(hù)區(qū)外故障時 ，則。

（2）反方向故障情況。從圖2短路附加狀態(tài)圖可以看出，當(dāng)故障點發(fā)生在反方向K2時：

，從以上分析可知，判別正反向故障時，只需判別與的關(guān)系即可，當(dāng)在正向故障時，短路點在M母線右側(cè)，；反向，則短路點在M母線左側(cè)，因此，基頻故障分量距離保護(hù)的動作條件就是。

3 DFIG接入配電網(wǎng)的基頻分量距離保護(hù)

作為目前的主流風(fēng)電機型之一的雙 饋 感 應(yīng) 發(fā) 電 機（doubly fed inductiongenerator，DFIG），通常在電網(wǎng)故障時，要求風(fēng)電機組具備低壓穿越能力（Low Voltage Ride Through，LVRT）[11-12]。當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌落時，在一定電壓跌落范圍內(nèi)，風(fēng)場能夠維持并網(wǎng)運行，甚至向電網(wǎng)供給部分無功功率和電壓支撐，直到電網(wǎng)恢復(fù)，從而“穿越”整個低電壓區(qū)段的時間[13]。在故障發(fā)生的瞬間，并網(wǎng)點電壓下降，風(fēng)力發(fā)電機組向故障點提供短路電流，但很快低電壓穿越功能啟動，撬棒電路投入，風(fēng)力發(fā)電機組輸出有功P 和無功Q 會很快返回到設(shè)定值。在正序分量控制下，風(fēng)力發(fā)電機組輸出的故障電流只含正序分量，不含負(fù)序分量，PCC 上下游線路流過的負(fù)序電流完全相等[7]；當(dāng)DFIG接入配電網(wǎng)之后，在驗證動作的可行性時，在考慮基頻分量的距離保護(hù)中電流電壓突變量分量的時候就要考慮序分量，針對圖1的系統(tǒng)圖來分析DFIG接入配電網(wǎng)的基頻分量距離保護(hù)。

（1）距離Ⅰ段范圍內(nèi)發(fā)生故障時。對稱性故障分析比較簡單，為充分考慮DFIG接入配電網(wǎng)后對繼電保護(hù)的影響，現(xiàn)以不對性BC相故障，以圖1配電網(wǎng)系統(tǒng)圖中保護(hù)2為對象，此時為B母線上的故障突變量電壓，它包含由系統(tǒng)提供的和風(fēng)力發(fā)電機組提供的兩部分的故障突變量電壓；而由于在故障過程中，考慮風(fēng)力發(fā)電的LVRT特性，在正序控制方式下，DFIG只產(chǎn)生正序電流，接入點B母線上兩側(cè)的負(fù)序電流相等，因而發(fā)生故障后的電流突變量，它包含負(fù)序電流和由系統(tǒng)和DFIG提供的正序電流和。推導(dǎo)B、C相的整定點的補償電壓以及B、C相故障點的電壓如式（7）、（8）所示：

式中：為系統(tǒng)電源對C相提供的突變量電壓；為-斷路器2，C相正序電流突變量 為風(fēng)力發(fā)電機組對C相提供的突變量電壓。由于故障發(fā)生在正向保護(hù)區(qū)內(nèi)，，所以滿足動作條件，保護(hù)可靠動作。比較式（7）、式（8）可以看出，雖然接入了DFIG電源，但是在工頻故障分量距離保護(hù)中，它對整定點的電壓突變量和短路點的電壓突變量的影響是對等的，可以相互抵消。因此，不管風(fēng)力發(fā)電機組的容量大小和出力大小，它對工頻故障分量距離保護(hù)沒有影響。

（2）對距離Ⅱ段的分析。仍然以圖1的配電網(wǎng)系統(tǒng)圖為例，以保護(hù)1為對象，當(dāng)故障發(fā)生在K2點，保護(hù)1的距離Ⅱ段時，考慮BC相故障，來驗證工頻故障分量距離保護(hù)的動作特性。

由距離Ⅰ段分析可知：

此時在距離Ⅱ段的整定點所得到的B、C相補償電壓以及故障點的B、C相電壓如式（11）、（12）所示：

可以看出，不管是距離Ⅰ段還是距離Ⅱ段，基頻分量距離保護(hù)都能正確反映。因此該繼電保護(hù)原理可以克服運行方式變化的影響，針對DFIG接入的配電網(wǎng)路有很好的保護(hù)效果。

4 實際應(yīng)用中的問題

在實際應(yīng)用中，最大的難點就是對的提取，因為故障發(fā)生的位置很難預(yù)測，因此不能確定Zk的位置，為此，可以近似選擇短路前保護(hù)范圍末端Y點發(fā)生短路時M母線上的電壓突變量作為整定參考值，這時：

以此為參考，下面分別對正方向在故障保護(hù)范圍以內(nèi)和保護(hù)范圍以外的情況進(jìn)行區(qū)分當(dāng)在保護(hù)范圍內(nèi)K1點發(fā)生短路故障時，M母線上的突變量電壓為：

比較式（13）和（14）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生同一種類型短路故障時，在M側(cè)斷路器所檢測到的短路電流是隨故障的距離而變化的，越遠(yuǎn)離M點，故障電流越小，在M側(cè)上所檢測到的突變量電壓要小，導(dǎo)致。

同理，當(dāng)K1在保護(hù)范圍以外時，在M側(cè)所檢測到的電壓突變量絕對值要小，因此在實際應(yīng)用可以依據(jù)同類型故障時，作為動作判據(jù)。把保護(hù)范圍末端時的短路情況下M母線上電壓突變量定義為參考值，根據(jù)短路類型，可以分為，。

因此，可以得到保護(hù)跳閘出口邏輯如圖3所示。

5 仿真

為了驗證風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)絡(luò)的基頻分量距離保護(hù)的可以行，在PSCAD仿真軟件搭建如圖4所示。分別在AB線路和BC線路設(shè)立短路點，以兩相相間短路為例，A相電壓、電流最大值為參考，得到數(shù)據(jù)如表 1所示。

由表1仿真數(shù)據(jù)，可以得出工頻A相工頻故障分量在保護(hù)安裝處A母線上的突變量電壓、突變量電流規(guī)律符合本文所提出觀點，同時可以看出，加入DFIG的配電網(wǎng)，在應(yīng)用工頻分量距離保護(hù)時，不受DFIG的影響。

6 結(jié)論

（1）本文分析了DFIG接入配電網(wǎng)的工頻分量距離保護(hù)，考慮了風(fēng)力發(fā)電的LVRT特性所引起的故障電流的影響，但是由于故障電流在工頻分量距離保護(hù)對整定值和故障點電壓的影響可以相互抵消，所以應(yīng)用工頻距離保護(hù)對DFIG 接入的配電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，不受DFIG的影響，（2）在實際應(yīng)用過程中，故障點的電壓很難求得，本文提出了用保護(hù)安裝處的整定點所產(chǎn)生的突變量電壓代替整定值，用實時故障時在保護(hù)安裝處所產(chǎn)生的突變量電壓與之比較來判斷故障是否在保護(hù)區(qū)內(nèi)，并通過搭建仿真模型，用仿真數(shù)據(jù)驗證了該理論的正確性。

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基金項目：湖南省科技計劃項目（2016TP1023）；邵陽學(xué)院2016年研究生科研創(chuàng)新項目（CX2016SY035）

作者簡介：羅要云（1980-），男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要研究方向：多電源地區(qū)保護(hù)整定與控制技術(shù)。

*為通訊作者