風(fēng)電場集中接入對集電線電流保護的影響研究

李靖

摘要：風(fēng)電機組由于區(qū)別于傳統(tǒng)發(fā)電機，故障時饋出的短路電流會對風(fēng)場內(nèi)部的集電線的正確動作造成影響。此外，DFIG的撬棒保護動作情況，以及風(fēng)場內(nèi)部復(fù)雜多變的運行方式，也給風(fēng)電場集電線電流保護的整定帶來了新的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場;集中接入;集電線電流;保護;影響

1傳統(tǒng)集電線電流保護的整定方法

典型的雙饋型風(fēng)廠如圖1所示，單臺DFIG的容量為1.5MW，風(fēng)機通過箱式變壓器升壓至35kV，再通過主變升壓至110kV，與外部電網(wǎng)相連。風(fēng)電場集電線電壓等級為35kV，線路不長，在電網(wǎng)側(cè)配置有兩段式電流保護（圖中M點）。

1.1傳統(tǒng)集電線電流保護Ⅰ段整定方法

在圖1中，當(dāng)待整定集電線末端f1處發(fā)生故障時，根據(jù)傳統(tǒng)電流保護整定原則，M點的電流保護Ⅰ段定值按保本線故障具有足夠靈敏度整定。

式中：IⅠset為電流保護I段整定值;KⅠsen為I段靈敏度系數(shù)，典型值取1.5;Imin-end為故障時，流過保護的最小短路電流。

在計算Imin-end時，傳統(tǒng)整定方法采用的計算條件如下：圖1中f1處發(fā)生兩相短路;系統(tǒng)采取最小運行方式;所有風(fēng)電機組退出運行。

1.2傳統(tǒng)集電線電流保護Ⅱ段整定方法

在圖1中，當(dāng)待整定集電線的箱式變壓器低壓側(cè)f2處發(fā)生故障時，根據(jù)傳統(tǒng)電流保護整定原則，M點的電流保護Ⅱ段定值按躲過集電線最近處箱式變壓器低壓側(cè)最大短路電流整定。

式中：IⅡset為電流保護II段整定值;KⅡrel為II段可靠系數(shù)，典型值取1.5;Imax為故障時，流過保護的最大短路電流。在計算Imax時，傳統(tǒng)的整定方法采用的計算條件如下：圖1中f2處發(fā)生三相短路;系統(tǒng)采用最大運行方式;所有風(fēng)電機組投入運行。

2傳統(tǒng)集電線電流保護整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

2.1傳統(tǒng)電流保護Ⅰ段整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

（1）電流保護Ⅰ段整定計算存在的主要問題

由式（1）可知，在電流保護Ⅰ段整定中，關(guān)鍵在于正確計算集電線末端最小短路電流Imin-end。傳統(tǒng)的整定方法中，所有風(fēng)機將退出運行，只考慮系統(tǒng)提供的短路電流。這一整定方法的最大問題是沒有考慮DFIG的撬棒保護動作所導(dǎo)致的分流作用。因此，在計算待整定集電線上的最小短路電流時，應(yīng)考慮其他集電線上風(fēng)機的撬棒動作情況。

（2）電流保護Ⅰ段整定方法的調(diào)整策略

在DFIG的撬棒保護不動作時，風(fēng)機為有源支路，故可采用傳統(tǒng)整定方法計算Imin-end。但當(dāng)發(fā)生近區(qū)短路故障時，可能導(dǎo)致風(fēng)電機組撬棒保護動作，此時DFIG勵磁回路經(jīng)撬棒電阻短接，失去勵磁，其等值電路類似為異步電動機，會對系統(tǒng)的短路電流有分流作用，導(dǎo)致流過待整定集電線上的短路電流減小，如圖2所示。

在圖2中：待整定集電線末端f點發(fā)生兩相短路;I1為系統(tǒng)側(cè)向風(fēng)場提供的短路電流;I2為DFIG的撬棒保護動作導(dǎo)致的分流作用;I3為故障集電線上的短路電流。

根據(jù)以上分析，為了正確計算Imin-end，調(diào)整后的計算條件如下：集電線末端f點發(fā)生兩相短路;系統(tǒng)最小運行方式;其他集電線上的DFIG全部投入運行，并且撬棒保護動作。

2.2傳統(tǒng)電流保護Ⅱ段整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

（1）電流保護II段整定計算存在的主要問題由式（2）可知，在電流保護Ⅱ段整定中，關(guān)鍵在于正確計算流過待整定集電線的最大短路電流Imax。傳統(tǒng)的整定計算方法在計算Imax時，將風(fēng)機看作傳統(tǒng)發(fā)電機的電壓源串接內(nèi)阻抗的等效電源，故計算條件為所有風(fēng)機全部投入運行。根據(jù)前述分析，故障發(fā)生時，DFIG的短路計算模型與傳統(tǒng)發(fā)電機的等效模型有很大的不同：若DFIG的撬棒保護動作，則DFIG等效為異步電動機;若DFIG的撬棒保護沒有動作，則DFIG等效為受控電流源模型，向外提供短路電流。

（2）電流保護Ⅱ段整定方法的調(diào)整策略

由式（2）可以看出，箱式變低壓側(cè)的最大短路電流與電網(wǎng)的運行方式、其他集電線的風(fēng)機運行方式和本集電線上其他風(fēng)機的運行方式有關(guān)。每一個條件的變動，均會影響待整定集電線的最大短路電流。下面以圖3所示的電流保護Ⅱ段整定等效示意圖為例，詳細分析電網(wǎng)不同計算條件對短路電流Imax的影響。

在圖3中，待整定集電線箱變低壓側(cè)f點發(fā)生三相短路故障，I1為系統(tǒng)側(cè)向風(fēng)場提供的短路電流，I2為其他集電線風(fēng)電機組提供的短路電流，I3為故障集電線上的短路電流，I4為待整定集電線上其他DFIG提供的短路電流。

計算Imax也即計算I3的最大值。由圖3可知，I3主要受I4，I2和I1影響。其中：I4由待整定集電線其他并聯(lián)風(fēng)電機組的運行方式?jīng)Q定;I2由其他集電線風(fēng)電機組的運行方式?jīng)Q定;I1由外部系統(tǒng)的運行方式?jīng)Q定。下面分別對這三個方面進行分析。

①待整定集電線其他并聯(lián)風(fēng)電機組的運行方式

在傳統(tǒng)的整定方法中，待整定集電線上并聯(lián)的其他風(fēng)電機組的運行方式為全部投入運行?？紤]到DFIG的撬棒保護動作情況后，這些DFIG可以等效為異步電動機，此時DFIG由提供短路電流轉(zhuǎn)變?yōu)槲斩搪冯娏?，從而減小短路阻抗并增大I3。故傳統(tǒng)整定方法中待整定集電線上其他并聯(lián)風(fēng)電機組的運行方式應(yīng)將DFIG的撬棒保護設(shè)置為動作動態(tài)。

②其他集電線風(fēng)電機組的運行方式

在傳統(tǒng)的整定方法中，其他集電線上的風(fēng)電機組的運行方式為全部投入運行，此時其他集電線上的風(fēng)機提供的短路電流I2最大，同時也增大了I3。故傳統(tǒng)整定方法中其他集電線風(fēng)電機組的運行方式不需要作調(diào)整。

③外部系統(tǒng)運行方式

對圖3使用疊加定理，得到圖4。

在圖4中，根據(jù)疊加定理有：

式中：I3′為只考慮其他集電線的風(fēng)機提供短路電流時，流過故障集電線的短路電流;I3″為只考慮系統(tǒng)側(cè)提供短路電流時，流過集電線的短路電流;I1′為只考慮其他集電線的風(fēng)機提供短路電流時，往系統(tǒng)側(cè)的分流;I1″為只考慮系統(tǒng)側(cè)提供短路電流時，流過故障集電線的短路電流;I2′為流向待整定集電線的短路電流;I2″為流向其他集電線風(fēng)機的短路電流。

由式（3）可以看出，I3由I3′和I3″兩部分組成，當(dāng)I3′和I3″同時最大時，I3最大。為了使I3′最大，必須使其他集電線上的風(fēng)機提供的短路電流往系統(tǒng)側(cè)的分流I1′最小。由電路理論可知，當(dāng)系統(tǒng)側(cè)的等效阻抗最大時，流向系統(tǒng)側(cè)的分流I1′越小，I3′越大，故此時系統(tǒng)應(yīng)為最小運行方式。為了使I3″最大，必須使系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流I1″最大，此時系統(tǒng)應(yīng)為最大運行方式。由以上分析可知，I3′和I3″無法同時取最大值。當(dāng)系統(tǒng)為強系統(tǒng)并且風(fēng)電場容量較小時，I3受系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流的影響要大一些，系統(tǒng)應(yīng)選擇最大運行方式;當(dāng)系統(tǒng)為弱系統(tǒng)并且風(fēng)電場容量較大時，I3受風(fēng)機提供的短路電流的影響要大一些，系統(tǒng)應(yīng)選擇最小運行方式來減少分流作用。故在整定集電線電流保護Ⅱ段時，須要考慮系統(tǒng)強弱和風(fēng)場容量，從而確定系統(tǒng)的運行方式。

結(jié)束語

雙饋風(fēng)電機組復(fù)雜的故障電流特性對風(fēng)電場集電線電流保護有重要影響，將嚴重影響風(fēng)電場和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。基于此，本文分析了DFIG的故障電流特性，建立了相應(yīng)的計算模型。分析了風(fēng)電場集電線傳統(tǒng)電流保護存在的缺陷，提出了適用于DFIG集電線的電流保護整定新方案。

參考文獻

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