考慮撬棒的雙饋型風(fēng)場集電線速斷保護

李旭輝，謝百煌 ，黃曉勇，徐巖

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司商洛供電公司，陜西 商洛 726000；2.國網(wǎng)陜西省電力公司調(diào)控中心，陜西 西安 710048；3.華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071003）

作為目前技術(shù)最為成熟、經(jīng)濟效益最高的可再生能源[1-2]，風(fēng)電系統(tǒng)的應(yīng)用得到了能源可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。在已經(jīng)建成的風(fēng)電場中，雙饋風(fēng)機（doubly-fed induction generator，DFIG）由于具有變速調(diào)頻，控制靈活，換流器體積小、成本低等優(yōu)點，成為了當前主流的機型[3]。不同于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機及異步電動機，雙饋風(fēng)機定子側(cè)直接連接與電網(wǎng)、轉(zhuǎn)子側(cè)通過電壓源型換流器（voltage source converter，VSC）連接與電網(wǎng)的獨特方式，使得其需要依靠撬棒（Crowbar）電路來完成交流電網(wǎng)故障時的低電壓穿越[4-5]。撬棒電路中卸流電阻的投入將使故障狀態(tài)下的DFIG具有弱饋性[6-7]，從而影響保護系統(tǒng)的測量值，造成傳統(tǒng)過流保護方案的誤判，降低風(fēng)電場內(nèi)部的可靠性與并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。因此，研究撬棒動作后DFIG詳細的故障電流及阻抗特性對實現(xiàn)風(fēng)電場及其并網(wǎng)系統(tǒng)的安全有效運行具有重要意義[9-17]。

文獻[9-10]分析了撬棒動作后DFIG三相短路的電流計算方法，并根據(jù)對故障電流的估計，提出了撬棒電路中卸流電阻的選取原則；文獻[11]通過深入分析DFIG控制系統(tǒng)在故障下的作用，提出了撬棒動作后不同短路故障類型下DFIG的短路電流特性；文獻[12]考慮撬棒系統(tǒng)的動作時延后，給出了DFIG短路故障電流的全過程精確計算方法，并對其進行了驗證；文獻[13]針對電網(wǎng)電壓的不同跌落情況，給出了撬棒系統(tǒng)的動作原則及對卸流電阻的優(yōu)化；上述研究均為DFIG的電流保護提供了理論依據(jù)。然而，文獻[14-15]的研究指出，撬棒電阻投入后，由于DFIG的進入了異步模式，其正、負序阻抗在不對稱故障時將可能不再相等，從而使上述基于正、負序阻抗的電流計算方法產(chǎn)生較大的誤差，進而影響保護方案的有效性。文獻[16]也通過仿真與錄波分析驗證了不對稱故障下DFIG正序阻抗可能會出現(xiàn)大于負序阻抗的事實。

正、負序阻抗的不相等將使傳統(tǒng)的基于序阻抗相等的自適應(yīng)電流保護[17]在雙饋型風(fēng)電場的匯流集電線速斷保護應(yīng)用中面臨著巨大挑戰(zhàn)。為了改善上述情況，本文首先基于不對稱故障下DFIG的阻抗與轉(zhuǎn)速率函數(shù)關(guān)系，分析了DFIG正、負序阻抗的變化特性；然后據(jù)此提出了一種改進電流速斷保護方案及其整定方法；最后，通過PSCAD仿真平臺中的雙饋型風(fēng)電場模型對所提理論與保護方法進行了驗證。

1 撬棒動作后的DFIG序阻抗特性及其影響分析

1.1 撬棒動作后的DFIG序阻抗特性

圖1為DFIG內(nèi)部結(jié)構(gòu)及撬棒動作后的序阻抗等效電路。

圖1 DFIG內(nèi)部結(jié)構(gòu)及撬棒動作后的序阻抗等效電路Fig.1 The internal structure and sequence impedance equivalent circuit based on the crowbar system of DFIG

圖1a給出了含撬棒系統(tǒng)的DFIG內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要包括雙饋發(fā)電機、背靠背換流器、撬棒系統(tǒng)電路、齒輪箱及風(fēng)力機等部分。當保護系統(tǒng)監(jiān)測到雙饋風(fēng)機交流端口電壓降低時，由于低電壓穿越的需求，撬棒電路投入運行系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器閉鎖以保護開關(guān)器件。由于上述過程通常在5 ms內(nèi)完成[17]，因此并不會觸發(fā)線路的保護動作。

撬棒電路動作后，DFIG系統(tǒng)將等效為轉(zhuǎn)子側(cè)帶電阻的異步電機[18-20]，此時，對于不對稱故障，DFIG的正、負序等效電路將分別等效為圖1b，其中，Rs，Rr分別為定、轉(zhuǎn)子側(cè)的等效電阻；Xsσ，Xrσ分別為定、轉(zhuǎn)子側(cè)的等效漏抗；Xm為勵磁電抗；Rc為撬棒電阻；s為轉(zhuǎn)差率。上述參數(shù)均為歸算到定子側(cè)的參數(shù)。

基于圖1b可知，撬棒動作后DFIG的正、負序阻抗可以分別計算為下式：

因此，正、負序阻抗的具體大小與相位可以表示 為下式：

式中：Z1為DFIG的正序阻抗；Z2為DFIG的負序阻抗。

考慮到對于任意DFIG，其內(nèi)部參數(shù)是確定的，因此根據(jù)式（2），DFIG的正、負序阻抗只與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)?？紤]到DFIG的轉(zhuǎn)差率s通常在[-0.35，0.35]之間[15]，根據(jù)式（2）可知，DFIG正、負序阻抗隨轉(zhuǎn)差率的變化曲線如圖2所示（基于文獻[21]中的DFIG參數(shù)）。由圖2可知，由于撬棒電路卸流電阻與轉(zhuǎn)差率的影響，DFIG的正、負序阻抗并不相同，且正序阻抗要大于負序阻抗。同時，正序阻抗受轉(zhuǎn)差率影響較大，負序阻抗則比較平穩(wěn)?；谑剑?）可知，上述結(jié)論對于含撬棒系統(tǒng)的DFIG具有一般性。

圖2 撬棒動作后的DFIG正、負序阻抗大小分析圖Fig.2 The sequence impedance analysis of DFIG

1.2 撬棒動作后DFIG正、負序阻抗不等對匯流集電線傳統(tǒng)自適應(yīng)電流速斷保護的影響分析

圖3給出了基于DFIG的雙饋型風(fēng)電場典型結(jié)構(gòu)，主要包括以下部分：并聯(lián)風(fēng)電機組、35 kV匯流集電線、升壓變以及高壓送出線。對于35 kV匯流集電線，傳統(tǒng)的自適應(yīng)電流速斷保護（保護1～保護N）假定了DFIG的正、負序阻抗相等，且轉(zhuǎn)差率為0（或接近于0），因此其整定值（以保護1為例）為

圖3 雙饋風(fēng)場典型結(jié)構(gòu)Fig.3 The typical structure of DFIG-based wind farm

式中：Krel為可靠系數(shù)，Krel＞1；Kt為故障類型參數(shù)，三相故障時Kt=1，相間故障時；E?為并聯(lián)DFIG機組的等效電動勢；Z1e為并聯(lián)DFIG機組的等效正序電抗（轉(zhuǎn)差率在0附近）；Z匯線1e為匯流集電線1的等效阻抗；I匯線1末_正=負為假定DFIG正、負序阻抗相等時的匯流集電線1末端發(fā)生故障時的流過保護1的電流。

然而，由1.1節(jié)的分析可知，發(fā)生不對稱故障時，并聯(lián)DFIG機組的正、負序阻抗并不相等，且轉(zhuǎn)差率s可能并不為0，因此匯流集電線1線路末端發(fā)生故障時，流過保護1的實際電流并不為KtI匯線1末_正=負，而是：

式中：Z1e.實際，Z2e.實際分別為并聯(lián)DFIG機組實際的等效正、負序電抗。

由于DFIG的正、負序阻抗以及匯流集電線的阻抗均為感性電阻型，且根據(jù)1.1節(jié)的分析可知轉(zhuǎn)差率不等于0時的正序阻抗值均小于轉(zhuǎn)差率等于0時的正序阻抗值，負序阻抗值始終小于正序阻抗值，式（4）中兩個電流的關(guān)系為

也就是說，若令I(lǐng)匯線1末_實際=Iset.傳統(tǒng)，則此時的故障點應(yīng)在匯流集電線的末端以外。

以圖3的雙饋型風(fēng)場為例進行分析。在傳統(tǒng)的自適應(yīng)速斷保護中，由于未考慮到實際正、負序阻抗變小使故障點的電流變大的影響，便可能出現(xiàn)故障點F2故障，保護1～保護（N-1）全部動作，致使整個風(fēng)電場全部脫網(wǎng)，造成故障的擴大。因此為了避免撬棒動作后DFIG序阻抗特性造成傳統(tǒng)自適應(yīng)保護的無選擇性，需要根據(jù)實際的故障電流情況，提出新的適用于雙饋型風(fēng)場的改進自適應(yīng)保護方案。

2 匯流集電線改進自適應(yīng)電流速斷保護的整定及實現(xiàn)

根據(jù)圖2的分析可知，雖然撬棒動作后DFIG的正、負序阻抗不等，但正、負序阻抗的大小在故障期間基本是穩(wěn)定的（故障期間轉(zhuǎn)差率s的變化緩慢，可以認為是不變的），因此在自適應(yīng)保護中，可以利用故障時的序網(wǎng)絡(luò)在線計算DFIG的正、負序阻抗[22]，并將其應(yīng)用到保護值的整定中。

通過在線計算的并聯(lián)DFIG機組正、負序阻抗Z1e_cal，Z2e_cal，雙饋型風(fēng)場匯流集電線的改進自適應(yīng)保護值可以計算為

式中：Krel.改進為改進自適應(yīng)保護的可靠系數(shù)，Krel.改進＞1。

通常情況下為了保護85%～90%左右的配電線路長度，并避免保護整定過程中計算誤差、互感器誤差以及繼電器動作電流誤差造成的影響，且保留一定的整定裕度，取值為1.05～1.15。Kt.改進為改進自適應(yīng)保護的故障類型參數(shù)，Z1e為轉(zhuǎn)差率為0時的并聯(lián)DFIG機組的等效正序電抗。

基于式（6）的整定原則，詳細的改進自適應(yīng)保護方案流程如圖4所示。

圖4 改進自適應(yīng)電流速斷保護整定流程Fig.4 The flow chart of setting principle of improved adaptive instantaneous overcurret protection

由圖4可知，改進自適應(yīng)電流速斷保護的關(guān)鍵在于正、負序阻抗值的實時在線計算以及對保護整定值的系數(shù)修改，從而使保護系統(tǒng)可以根據(jù)負序阻抗的減小情況，合理的增大整定值，保證保護動作的選擇性。上述故障期間的實際測量值之所以可以被應(yīng)用于式（6）的原因如下：目前的兆瓦級DIFG的轉(zhuǎn)動慣量均較大，因此故障前后風(fēng)機的轉(zhuǎn)差率變化可以被忽略，從而使故障期間的正、負序阻抗也基本不變。

3 基于PSCAD的仿真驗證

為了對本文所提的改進自適應(yīng)電流速斷方案進行驗證，在PSCAD仿真平臺中搭建了一個與圖3結(jié)構(gòu)相似的模型，其中包含10個并聯(lián)DFIG機組，假設(shè)每個并聯(lián)DFIG機組均具有相同的參數(shù)，且每個并聯(lián)機組均包含10個DFIG，每段匯流集電線的長度均為4 km，每個DFIG的具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表Tab.1 The table of simulation parameters

圖5給出了匯流集電線1末端發(fā)生AB相間短路（故障持續(xù)0.2 s）時DFIG的正、負序電流、電壓、阻抗以及關(guān)鍵電氣量的仿真結(jié)果波形圖。

圖5 匯流集電線1末端AB相間短路仿真結(jié)果Fig.5 The simulation results of short-circuit fault between AB phases of the end of the collector line 1

由圖5a可知，1.4 s時匯流集電線1發(fā)生A B相間短路。在此之前DFIG正常運行，且出口處并不存在負序電壓；1.4 s后由于發(fā)生了相間短路，DFIG的正序電壓有效值下降，同時相間不對稱故障在故障點產(chǎn)生相應(yīng)的負序電壓。負序電壓引起了電路中負序電流的產(chǎn)生，同時正序電流也由于短路故障時系統(tǒng)正序阻抗的減小而產(chǎn)生了相應(yīng)的增加，如圖5b所示。圖5c給出了故障發(fā)生后，DFIG的正、負序阻抗值，從中可知，負序阻抗明顯小于正序阻抗，這與理論分析是一致的。同時，不相等的正、負序阻抗也是不對稱故障時傳統(tǒng)自適應(yīng)電流速斷保護出現(xiàn)誤動作的主要原因。

圖5d給出了匯流集電線1末端發(fā)生AB相間短路時DFIG的交流端口電壓仿真波形。從仿真結(jié)果可知，當匯流集電線末端發(fā)生AB相間短路時，A，B相的電壓幅值將降低，觸發(fā)撬棒系統(tǒng)動作，DFIG進入低電壓穿越階段，有功出力逐漸下降，如圖5e所示。同時，當持續(xù)時間為0.2 s的相間故障消失后（1.6 s），撬棒系統(tǒng)退出，系統(tǒng)重新恢復(fù)正常，有功傳輸功率重新上升至穩(wěn)態(tài)值，風(fēng)機系統(tǒng)成功完成了低電壓穿越。

圖5f給出了匯流集電線1末端發(fā)生AB相間短路時不同自適應(yīng)電流速斷保護的整定值（可靠系數(shù)采用了Krel=Krel.改進=1.1的參數(shù)值）與實際故障電流的關(guān)系。從中可知，對于集電線1上的保護1而言，故障前流過的電流為380 A，故障后流過的電流則為1 050 A。同時，根據(jù)式（3）與式（6）可以得到保護1在傳統(tǒng)自適應(yīng)保護與改進自適應(yīng)保護下的整定值分別為950 A與1 155 A。對比上述3個電流值可知，仿真場景下的故障電流將引起傳統(tǒng)自適應(yīng)保護下的保護1出現(xiàn)誤動作，使保護系統(tǒng)失去選擇性（電流速斷保護只保護85%～90%左右的線路長度，線路末端故障，速斷保護應(yīng)不動作）。也就是說，傳統(tǒng)自適應(yīng)電流速斷保護下的DFIG此時已經(jīng)失去了低電壓穿越能力。而在本文所提的改進自適應(yīng)保護中，由于整定值根據(jù)負序阻抗的降低進行了相應(yīng)的提高，保護1并未達到動作值，保證了保護系統(tǒng)的選擇性，提高了DFIG的低電壓穿越能力。

4 結(jié)論

撬棒系統(tǒng)動作后，由于卸流電阻與轉(zhuǎn)差率的影響，雙饋風(fēng)機將出現(xiàn)正序阻抗大于負序阻抗的現(xiàn)象，從而引起匯流集電線傳統(tǒng)自適應(yīng)電流速斷保護的無選擇性誤動作，降低雙饋風(fēng)機的低電壓穿越能力。鑒于此，本文提出了一種基于故障電流精確計算的改進自適應(yīng)電流速斷保護以改善上述現(xiàn)象。

在所提保護方案中，通過利用實際的電壓、電流測量值在線計算負序阻抗，修改原有整定值的計算方法，提高整定值的大小，從而避免了不對稱故障時保護系統(tǒng)的誤動作與雙饋型風(fēng)場的大面積誤切機，保證了雙饋型風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運行。同時，本文所提的保護方法，簡單可行，具有良好的工程應(yīng)用價值。