風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)與重合閘配合的探討

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(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

含低電壓穿越(low voltage ride through,LVRT)能力的雙饋風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)在并入電網(wǎng)后，首先是改變了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，另外，系統(tǒng)故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也表現(xiàn)了其特有的故障特性，因此，使保護(hù)不能可靠動(dòng)作，大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了探索研究，提出了一些方法。除此之外，實(shí)際中應(yīng)該注意的是，風(fēng)電場(chǎng)接入后被改變的結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其原來(lái)配置的保護(hù)和安穩(wěn)裝置都將會(huì)受到影響。因此，除了對(duì)上述保護(hù)改善除外，其他還有眾多待處理問(wèn)題，例如：風(fēng)機(jī)并入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)的影響；之前電網(wǎng)自身所帶保護(hù)與改進(jìn)后的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)處保護(hù)之間的協(xié)調(diào)配合；具有低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)接入情況下，系統(tǒng)不同位置故障時(shí)不同重合閘方式的動(dòng)作策略等。只有將這些問(wèn)題都大致弄清楚的情況下，才能使風(fēng)電機(jī)組在接入電網(wǎng)后更好地實(shí)現(xiàn)低電壓穿越并網(wǎng)運(yùn)行。

1 故障統(tǒng)計(jì)

在電網(wǎng)故障中，有很多種原因，表1是某地區(qū)110 kV線路在5年內(nèi)引起故障原因的比例，對(duì)這些故障進(jìn)行分類(lèi)，即分成永久性故障和瞬時(shí)性故障[1]，如表2所示，從表可以看出，在統(tǒng)計(jì)的5年內(nèi)，42起永久性故障，占總故障的25.77%，而瞬時(shí)性故障發(fā)生121起，占總故障的74.23%，因此，瞬時(shí)性故障占到總故障的3/4，因此，自動(dòng)重合閘應(yīng)用，可以明顯提高供電系統(tǒng)的供電可靠性[2]。

假設(shè)并入電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)含具備LVRT能力的風(fēng)機(jī)，在系統(tǒng)線路發(fā)生不同故障下，系統(tǒng)繼電保護(hù)、風(fēng)電機(jī)組、重合閘的動(dòng)作情況以及系統(tǒng)的最終運(yùn)行情況[3]見(jiàn)表3。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)測(cè)量電壓小于20%UN時(shí)，無(wú)論風(fēng)機(jī)是否帶有低電壓穿越功能，所有的機(jī)組都會(huì)全部跳閘，脫網(wǎng)運(yùn)行，符合中國(guó)對(duì)風(fēng)機(jī)的低電壓穿越要求。

表1 故障原因統(tǒng)計(jì)

表2 故障性質(zhì)統(tǒng)計(jì)

表3 線路故障時(shí)重合閘對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響

其中，UFR為風(fēng)電機(jī)組能渡過(guò)故障穿越的電壓。為了充分利用重合閘快速切斷系統(tǒng)發(fā)生的故障，一般采用前加速重合閘和后加速重合閘與繼電保護(hù)來(lái)配合著使用。在具有LVRT能力的風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)饋線模式下，在不同線路位置故障時(shí)，會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)主饋線與輸電線上的保護(hù)引起種種問(wèn)題，以及不同位置保護(hù)與前加速、后加速重合閘的協(xié)調(diào)運(yùn)作問(wèn)題，通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題解決來(lái)增強(qiáng)風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力，是對(duì)與具有LVRT能力的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)與系統(tǒng)繼電保護(hù)相配合研究的延伸和有效補(bǔ)充。

2 對(duì)重合閘方式的影響

對(duì)電源單側(cè)供電的系統(tǒng)而言，一般采用三相一次重合閘，由于只有一側(cè)電源，所以不用對(duì)重合閘重合時(shí)檢同期[4]。但是，具有LVRT能力的風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)后，系統(tǒng)就變成了雙端供電系統(tǒng)，而雙端供電需要檢同期才能進(jìn)行重合。而且，還要求在解除故障點(diǎn)前，若風(fēng)電機(jī)組在規(guī)定的電壓跌落和低電壓持續(xù)運(yùn)行時(shí)間區(qū)域內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行不間斷供電。所以，不論是系統(tǒng)重合閘還是送出線重合閘都將受到極大的挑戰(zhàn)。由于故障時(shí)，重合閘前加速和重合閘后加速的重合時(shí)間和次序不同，所以受到的影響也不盡相同。下面分別對(duì)這兩種方式受到的影響進(jìn)行分析。

2.1 對(duì)重合閘前加速的影響

重合閘前加速是指當(dāng)線路任意一段發(fā)生故障時(shí)，如不考慮選擇性的原則，首次都由離電源側(cè)最近的保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，繼之保護(hù)以重合；若能再次合閘，說(shuō)明故障時(shí)瞬時(shí)性故障，電網(wǎng)對(duì)旗下用戶(hù)恢復(fù)供應(yīng)電能；若于永久性故障情況下重合，保護(hù)再逐級(jí)按時(shí)限配合關(guān)系有選擇性地切除故障。一般前加速與幾段輻射線配合使用，而重合閘設(shè)備只安排在靠近電源的一段線路上，這樣能夠在瞬時(shí)故障情況下快速切除，確保對(duì)用戶(hù)的供電。然而，當(dāng)線路采用重合閘前加速時(shí)，具有LVRT能力的風(fēng)電場(chǎng)的接入，會(huì)對(duì)重合閘帶來(lái)一定的影響，現(xiàn)以風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)110 kV母線接入系統(tǒng)為例(如圖1所示)，對(duì)系統(tǒng)故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的接入對(duì)重合閘前加速的影響進(jìn)行分析。

圖1 不同故障位置下保護(hù)的影響

圖1中，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6、QF7代表斷路器，ARD為自動(dòng)重合閘裝置(此處采用重合閘前加速)，本線路故障時(shí)，離電源最近保護(hù)處的QF1跳閘，重合閘重合，但是在重合閘裝置準(zhǔn)備重合前，風(fēng)電場(chǎng)必須與電網(wǎng)斷開(kāi)，否則即使是瞬時(shí)性故障也將無(wú)法進(jìn)行重合。因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，將不斷向故障點(diǎn)輸入短路電流，導(dǎo)致電弧不會(huì)熄滅。另外，保護(hù)1處斷路器跳閘后，風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)失去電氣聯(lián)系，無(wú)法同步并聯(lián)運(yùn)行，否則，非同期合閘不僅引起很大的沖擊電流，而且會(huì)危及機(jī)組的安全運(yùn)行。

相鄰線路k2故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)會(huì)向故障點(diǎn)提供反響故障電流，由于近年來(lái)風(fēng)電場(chǎng)容量的迅速增加，而且在保護(hù)1處的保護(hù)不具備判別方向的能力，所以可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)1的誤動(dòng)，因此需要對(duì)1處的保護(hù)進(jìn)行重新整定。所以，只有在保護(hù)1處不誤動(dòng)的情況下，風(fēng)電場(chǎng)持續(xù)向非故障饋線供電，風(fēng)電機(jī)組才能實(shí)現(xiàn)LVRT運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)的恢復(fù)起到一定的作用。

最后，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)在離變電站近的位置接入時(shí)，如圖2所示，此時(shí)，當(dāng)故障時(shí)，斷路器QF1檢測(cè)到系統(tǒng)流過(guò)的短路電流，迅速跳閘，繼之重合閘前加速重合。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)接入后，使斷路器QF1檢測(cè)到的短路電流變小了，降低了保護(hù)動(dòng)作的靈敏度，嚴(yán)重的時(shí)候還可能導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)。

圖2 靈敏度分析圖

由此可得，風(fēng)電機(jī)組并不是在所有的電網(wǎng)內(nèi)故障時(shí)都能夠進(jìn)行低電壓穿越運(yùn)行。對(duì)于放射結(jié)構(gòu)下的重合閘前加速方式，只有發(fā)生在本主饋線以外的線路下的故障，風(fēng)電機(jī)組才能實(shí)現(xiàn)低電壓穿越運(yùn)行。而當(dāng)本饋線支路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組必須盡快斷網(wǎng)。另外還會(huì)使保護(hù)的靈敏度降低。

2.2 對(duì)重合閘后加速的影響

重合閘后加速是指當(dāng)線路第一次故障時(shí)保護(hù)有選擇地動(dòng)作，然后進(jìn)行重合[5]。永久性故障時(shí)，斷路器閉合后再加速跳閘切除故障，與首次時(shí)限無(wú)關(guān)。

當(dāng)相鄰線路故障時(shí)，如圖3所示，根據(jù)重合閘后加速動(dòng)作原理，斷路器QF2的動(dòng)作時(shí)間有可能比QF1的時(shí)間長(zhǎng)，斷路器QF1可能在風(fēng)電場(chǎng)提供的反向電流下誤動(dòng)，使正常線路的保護(hù)誤動(dòng)作。

圖3 上游保護(hù)誤動(dòng)圖

另外，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)接入線路的下游時(shí)，如圖4所示，在重合閘后加速方式下，當(dāng)上游故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)提供的短路電流通過(guò)斷路器QF4，當(dāng)電流達(dá)到QF4的整定電流時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致其誤動(dòng)。

圖4 下游保護(hù)誤動(dòng)圖

因此，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，若風(fēng)電機(jī)組的電壓下降和低壓運(yùn)行時(shí)間在故障穿越范圍內(nèi)，則風(fēng)電機(jī)組在故障被切除前仍可持續(xù)向電網(wǎng)供電。所以，同重合閘前加速類(lèi)似，采用重合閘后加速方式時(shí)，必須要保證在本主饋線保護(hù)在相鄰饋線故障(例如故障點(diǎn)k2)時(shí)不誤動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的LVRT運(yùn)行。

3 重合閘合理配合改進(jìn)方式

通過(guò)上述分析，當(dāng)具有LVRT能力的風(fēng)機(jī)并入電網(wǎng)后，會(huì)不同程度的對(duì)重合閘前加速和重合閘后加速產(chǎn)生影響，其中主要影響有：線路故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)接入的線路上游斷路器誤動(dòng)或者拒動(dòng)以及下游斷路器的誤動(dòng)。

首先應(yīng)先判斷離電源最近的斷路器是否閉合、如何讓上游保護(hù)不誤動(dòng)。另外，對(duì)于重合閘后加速而言，由于重合閘是在保護(hù)動(dòng)作之后再進(jìn)行重合，所以有助于提高風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力。這里從增加硬件和改變整定值兩個(gè)思路對(duì)上述影響進(jìn)行改進(jìn)，具體如下。

首先是檢測(cè)離電源最近的斷路器是否閉合的方法，見(jiàn)圖5。

圖5 檢測(cè)斷路器是否閉合圖

檢測(cè)方法如圖5所示，在風(fēng)電場(chǎng)接入處的上級(jí)線路末端加一個(gè)電流互感器TA，系統(tǒng)故障發(fā)生后，若TA無(wú)電流，則說(shuō)明保護(hù)1處斷路器斷開(kāi)，則風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)(斷路器5和7)應(yīng)快速跳閘，風(fēng)電場(chǎng)立即與電網(wǎng)斷開(kāi)。如果電流互感器TA一直有電流，并小于風(fēng)電場(chǎng)接入饋線首端短路電流，說(shuō)明故障并非在本饋線，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)可不動(dòng)作，持續(xù)向系統(tǒng)供電，以實(shí)現(xiàn)故障穿越運(yùn)行。

(1)增加硬件法

在接入風(fēng)電場(chǎng)的線路末端增加斷路器，如圖6所示，在斷路器QF1的末端增加斷路器QF8。當(dāng)主饋線上游發(fā)生故障后，QF1和QF8都跳閘，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)與下游構(gòu)成微網(wǎng)，繼續(xù)運(yùn)行。

圖6 增加斷路器圖

(2)改變整定值法

當(dāng)故障在相鄰線路上時(shí)，本線路上流過(guò)的故障電流會(huì)引起本饋線上游保護(hù)誤動(dòng)的問(wèn)題(如圖1和3)，增加“本饋線上游保護(hù)的整定值大于風(fēng)電場(chǎng)供給的短路電流”這一條件，即Iset1>Ik。然后和前面的復(fù)合多段式電壓電流保護(hù)綜合考慮，這樣就不會(huì)導(dǎo)致上游保護(hù)誤動(dòng)作。

所以，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的接入位置的不同，導(dǎo)致不同的斷路器誤動(dòng)，此時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的情況來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的整定。

4 結(jié) 論

通過(guò)具有LVRT能力的風(fēng)機(jī)并入電網(wǎng)后，分別討論了重合閘前加速和重合閘后加速受風(fēng)電場(chǎng)的影響，另外根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)接入位置的不同，會(huì)導(dǎo)致不同的斷路器無(wú)法可靠動(dòng)作。針對(duì)不同的問(wèn)題，前面給出兩種不同的改進(jìn)措施，增加硬件的方法和改變整定值的方法。利用上述方法，不僅可以保證風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的安全運(yùn)行，而且還提高了風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力。

[1] 趙躍宇，甄文波，白延博，等. 110 kV架空輸電線路故障原因分析及建議[C]．2011年輸配電及電力系統(tǒng)論文集, 2011,153(8):61-63.

[2] 芮小剛. 淺析直流牽引供電系統(tǒng)自動(dòng)重合閘原理[J].科技信息, 2012(30):430.

[3] 何世恩，姚 旭，徐善飛. 大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)繼電保護(hù)的影響與對(duì)策[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013,41(1):21-27.

[4] 馬同遠(yuǎn). 中小電源系統(tǒng)中重合閘的改進(jìn)[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2000,24(1):69-70.

[5] 王體奎，郭建強(qiáng)，高曉蓉，等. 自適應(yīng)自動(dòng)重合閘與繼電保護(hù)的組合研究[J]．現(xiàn)代電子技術(shù), 2011,34(16):126-130.