風(fēng)電場(chǎng)集電線路電流速斷保護(hù)整定研究

楊平怡，王寶華

（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210094）

風(fēng)電場(chǎng)集電線路電流速斷保護(hù)整定研究

楊平怡，王寶華

（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210094）

風(fēng)電場(chǎng)的接線方式和運(yùn)行方式與常規(guī)火電廠不同，機(jī)組往往通過箱變升壓后經(jīng)集電線路相連，再升壓后并入電網(wǎng)，因此集電線路保護(hù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供的短路電流與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組的特征并不相同，所以需要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路電流保護(hù)的整定計(jì)算進(jìn)行深入研究。通過分析雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓發(fā)生對(duì)稱性深度跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子撬棒保護(hù)動(dòng)作后的定子短路電流表達(dá)式，并結(jié)合線路電流保護(hù)的需要重點(diǎn)分析了定子短路電流中的穩(wěn)態(tài)基頻部分，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上給出了風(fēng)電場(chǎng)集電線路的電流速斷保護(hù)的整定方法，并給出了整定計(jì)算實(shí)例。

風(fēng)電場(chǎng)；集電線路；短路電流分析；速斷保護(hù)

風(fēng)力發(fā)電成本低、環(huán)境污染小以及風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)周期短等優(yōu)勢(shì)使得風(fēng)力發(fā)電成為世界各國(guó)政府大力發(fā)展的目標(biāo)。我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)在電力系統(tǒng)中承擔(dān)的負(fù)荷越來越多，風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量的規(guī)模已經(jīng)達(dá)到可以和常規(guī)機(jī)組的規(guī)模相當(dāng)［1］。而風(fēng)電場(chǎng)有著與常規(guī)火電廠所不同的特殊的接線方式和運(yùn)行方式，風(fēng)電機(jī)組出口電壓較低，通常通過箱式變壓器升壓后經(jīng)集電線路相連，再經(jīng)主變壓器升壓后并入電網(wǎng)。因此進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路保護(hù)的研究，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的故障切除及穩(wěn)定運(yùn)行來說有著十分重要的意義。

1　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障特征分析

1.1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)介

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)運(yùn)行特征和控制技術(shù)可以分為恒速恒頻與變速恒頻兩類。鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（FSIG）是恒速恒頻機(jī)組的代表機(jī)型，而雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）和永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)（D-PMSG）是變速恒頻機(jī)組的代表機(jī)型［2］。雙饋風(fēng)機(jī)因?yàn)槠溆泄蜔o功功率獨(dú)立控制、可變速運(yùn)行及勵(lì)磁變流器容量小等特點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的首選機(jī)型。

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部發(fā)生短路故障后，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供的短路電流與常規(guī)火電廠中同步發(fā)電機(jī)組提供的短路電流特征是不一樣的。根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程要求，風(fēng)電場(chǎng)必須具有一定的故障穿越能力，因此短路時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)提供的短路電流是不能忽略的。為了實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，目前大部分雙饋風(fēng)機(jī)采用撬棒（Crowbar）電路來保護(hù)變流器和電機(jī)，一旦檢測(cè)到故障后轉(zhuǎn)子電流過大時(shí)，立即投入吸收電阻來短接轉(zhuǎn)子繞組旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，從而避免轉(zhuǎn)子側(cè)過電流［3］。圖1為含有Crowbar的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

典型的撬棒電路分為旁路電阻型、IGBT型、混合橋型等，圖1中Crowbar電路保護(hù)裝置選用IGBT型，每個(gè)橋臂由2個(gè)二極管串聯(lián)組成，而電路直流側(cè)由IGBT器件和吸收電阻串聯(lián)接入。

1.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組短路電流理論分析

故障發(fā)生后，當(dāng)檢測(cè)到電壓跌落或者轉(zhuǎn)子電流過流時(shí)，撬棒電路投入，轉(zhuǎn)子繞組被短接，轉(zhuǎn)子電壓突變?yōu)?，并封鎖轉(zhuǎn)子變流器觸發(fā)脈沖［4］。可以得出轉(zhuǎn)子電壓Ur=0，轉(zhuǎn)子電阻增加為Rrc=Rc+Rr，其中Rc為撬棒電阻阻值，Rr為撬棒電阻投入前轉(zhuǎn)子電阻阻值。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí)，由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不接地，因此風(fēng)機(jī)提供的短路電流只包含正序電流分量和負(fù)序電流分量［5］：

圖1　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of doubly-fed wind generator

式中：U1表示機(jī)端正序電壓，U2表示機(jī)端負(fù)序電壓，Us0為雙饋風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)端電壓，ω1為風(fēng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速，ω為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子電角速度，s為轉(zhuǎn)差率；Lm表示勵(lì)磁電感；Ls、Lr分別表示定、轉(zhuǎn)子全電感，且Ls=L1s+Lm，Lr=L1r+Lm，其中L1s、L1r分別為定、轉(zhuǎn)子漏感。

可以看出，雙饋風(fēng)機(jī)定子短路電流共有3部分構(gòu)成：穩(wěn)定的基頻交流分量、衰減的直流分量和衰減的頻率等于轉(zhuǎn)速頻率的暫態(tài)諧波分量。繼電保護(hù)中的電流保護(hù)大都提取短路電流中的穩(wěn)態(tài)基頻交流分量，所以本文重點(diǎn)研究的是雙饋風(fēng)機(jī)定子短路電流中的穩(wěn)態(tài)基頻交流分量。

因此，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)發(fā)生三相短路時(shí)，機(jī)端電壓跌落為kUs，Us為風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)端電壓，風(fēng)機(jī)輸出的基頻穩(wěn)態(tài)短路電流為

2　雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓深度跌落仿真

2.1風(fēng)電場(chǎng)模型

圖2所示為雙饋風(fēng)電機(jī)組接入無窮大系統(tǒng)示意圖，雙饋風(fēng)電機(jī)組出口電壓為690 V，經(jīng)過箱式變壓器升壓到35 kV，通過110/35 kV升壓變壓器接入110 kV無窮大系統(tǒng)。

雙饋風(fēng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖2　雙饋風(fēng)電機(jī)組接入無窮大系統(tǒng)示意圖Fig.2Schematic diagram of studied power system

表1　雙饋風(fēng)機(jī)仿真參數(shù)Tab.1Simulation parameters of DFIG

式（2）可以看出，Crowbar電阻的阻值越大，則衰減直流分量和穩(wěn)態(tài)交流分量都會(huì)越小，且轉(zhuǎn)子磁鏈衰減加快，有利于雙饋風(fēng)機(jī)的保護(hù)。但是Crowbar電阻阻值并不是越大越好，Crowbar電阻阻值太大會(huì)引起直流母線箝位效應(yīng)，從而導(dǎo)致直流側(cè)過電壓，導(dǎo)致的危害比轉(zhuǎn)子繞組短時(shí)過流更大。因此本文仿真中選取的Crowbar電阻阻值為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻的30倍。

2.2仿真分析

t=0.5 s時(shí)，35 kV處k點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)0.1 s后切除。故障發(fā)生在離風(fēng)機(jī)出口較近的地方，從而風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓發(fā)生深度跌落，故障發(fā)生瞬間投入Crowbar保護(hù)，同時(shí)封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變流器脈沖。圖3～5給出了電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障后風(fēng)機(jī)機(jī)端的電壓、電流以及電流基頻分量的波形。

圖3　風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓波形Fig.3Voltage waveform of DFIG

圖4　風(fēng)機(jī)機(jī)端輸出電流波形Fig.4Current waveform of DFIG

圖5　風(fēng)機(jī)機(jī)端電流交流分量波形Fig.5AC component of the DFIG current waveform

由仿真波形可以看出故障發(fā)生后，風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓立刻降低，并迅速穩(wěn)定到0.3 pu，定子輸出電流峰值達(dá)到了4.442 pu，這是因?yàn)槎搪冯娏髦邪p的直流分量，基頻交流分量以及頻率等于轉(zhuǎn)速頻率的暫態(tài)諧波分量，直流分量和頻率等于轉(zhuǎn)速頻率的暫態(tài)諧波分量很快衰減。定子輸出的電流基頻分量也在短路后發(fā)生的50 ms內(nèi)出現(xiàn)了峰值3.208 pu，并迅速穩(wěn)定為0.340 6 pu。

仿真中ω=1.2 pu，代入式（2）可以計(jì)算出Isw=0.313 5 pu，計(jì)算誤差約為

由仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算誤差在可以允許的范圍內(nèi)，基頻穩(wěn)態(tài)短路電流表達(dá)式能夠反映電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱短路時(shí)風(fēng)機(jī)機(jī)端基頻短路電流的情況。

3　風(fēng)電場(chǎng)集電線路保護(hù)配置的分析和改進(jìn)

3.1傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)集電線路的保護(hù)配置

國(guó)內(nèi)大部分風(fēng)電場(chǎng)集電線路的保護(hù)都按照電網(wǎng)35 kV線路的配置標(biāo)準(zhǔn)配置階段式電流保護(hù)［6］。因?yàn)榧娋€路保護(hù)的選擇性比較低，當(dāng)箱變高壓側(cè)故障時(shí)，集電線路保護(hù)經(jīng)常會(huì)越級(jí)動(dòng)作擴(kuò)大停電范圍。目前普遍采用兩段式電流保護(hù)來改善集電線路保護(hù)選擇性，兩段式分為限時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過流保護(hù)。限時(shí)電流速斷保護(hù)電流定值按線路末端兩相短路有靈敏度整定，時(shí)間定值按0.3 s整定，來躲過箱變?nèi)蹟嗥鞯娜蹟鄷r(shí)間，保證在箱變高壓側(cè)短路時(shí)，必須由箱變?nèi)蹟嗥髑谐收?。定時(shí)限過流保護(hù)電流定值按照躲過風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的線路負(fù)荷電流整定，作為線路的后備保護(hù)，時(shí)間定值按0.6 s整定。

3.2傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)集電線路的保護(hù)配置存在的不足

當(dāng)集電線路靠近35 kV母線側(cè)故障時(shí)，由于集電線路保護(hù)設(shè)有0.3 s的延時(shí)，因而不能快速動(dòng)作，而雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓多數(shù)會(huì)跌落至20%額定電壓以下，此時(shí)如果不能迅速切除故障，35 kV母線上的所有風(fēng)電機(jī)組保護(hù)都有可能動(dòng)作于跳閘，大范圍擴(kuò)大事故范圍。因此有必要對(duì)集電線路的電流保護(hù)配置速斷保護(hù)，從而迅速切除集電線路的嚴(yán)重故障，防止事故范圍的擴(kuò)大。

當(dāng)前對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路電流保護(hù)定值進(jìn)行整定時(shí)，一般的做法是將風(fēng)電機(jī)組作為不考慮故障時(shí)提供短路電流的負(fù)荷來進(jìn)行處理，或者是將其比照同步電機(jī)的故障模型來考慮風(fēng)電機(jī)組提供的短路電流［7］。根據(jù)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的短路電流詳細(xì)分析可以知道，短路電流大小與故障前風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、故障后Crowbar投入與否以及機(jī)端電壓大小密切相關(guān)。因此前者進(jìn)行保護(hù)的整定計(jì)算時(shí)忽略風(fēng)電機(jī)組提供的短路電流，造成保護(hù)范圍擴(kuò)大；而后者增大了風(fēng)機(jī)故障電流幅值，造成保護(hù)范圍縮小。

3.3風(fēng)電場(chǎng)集電線路的電流速斷保護(hù)的整定方法

圖6所示為某風(fēng)電場(chǎng)主接線圖，風(fēng)電場(chǎng)通過主變壓器接入110 kV電網(wǎng)系統(tǒng)S1，除故障集電線路的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部其他風(fēng)機(jī)等效為系統(tǒng)S2，各風(fēng)機(jī)通過箱式變壓器連接到集電線路上。XS1為35 kV系統(tǒng)等效阻抗，XL1為保護(hù)安裝處至系統(tǒng)S2的等效阻抗，XL2為保護(hù)安裝處至集電線路第1臺(tái)風(fēng)機(jī)安裝處（即d1點(diǎn)）的阻抗。

圖6　某風(fēng)電場(chǎng)簡(jiǎn)化接線圖Fig.6Simplified wiring diagram of a wind farm

電流速斷保護(hù)定值按照躲過被保護(hù)線路末端發(fā)生三相短路時(shí)的電流來整定。為了保證集電線路電流保護(hù)的選擇性，防止箱變高壓側(cè)故障時(shí)保護(hù)越級(jí)動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作電流定值不是躲過被保護(hù)線路末端d2點(diǎn)短路時(shí)的電流，而是按照躲過最大運(yùn)行方式下d1點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)的電流來整定：

式中：Krel為可靠系數(shù)，一般取1.3為故障集電線路短路時(shí)S1提供的三相短路電流為等效風(fēng)電系統(tǒng)S2提供的三相短路電流，可由式（2）計(jì)算得出。

如果集電線路保護(hù)沒有裝設(shè)方向元件，還要考慮躲過主變壓器低壓側(cè)三相短路時(shí)此條集電線路提供的最大短路電流，防止保護(hù)誤動(dòng)作：

3.4整定計(jì)算實(shí)例

圖6所示某風(fēng)電場(chǎng)，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量100 MW，基準(zhǔn)電壓37 kV，風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)機(jī)參數(shù)與上節(jié)仿真中的風(fēng)機(jī)參數(shù)相同，風(fēng)機(jī)次暫態(tài)阻抗系統(tǒng)S1最大運(yùn)行方式阻抗Xs1.min= j4.04 Ω，最小運(yùn)行方式Xs1.min=j5.61 Ω，除故障集電線路的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部其他12臺(tái)風(fēng)機(jī)等效為系統(tǒng)S2，XL1=j5.10 Ω，XL2= j2.94 Ω。

系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下d1點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)，系統(tǒng)S1提供的短路電流為計(jì)算等效系統(tǒng)S2提供的短路電流時(shí)，可以列寫風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，用公式（1）表示節(jié)點(diǎn)3的注入電流，得到節(jié)點(diǎn)3電壓U3=0.32 pu，S2提供的短路電流為代入式（4）中可得到整定值Iset=4.24 kA。

系統(tǒng)最小運(yùn)行方式（所有風(fēng)機(jī)停運(yùn)）下集電線路末端d2點(diǎn)發(fā)生兩相短路時(shí)短路電流為可以計(jì)算出整定的電流速斷保護(hù)靈敏度為Ksen=1.75/4.24=0.41。

將風(fēng)機(jī)比照同步電機(jī)的故障模型來計(jì)算風(fēng)電機(jī)組提供的短路電流，可得到代入式（4）得可以看出按照同步電機(jī)來計(jì)算風(fēng)機(jī)短路電流增大了風(fēng)機(jī)故障電流幅值，降低了保護(hù)的靈敏度。

4　結(jié)論

隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，有效的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線參考文獻(xiàn)：

路保護(hù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和故障的及時(shí)切除有著十分重要的意義。文中詳細(xì)分析了雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓發(fā)生深度跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)動(dòng)作后的定子短路電流，并針對(duì)繼電保護(hù)的需要重點(diǎn)分析了定子短路電流中的穩(wěn)態(tài)基頻部分，得到了可以應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)集電線路保護(hù)整定中的短路電流表達(dá)式，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上給出集電線路的電流速斷保護(hù)的整定方法，該方法實(shí)用可行。

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The instantaneous over-current protection of wind farm collector line research

YANG Ping-yi，WANG Bao-hua
（School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Wiring and operation mode of wind farms is different from conventional thermal power plants，the export voltage of wind turbine is step-up by the box transformer，then is connected by collector lines to the grid，so the protection of collector lines is very important for the stable operation of the wind farm.The characteristics of the wind turbine short-circuit current is not the same as the synchronous generator，so the deep study of wind farm collector lines current protection is needed.By analyzing the wind turbine stator short-circuit current expression，and combining with the fundamental frequency part of the stator short-circuit current which current protect needs，a method for the instantaneous over-current protection of wind farm collector line is proposed，and a example shows the method right.

wind farm；collector line；analysis of the short-circuit current；the instantaneous over-current protection

TM77

A

1674-6236（2015）20-0158-03

2014-12-31稿件編號(hào)：201412317

楊平怡（1990—），女，江蘇高郵人，碩士研究生。研究方向：風(fēng)電場(chǎng)繼電保護(hù)。