基于LVRT的風電場集電線路保護配合及整定優(yōu)化

楊偉偉，王碩禾，陳 金，牛江川

（1.石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043； 2.河北鯤能電力工程咨詢有限公司，河北 石家莊 050000）

0 前言

中國的風能分布特點決定了風電以大規(guī)模集中接入方式為主，集電系統(tǒng)成為風電場組成必不可少的部分[1]。 集電系統(tǒng)的繼電保護在風電場規(guī)劃中不容忽視。2011 年甘肅酒泉等風電基地發(fā)生了多起大規(guī)模風電機組脫網事故，主要是由風電場場內35 kV 集電線路電氣設備輕微故障引起的[2]。針對此類事故，國家電網公司要求快速切除集電系統(tǒng)故障，提高集電線路電流保護的靈敏性優(yōu)先級[3]。 然而，造成集電線路故障的短路電流大于其保護I 段整定值，電流保護在熔斷器熔斷前動作，即造成該線路上所有風機脫網，不符合風電場接入電力系統(tǒng)技術的規(guī)定，因此要求風電場必須具有低電壓穿越（LVRT）能力[4]。 風電場必須提高保護的選擇性，避免切除處于LVRT 的風機，同時也不漏切真正發(fā)生嚴重故障的風機，提高集電線路電流保護與LVRT 的協(xié)調性以及區(qū)域保護配合性。

目前，國內外學者對風電場集電系統(tǒng)短路電流特性和繼電保護進行了大量研究。文獻[5]～[7]從風電場保護整定的角度出發(fā)，利用數(shù)學模型推導了LVRT 全階段雙饋感應發(fā)電機（DFIG）的短路電流計算公式。 文獻[8]研究了風電場的接入對配電網短路電流及電流保護各段整定值的影響，給出限制風電接入點短路容量的方法，卻沒有從優(yōu)化整定的方向研究。文獻[9]，[10]討論了集電線路電流保護與LVRT 配合的必要性，但未給出具體方案。 文獻[11]討論了當進行集電線路電流保護整定時，若不計及非故障集電線路風機流入的短路電流，將產生至少5%的誤差；同時提出了新的集電線路電流保護整定方案，實現(xiàn)了與LVRT 協(xié)調配合，具有一定的選擇性；但是沒有考慮保護的區(qū)域配合，與箱變的進線處熔斷器保護存在不協(xié)調，相鄰集電線路保護III 段存在誤動可能。 文獻[12]，[13]提出結合風電場運行方式對風電場聯(lián)絡線采用自適應距離保護，可正確保護本段線路，為集電線路電流保護提供了一種自適應優(yōu)化思路。

在上述研究基礎上，本文以DFIG 風電場集電線路三段式過流保護為研究對象，針對集電線路保護與箱式變壓器保護不配合以及與低電壓穿越不協(xié)調的問題，首先分析了現(xiàn)有風電場箱式變壓器保護和集電線路保護的整定方案，指出其配合不協(xié)調和選擇性不足的問題。 本文結合風電機組LVRT 期間的短路電流特性，進一步分析影響集電線路短路電流的主要因素，得到集電線路短路電流變化曲線； 提出了新的與區(qū)域保護協(xié)調以及與LVRT 配合的集電線路自適應保護整定方案。 通過PSCAD 軟件仿真驗證了所提方法的可行性，可作為風電場保護設計的參考。

1 風電場集電系統(tǒng)保護配置

風電場由多臺風機產生電能，經過集電系統(tǒng)的升壓變壓器送至電網。 集電系統(tǒng)為風機箱式變壓器與升壓站間的電氣聯(lián)接部分，包含集電線路、斷路器和匯流母線等[1]。 風電場各個部分均配備了相應的保護設備，以保證風電場安全運行。

1.1 風電場集電線路保護和箱式變壓器保護配置

圖1 為風電場保護配置示意圖。

圖1 風電場保護配置示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind farm protection configuration

圖1 中的虛線框A 為箱式變壓器保護區(qū)域，虛線區(qū)域B 為集電線路保護區(qū)域。 集電線路保護一般配置為兩段式電流速斷保護和過電流保護。調研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段商用并網風電場的箱式變壓器一般只配備了負荷開關和熔斷器。一方面，熔斷器與機組保護配合的動作時間小于0.1 s；由于熔斷器的反時限特性，它的熔斷時間受過載電流的影響，過載電流較小，熔斷時間較長，從而失去速動性，進而無法保證選擇性。 另一方面，熔斷器須要與上一級集電線路電流保護配合，使其作為風機出口至集電線路分支的后備保護； 當集電線路短路電流大于其保護I 段整定值時，電流I 段保護先于熔斷器動作，造成整條集電線路的風機全部脫網?？梢姡蹟嗥髋c集電線路電流保護是不相配合的。

1.2 現(xiàn)有集電線路電流保護及分析

繼電保護的基本要求是滿足可靠性、選擇性、速動性和靈敏性，本文據(jù)此對集電線路電流保護進行分析[14]。 現(xiàn)有集電線路電流保護為三段式電流保護，其整定主要原則：電流I 段按本線路末端相間故障有足夠靈敏度整定，靈敏系數(shù)Ksen 不小于1.5，時間為0 s；電流II 段按躲過本線路最大負荷電流整定，時間比電流I 段多一個時間階梯Δt；電流III 段可不設置；匯集線路不采用自動重合閘[11]。

通過分析可知，電流I 段靈敏性過高，而熔斷器熔斷時間一般為0.1 s，風電場集電線路一般多為距離較長的線路，這可能造成集電線路保護與熔斷器不配合，導致風機出口處故障與集電線路入口處故障難以區(qū)分，容易引起相鄰集電線路保護誤動，造成大面積脫網事故；電流II 段與LVRT時間不配合，電流II 段時間比電流I 段多一個時間階梯Δ t，集電線路保護在0.3 s 內動作；當電網發(fā)生故障時，要求風電場低電壓運行至少保證0.625 s，即包括0.5 s 的后備保護時間和0.125 s的保護啟動和開關動作的時間[15]。

綜上所述，現(xiàn)有集電線路電流保護主要存在著選擇性不足的問題，與LVRT 和下一級區(qū)域的箱式變壓器保護熔斷器以及相鄰集電線路保護存在配合問題。

2 LVRT期間DFIG和集電線路短路電流特性分析

2.1 LVRT期間DFIG短路電流特性分析

LVRT 期間的短路電流分為兩種情況： ①撬棒投入，變流器閉鎖；②撬棒退出，變流器工作。短路電流約在一半周波t=T/2（10 ms）時達到最大值。 投入后撬棒電阻使轉子衰減時間常數(shù)變小，一般為0.003 s，加速了短路電流的衰減[6]。 當電流快速衰減后，在LVRT 策略下，風機再次進入變流器控制階段，并依據(jù)機端電壓跌落多少配合無功補償裝置發(fā)出一定的有功和無功。 之后DFIG 提供的短路電流在一個控制響應周期后逐漸穩(wěn)定[15]。

圖2 為采用IEEE14 節(jié)點模型基于PSCAD/EMTDC 仿真的風電場故障時短路電流變化圖。在1.2 s 機端A 相電壓跌落至0.26 p.u.，定子短路電流在10 ms 時達到峰值。 圖3 所示為LVRT 期間撬棒在1.207 5 s 時投入，約20 ms 后切出。 DFIG根據(jù)反饋值進入變流器控制階段，短路電流逐漸穩(wěn)定，約1.3 s 時短路電流進入穩(wěn)態(tài)階段，整個暫態(tài)過程大約100 ms，之后進入穩(wěn)態(tài)階段。

圖2 DFIG 在LVRT 短路電流變化情況Fig.2 Short-circuit current change of DFIG in LVRT

圖3 Crowbar 動作時序圖Fig.3 Crowbar action timing diagram

DFIG 短路電流暫態(tài)過程很短，尤其是投入Crowbar 保護后，由于撬棒電阻遠大于轉子電阻，轉子短路電流的時間衰減常數(shù)變小，暫態(tài)階段電流瞬間增大又快速衰減，使短路電流暫態(tài)階段時間很短。此階段電流變化劇烈，不利于繼電保護裝置采集信號。 同時，Crowbar 阻值和投切次數(shù)控制策略的變化會對短路電流值產生一定的影響，不利于電流保護整定。經分析，本文采用穩(wěn)態(tài)階段的短路電流作為主要整定依據(jù)。

2.2 集電線路短路電流變化規(guī)律

集電線路短路電流除了與DFIG 短路電流有關外，還與故障在集電線路上的位置、風電場運行方式和系統(tǒng)阻抗大小有關，圖4 的集電線路電流曲線顯示了具體關系[11]。

圖4 集電線路電流曲線Fig.4 Collecting line current curve

圖中，橫軸為故障點與集電點（PCC）間距離l，縱軸為流過集電線路的最大短路電流Idf；A，B點分別為集電線路出口處第一臺風電機組接入點和最后一臺風電機組接入點；ILVRTmax為輕微故障后進入LVRT 狀態(tài)保持不脫網運行時集電線路的最大短路電流；Iloadmax為最大負荷電流。 曲線Iij，Iijcrowbar分別為未 LVRT 時、LVRT 時的風機電流。

3 保護配合和整定優(yōu)化

針對集電線路電流保護與LVRT 不協(xié)調的問題，本文從兩個方面入手加以整定。 首先，進行整定優(yōu)化；其次，減小非故障線路LVRT 壓力。 圖5為風機至中壓PCC 母線的集電線路故障時的系統(tǒng)結構圖。 以下將基于風電場集電線路故障時的整定說明圖來闡述。

圖5 集電線路故障時整定說明圖Fig.5 Tuning diagram of the set line fault

本文對于所分析的保護不配合情況，提出了采用電壓電流結合的方法，即選擇自適應的反時限低電壓方向保護策略。式（1），（2）分別為保護的啟動判據(jù)、動作時限。

主保護：

為保證保護選擇性和速動性，動作時限為采集電壓和電流信號的關系式，且滿足功率正方向。

式中：Uset為動作電壓，取 Uset為 KrelUN，可靠系數(shù)Krel根據(jù)系統(tǒng)最小運行方式、風電場集電線路進線處發(fā)生兩相短路時的中壓PCC 母線電壓來整定；K1為保護定值，其大小根據(jù)DFIG 的LVRT 能力和集電線路保護與箱變的配合來整定；I采集，U采集分別為集電線路保護采集的電流、電壓。

為了確保箱式變壓器保護和集電線路保護的配合，及時切除故障機組，以減小其他風機LVRT要求，在一定程度上降低其他機組LVRT 要求。 t1的選取可根據(jù)兩個條件來整定： ①集電線路分支即風機至箱式變壓器段發(fā)生故障時，以確保熔斷器先動作為目標，即t1≥0.1 s；②集電線路剩余分支發(fā)生故障時，以確保故障集電線路先動作，避免其他集電線路風機低電壓運行為目標，即t1＜0.1 s。具體步驟如下。

考慮整定條件可得：

通過分析可知，在系統(tǒng)最大運行方式下，集電線路末端三相短路時，對K1要求最高，因為此時集電線路短路電流最大。 令 I采集=Id.r.max，Id.r.max為系統(tǒng)最大運行方式下集電線路末端三相短路時的集電線路電流；同時，令PCC 母線電壓最小。為了避免式（3）不等式兩邊相差較小，導致集電線路保護搶跳或與熔斷器同時動作，可乘以一個可靠系數(shù)Krelt來保證選擇性，Krelt=1.2～1.3。

根據(jù)式（2），（3），并考慮整定條件可得：

式中：Ud.r.max為系統(tǒng)最大運行方式下，集電線路末端三相短路時的PCC 母線電壓。

當各條集電線路同時安裝此保護后，采集各條線路實時信號，并作出判斷與動作。 啟動裝置后，當?shù)谝唤M集電線路與中壓PCC 母線連接處發(fā)生短路時，風電場與中壓PCC 母線相連的其他集電線路電壓也低于整定值，所有保護均處于啟動狀態(tài)。 根據(jù)式（2）可知，當故障集電線路短路電流大于非故障集電線路電流，且保證了故障方向為正，故障線路首先跳閘。 故障消除后，風電場其他風機電壓恢復并重新正常工作，保護啟動值返回。由式（2）可知，中壓PCC 母線電壓跌落越深，其保護動作越快。因此，主保護能快速精準地將故障線切除，非故障線路低電壓運行時間短，緩解了相鄰集電線路上DFIG 的LVRT 的穿越壓力。

與相鄰集電線路保護區(qū)分配合實現(xiàn)原理：當?shù)谝唤M集電線路發(fā)生故障時，其短路電流由所有非故障線上的風機提供，而其他線路短路電流僅由自己線路上的風機提供。由于箱變阻抗的存在，一般使得短路電流由690 V 折算到中壓后變得更小，而電網對短路點提供短路電流很大，這使得非故障線路風機很難向電網傳輸電流。 此時第一組故障線路短路電流主要由電網電流組成，遠大于其他組集電線路電流，動作時間遠小于其他線路，且故障方向為正。這樣，實現(xiàn)了與相鄰集電線路的區(qū)分配合，具有一定的選擇性。

與熔斷器配合的實現(xiàn)原理為該保護的反時限。 當集電線路出口處或者箱變高壓側發(fā)生故障時，熔斷器應先動作，這就要求當風電機組與集電線路分支短路時，必須給該反時限保護一定的熔斷時間，以確保本支路箱變保護先動作。由風電場集電線路保護和箱式變壓器保護配置分析可知，熔斷器的熔斷時間與流過電流大小成反比，一般動作時間在 0.1 s 之內。 延時功能可由式（2）保護定值實現(xiàn)。 為了配合嚴重故障情況下上下級線路保護，可根據(jù)系統(tǒng)在最大運行方式下，集電線路末端發(fā)生三相短路故障時的中壓PCC 母線電壓及故障線路電流值來整定。

電流保護為后備保護。主保護的整定方法是系統(tǒng)在最大運行方式下發(fā)生三相短路時，對嚴重故障的判別能保證快速性與選擇性，但是當集電線路末端（風機機端）發(fā)生輕微故障時，可能出現(xiàn)快速性不夠，甚至拒動的情況。 此時可按系統(tǒng)在最小運行方式下發(fā)生兩相短路故障時的集電線路短路電流進行整定，故 IsetⅡ=Id.B.min。 根據(jù) LVRT要求，風電場至少保證低電壓運行0.625 s，取t2=0.625 s。這樣，在主保護作為嚴重故障判別保障的情況下，后備保護也能在0.625 s 時切除故障，作為輕微故障的保障。 最后，考慮與LVRT 協(xié)調，檢驗輕微故障下風機LVRT 時的最大電流ILVRTmax≤IsetⅡ。

選擇電流Ⅱ段采用限時電流速斷保護，電流Ⅰ段不采用：

式中：IsetⅡ為動作電流，動作時限設置為 0.625～0.675 s。

電流Ⅲ段采用過負荷保護，動作時間參考風電機組故障后的后備保護設定，取 1.2～1.5 s，動 作 整 定 值 為 IsetⅢ=Krel.3Iloadmx，可 靠 系 數(shù) Krel.3=1.25～1.5。

采用架空線的集電線路存在異物入侵情況，如果經濟條件允許，建議增設一次自動重合閘。

4 仿真驗證

本文以某實際風電場為依托，按圖6 拓撲結構采用單臺1.5 MW 的DFIG 搭建風電場，其參數(shù)如表1 所示。

圖6 仿真接線圖Fig.6 Simulation wiring diagram

表1 單臺DFIG 設備參數(shù)Table 1 Single DFIG device parameter

風電場機群分為3 組，每組由額定風速為11 m/s 的 11 臺同型雙饋風機組成，分3 回長為 8.457 km 的集電線路送至匯流母線，架空線單位阻抗為 0.395 Ω/km。 系統(tǒng)最大和最小正序阻抗分別為 0.032 p.u.和 0.017 p.u.。 風機發(fā)出690 V 電壓，經箱變升壓至 33 kV，經過升壓站變壓到110 kV，其他設備參數(shù)設置如表2 所示。

表2 其他設備參數(shù)Table 2 Other equipment parameters

基于算例仿真結果及整定方法計算得到：IN=0.011 3 kA，Uset=17.16 kV，K1=4.3，后備保護 IsetⅡ和IsetⅢ分別為 0.11 kA 和 0.018 kA，且 IsetⅡ=0.11＞0.10=ILVRTmax。 算例驗證了電流Ⅱ保護不僅能實現(xiàn)輕微故障下的后備作用，結合整定時間可以看出，后備保護在動作電流大小與時間上均配合LVRT。

設置t=1 s 時發(fā)生故障，持續(xù)時間為0.3 s。 圖7、圖8 分別為距離 33 kV PCC 母線 7 km，1 km 處的三相短路集電線路短路電流和PCC 母線電壓。圖9 為距離33 kV PCC 母線7 km 處兩相短路集電線路短路電流和PCC 母線電壓。

圖7 距離33 kV PCC 母線7 km 處三相短路電流和電壓Fig.7 Three-phase short-circuit short circuit current and voltage curve at 7 km from the 33 kV PCC bus

圖8 距離33 kV PCC 母線1 km 處三相短路電流和電壓Fig.8 Three-phase short-circuit short circuit current and voltage at 1 km from the 33 kV PCC bus

圖9 距離33 kV PCC 母線7 km 處兩相短路電流和電壓Fig.9 Two-phase short-circuit short circuit current and voltage at 7 km from the 33 kV PCC bus

對比圖7 和圖8 并進行分析可知，故障點距離 PCC 母線越近，其電壓越低，故障線短路電流越大。 對比圖7、圖9 并進行分析可知：發(fā)生對稱或不對稱故障時，故障線路短路電流均大于非故障線路短路電流（約相差10倍）。

表3 4 km 處故障時故障線與非故障線動作時間Table 3 Fault line and non-fault line action time at 4 km fault

表4 機端和熔斷器處故障時PCC 母線電壓、短路電流和主保護動作時間Table 4 PCC bus voltage，short-circuit current and main protection action time when the machine and fuse are faulty

由表3 可見，故障距離PCC 母線越近，動作時間越短，符合自適應變化規(guī)律。由于故障越接近PCC 母線，對風電場LVRT 要求越高，因此快速精準切除能緩解風電場LVRT 壓力，同時配合后備保護實現(xiàn)與LVRT 的協(xié)調。 結合表3可以發(fā)現(xiàn)，故障線動作快于非故障線，驗證了與相鄰集電線路的配合。

從表4 可以發(fā)現(xiàn)，在兩相和三相故障下，集電線路各個位置的動作時間均大于0.1 s，滿足熔斷器0.1 s 的熔斷時間要求，各保護裝置能與熔斷器配合動作。 仿真結果驗證了本文理論分析的正確性。

5 結論

在研究DFIG 在LVRT 期間的短路電流特性基礎上，分析并得到考慮主要因素的集電線路短路電流變化曲線，提出了自適應的反時限低電壓方向保護作為主保護的方法，同時保留II，III 段電流保護作為后備保護，給出了新的整定方案。從理論上分析了所提方法能使集電線路保護配合風機LVRT、箱式變壓器保護和相鄰集電線保護，具有較好的選擇性。 該保護方法具有一定的快速反應性，故障越嚴重，保護動作的時限越小。 本文使用PSCAD 軟件進行實例仿真，計算了集電線路保護整定值，驗證了所提方法能夠協(xié)調集電線路保護，可與LVRT、熔斷器和相鄰集電線保護相配合，對風電場保護設計具有一定的實際意義。