風(fēng)電場并網(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)機的風(fēng)電場在并入電網(wǎng)后，首先是改變了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，另外，系統(tǒng)故障時，風(fēng)力發(fā)電機也表現(xiàn)了其特有的故障特性，因此，使保護不能可靠動作，大量學(xué)者對其進行了探索研究，提出了一些方法。除此之外，實際中應(yīng)該注意的是，風(fēng)電場接入后被改變的結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其原來配置的保護和安穩(wěn)裝置都將會受到影響。因此，除了對上述保護改善除外，其他還有眾多待處理問題，例如：風(fēng)機并入電網(wǎng)后對電網(wǎng)的影響；之前電網(wǎng)自身所帶保護與改進后的風(fēng)電場并網(wǎng)處保護之間的協(xié)調(diào)配合；具有低電壓穿越能力的風(fēng)電場接入情況下，系統(tǒng)不同位置故障時不同重合閘方式的動作策略等。只有將這些問題都大致弄清楚的情況下，才能使風(fēng)電機組在接入電網(wǎng)后更好地實現(xiàn)低電壓穿越并網(wǎng)運行。

1 故障統(tǒng)計

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，對這些故障進行分類，即分成永久性故障和瞬時性故障[1]，如表2所示，從表可以看出，在統(tǒng)計的5年內(nèi)，42起永久性故障，占總故障的25.77%，而瞬時性故障發(fā)生121起，占總故障的74.23%，因此，瞬時性故障占到總故障的3/4，因此，自動重合閘應(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)電場含具備LVRT能力的風(fēng)機，在系統(tǒng)線路發(fā)生不同故障下，系統(tǒng)繼電保護、風(fēng)電機組、重合閘的動作情況以及系統(tǒng)的最終運行情況[3]見表3。當(dāng)并網(wǎng)點測量電壓小于20%UN時，無論風(fēng)機是否帶有低電壓穿越功能，所有的機組都會全部跳閘，脫網(wǎng)運行，符合中國對風(fēng)機的低電壓穿越要求。

表1 故障原因統(tǒng)計

表2 故障性質(zhì)統(tǒng)計

表3 線路故障時重合閘對風(fēng)電機組的影響

其中，UFR為風(fēng)電機組能渡過故障穿越的電壓。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來配合著使用。在具有LVRT能力的風(fēng)電場接入系統(tǒng)饋線模式下，在不同線路位置故障時，會對風(fēng)電場主饋線與輸電線上的保護引起種種問題，以及不同位置保護與前加速、后加速重合閘的協(xié)調(diào)運作問題，通過對這些問題解決來增強風(fēng)機的低電壓穿越能力，是對與具有LVRT能力的風(fēng)電機組并網(wǎng)與系統(tǒng)繼電保護相配合研究的延伸和有效補充。

2 對重合閘方式的影響

對電源單側(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，所以不用對重合閘重合時檢同期[4]。但是，具有LVRT能力的風(fēng)電機組接入電網(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行重合。而且，還要求在解除故障點前，若風(fēng)電機組在規(guī)定的電壓跌落和低電壓持續(xù)運行時間區(qū)域內(nèi)，風(fēng)電場對電網(wǎng)進行不間斷供電。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，重合閘前加速和重合閘后加速的重合時間和次序不同，所以受到的影響也不盡相同。下面分別對這兩種方式受到的影響進行分析。

2.1 對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，如不考慮選擇性的原則，首次都由離電源側(cè)最近的保護瞬時動作，繼之保護以重合；若能再次合閘，說明故障時瞬時性故障，電網(wǎng)對旗下用戶恢復(fù)供應(yīng)電能；若于永久性故障情況下重合，保護再逐級按時限配合關(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，這樣能夠在瞬時故障情況下快速切除，確保對用戶的供電。然而，當(dāng)線路采用重合閘前加速時，具有LVRT能力的風(fēng)電場的接入，會對重合閘帶來一定的影響，現(xiàn)以風(fēng)電場通過110 kV母線接入系統(tǒng)為例(如圖1所示)，對系統(tǒng)故障時風(fēng)電場的接入對重合閘前加速的影響進行分析。

圖1 不同故障位置下保護的影響

圖1中，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6、QF7代表斷路器，ARD為自動重合閘裝置(此處采用重合閘前加速)，本線路故障時，離電源最近保護處的QF1跳閘，重合閘重合，但是在重合閘裝置準(zhǔn)備重合前，風(fēng)電場必須與電網(wǎng)斷開，否則即使是瞬時性故障也將無法進行重合。因為風(fēng)電場繼續(xù)并網(wǎng)運行時，將不斷向故障點輸入短路電流，導(dǎo)致電弧不會熄滅。另外，保護1處斷路器跳閘后，風(fēng)電場與電網(wǎng)失去電氣聯(lián)系，無法同步并聯(lián)運行，否則，非同期合閘不僅引起很大的沖擊電流，而且會危及機組的安全運行。

相鄰線路k2故障時，風(fēng)電場會向故障點提供反響故障電流，由于近年來風(fēng)電場容量的迅速增加，而且在保護1處的保護不具備判別方向的能力，所以可能會導(dǎo)致保護1的誤動，因此需要對1處的保護進行重新整定。所以，只有在保護1處不誤動的情況下，風(fēng)電場持續(xù)向非故障饋線供電，風(fēng)電機組才能實現(xiàn)LVRT運行，對電網(wǎng)的恢復(fù)起到一定的作用。

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

圖2 靈敏度分析圖

由此可得，風(fēng)電機組并不是在所有的電網(wǎng)內(nèi)故障時都能夠進行低電壓穿越運行。對于放射結(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)電機組才能實現(xiàn)低電壓穿越運行。而當(dāng)本饋線支路故障時，風(fēng)電機組必須盡快斷網(wǎng)。另外還會使保護的靈敏度降低。

2.2 對重合閘后加速的影響

重合閘后加速是指當(dāng)線路第一次故障時保護有選擇地動作，然后進行重合[5]。永久性故障時，斷路器閉合后再加速跳閘切除故障，與首次時限無關(guān)。

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

圖3 上游保護誤動圖

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

圖4 下游保護誤動圖

因此，當(dāng)電網(wǎng)故障時，若風(fēng)電機組的電壓下降和低壓運行時間在故障穿越范圍內(nèi)，則風(fēng)電機組在故障被切除前仍可持續(xù)向電網(wǎng)供電。所以，同重合閘前加速類似，采用重合閘后加速方式時，必須要保證在本主饋線保護在相鄰饋線故障(例如故障點k2)時不誤動，才能實現(xiàn)風(fēng)電場的LVRT運行。

3 重合閘合理配合改進方式

通過上述分析，當(dāng)具有LVRT能力的風(fēng)機并入電網(wǎng)后，會不同程度的對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，風(fēng)電場接入的線路上游斷路器誤動或者拒動以及下游斷路器的誤動。

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

首先是檢測離電源最近的斷路器是否閉合的方法，見圖5。

圖5 檢測斷路器是否閉合圖

檢測方法如圖5所示，在風(fēng)電場接入處的上級線路末端加一個電流互感器TA，系統(tǒng)故障發(fā)生后，若TA無電流，則說明保護1處斷路器斷開，則風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線保護(斷路器5和7)應(yīng)快速跳閘，風(fēng)電場立即與電網(wǎng)斷開。如果電流互感器TA一直有電流，并小于風(fēng)電場接入饋線首端短路電流，說明故障并非在本饋線，此時風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線保護可不動作，持續(xù)向系統(tǒng)供電，以實現(xiàn)故障穿越運行。

(1)增加硬件法

在接入風(fēng)電場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，此時風(fēng)電場與下游構(gòu)成微網(wǎng)，繼續(xù)運行。

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，本線路上流過的故障電流會引起本饋線上游保護誤動的問題(如圖1和3)，增加“本饋線上游保護的整定值大于風(fēng)電場供給的短路電流”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綜合考慮，這樣就不會導(dǎo)致上游保護誤動作。

所以，根據(jù)風(fēng)電場的接入位置的不同，導(dǎo)致不同的斷路器誤動，此時應(yīng)根據(jù)不同的情況來進行相應(yīng)的整定。

4 結(jié) 論

通過具有LVRT能力的風(fēng)機并入電網(wǎng)后，分別討論了重合閘前加速和重合閘后加速受風(fēng)電場的影響，另外根據(jù)風(fēng)電場接入位置的不同，會導(dǎo)致不同的斷路器無法可靠動作。針對不同的問題，前面給出兩種不同的改進措施，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)電場和電網(wǎng)的安全運行，而且還提高了風(fēng)電場的低電壓穿越能力。

[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)電接入對繼電保護的影響與對策[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2013,41(1):21-27.

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

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