集群接入的風電場聯絡線單相重合策略研究

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(國網新疆經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

能源危機已受到世界各國的高度關注，大力發展可再生能源已成為目前社會的當務之急。風電作為中國基本能源政策對緩解能源供應、改善能源結構、保護環境、實現和諧社會和電力工業可持續發展具有重大意義，加快可再生清潔能源的發展和高效利用已成為中國能源領域的重點發展戰略之一。

由于受風能資源的影響，風電場運行方式多變使風電場集群的故障特性具有特殊性，常規故障分析如疊加原理不適應，無法進行數學分析[1-3]。隨著風電高滲透接入和單元容量的增加，不考慮風電的運行特性及其影響，按常規線路配置保護及重合閘(一般重合閘不投或采用單相重合閘)，容易導致保護誤動、配合困難，導致風電機組不必要的切機，既影響風電場的經濟效益也會影響系統的安全穩定運行，且難以實現電網故障時的電源支持。從近年來的運行情況來看，如果風電場并網專用線路發生故障，具備無功支撐及低電壓穿越能力的風電場運行工況不同，故障性質不同，重合的效果也大不相同。如果重合策略不合理，不但風電場要遭受二次沖擊，也會影響電網及其他相鄰并網風電場，而風電場的集群特性還可能放大這種影響，導致事故擴大，嚴重影響風電場及系統的安全穩定運行。隨著風電場集群規模及系統中風電容量的不斷增大，合理的重合閘策略已成為保證風電場及其接入系統穩定運行的前提。下面旨在依據集群風電場的運行特點和研究風電場故障穿越動態特性的基礎上，研究適應風電場集群運行特點的重合閘策略。

風電場故障特性隨運行方式、風電機組類型而變。在風電場故障特性及相關保護方面，國內外學者已進行了大量研究，取得了一定的研究成果。而與風電相關的重合閘研究方面對分布式發電系統中重合閘技術的研究較多[4-6]。文獻[7]研究了影響雙側有源線路重合閘的主要因素，分析了準同期重合閘方式的可行性。文獻[8]剖析了風電場側保護重合閘采用檢同期方式難以動作成功的原因，提出了風電場并網聯絡線重合閘的合理配合方式。文獻[9]詳細分析了大規模風電場對保護和重合閘的影響，提出了相關建議措施。

下面將重點對集群風電場聯絡線的單相重合閘展開研究，從潛供電流入手，在分析了線路數學模型的基礎上，結合風電特性，提出了抑制潛供電流，縮短熄弧時間的方法，在一定程度上提高了單相重合的成功率。

1 線路數學模型分析

如圖1所示，假設輸電線路c相發生單相接地故障，故障后c相兩側斷路器跳開。但是由于故障相和正常相之間存在電感耦合和電容耦合，另一方面，線路此時非全相運行，正常相還將持續流過電流，通過線路間互感在故障相產生互感電勢EM，然后通過故障相對地電容經c0由故障點形成互感電流。電容電流和互感電流之和稱為潛供電流。

圖1 潛供電流原理圖

(1)

(2)

式中，U為故障相電壓；I為 c相故障電流；l為線路長度，以下均相同不再復述。

設電弧電阻不計，短路點位于x處，在前半段0-x處有

將邊界條件帶入推導得

(3)

(4)

兩式聯立得

(5)

該式只能求解左半邊提供的潛供電流，同理有后半部分分量為

總的潛供電流為

(7)

由該表達式可知，組成潛供電流的兩部分不僅與線路參數有關，還與故障位置相關，前一分量耦合電容占主導，與線路長度呈線性關系；后一分量由相間互感耦合決定，不僅與線路參數有關，還與線路傳送功率及故障位置有關。

潛供電弧熄滅瞬間在弧道上產生的電壓叫做恢復電壓。如果恢復電壓上升快、幅值高，就會使弧道重燃，研究表明潛供電流和恢復電壓是影響電弧熄滅的兩個主要因素。

2 集群風電場重合動態特性分析

圖2是某地區集群風電場接入電網地理接線圖。以圖中風電場A為例，假設送出線路發生單相接地故障，仿真驗證其重合不成功對電網的沖擊。220 kV送出線路1 s發生單相接地故障，1.05 s保護速斷，2.5 s單相重合，重合失敗后2.6 s風電場跳三相脫網的動態過程。

如果風電場并網專用線路發生故障，具備無功支撐及低電壓穿越能力的風電場運行工況不同，故障性質不同，重合的效果也大不相同。仿真結果表明，如果重合策略不合理，不但風電場要遭受二次沖擊，也會影響電網及其他相鄰并網風電場，而風電場的集群特性還可能放大這種影響，極端情況下可能導致集群脫網事故。

圖2 地理接線示意圖

圖3 風電場A、B母線電壓曲線

圖4 風電場B、C母線電壓曲線

圖5 220 kV變電站母線電壓曲線

現有風電場送出線路重合配置與常規電源無異，單相自動重合閘都是固定時限的，整定值的選取考慮電弧熄滅時間、絕緣強度的恢復、以及兩側保護的動作時間。綜合考慮一般取0.6～1.5 s[10]。故障點的電弧熄滅時間不但與線路參數有關，還與故障點的風速、電弧長度、潛供電流等因素有關，因此惡劣天氣條件下二次電弧長時間無法熄滅會極大增加重合失敗的可能。

3 重合措施分析與仿真

3.1 重合措施分析

條件不同電弧熄滅時間也不同，當輸電線路在惡劣天氣條件下，如雨、霧等潮濕天氣發生單相接地故障，兩側斷路器跳開后很長時間二次電弧無法熄滅，在線路參數固定的前提下，如何降低潛供電流是決定單相重合成功率的決定因素。針對集群接入的風電場惡劣條件下單相重合成功率不高的原因，提出以下解決措施。

圖6 單相重合策略示意圖

根據前述數學分析，式(7)中潛供電流由兩部分組成，前一分量耦合電容占主導，與線路長度呈線性關系；后一分量由相間互感耦合決定，不僅與線路參數有關，還與線路傳送功率有關，如若在故障同時限制風電場出力，就能達到降低潛供電流，加速電弧熄滅的目的。

因此提出的重合策略為：當送出線路f點發生單相接地故障，兩側斷路器QF-A斷開后，風電場側集電線路QF1斷開。通過限制風電場出力，從而減小聯絡線的功率傳送，達到抑制潛供電流，使電弧快速熄滅，重合時QF-A重合成功后QF1通過檢同期并入電網。而風電場是由若干條集電線路組成，這為重合策略的實施提供了可能。

3.2 重合策略仿真驗證

以圖2為例搭建仿真模型，采用PSASP仿真軟件分析風電場A聯絡線路故障后，通過限制風電場出力達到降低潛供電流的目的。

風電場A總容量198 MW，通過一條220 kV送出線路接入一座220 kV變電站。送出線路1 s發生單相接地故障，1.02 s保護速斷，2.5 s單相重合，分別仿真送出線路傳輸功率為198 MW和180 MW，約限制出力20 MW情況下線路潛供電流值。

潛供電流值取故障后0.1 s時IA的值。其值由軟件報表輸出，單位為標幺值。有名值由下列公式可算出。

I=IA*·IA

潛供電流標幺值：IA*=0.023 71

潛供電流值：I=0.023 71×251.02=5.951 6 A

不同線路長度下潛供電流值如表1所示。

表1 潛供電流計算值 /A

仿真結果表明，風電場故障時，在非全相運行期間通過限制風電場出力能在一定程度上降低潛供電流，從而加速電弧熄滅。

現有單相重合閘都為固定時限，整定值的設定綜合考慮了電弧熄滅時間及其絕緣恢復時間，因而成功率較高。而惡劣天氣嚴重影響熄弧時間，極大地增加了重合失敗的可能性，該重合策略能在惡劣外界條件的情況下，通過抑制潛供電流加速熄弧，提高重合成功率。但同時該方法具有一定局限性，在風電滿發且天氣條件惡劣時效果明顯。

該方案通過切機的方式來限制潛供電流，與現有風電場并網規程不相符，但如若重合失敗，不但該風電場脫網，極端情況下可能導致附近風電場群脫網，給電網帶來災難性的后果。而如若對風電場小部分主動切機來抑制潛供電流，不但對電網影響微乎其微，而且達到了提高重合成功率的目的，從這一點出發，該方法具有一定的借鑒意義。

4 結 論

兩側斷路器跳開后很長時間二次電弧無法熄滅，是造成聯絡線單相重合閘失敗的主要原因，從理論上分析了聯絡線潛供電流的數學模型，提出了在非全相運行期間通過限制風電場出力達到抑制潛供電流，加速電弧熄滅的目的，雖然具有局限性，但在特定情況下有一定的借鑒意義。

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