風電場聯絡線縱聯保護的分析及改進

楊超楠， 卜凡坤， 徐 巖

(1. 江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 徐州 221000；2. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071000)

0 引 言

雙饋感應風力發電機(Doubly Fed Induction Generator， DFIG)具有變流器容量較小、有功和無功可獨立解耦控制的特點。由于雙饋風力發電機具有一定的低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)能力，在并網點電壓跌落較大時，能在一定時間內保持與電力系統的連接，大大提高了電網運行穩定性。雙饋風力發電機具備一定的低電壓穿越能力是國內外電網并網準則的基本要求，其實現該功能的方法是使用撬棒(Crowbar)保護。

目前，已有文獻從不同角度對風電場聯絡線短路電流特性進行了研究，但對于常規線路保護所產生影響的研究并不多。文獻[3]對電網電壓跌落所激起的雙饋電機電磁過渡過程進行了定量和定性分析。文獻[4]推導了電網電壓跌落且轉子保護動作時的定、轉子暫態電流解析表達式。文獻[5]對電網短路時定、轉子磁鏈變化進行了研究，在推導Crowbar保護不動作情況下的定子短路電流表達式時，認為轉子電流不變化。文獻[6-7]對不同機端電壓跌落情況下雙饋風力發電機的故障過程進行了分析，但其重點在于轉子電壓的故障特性。文獻[8]通過仿真算例得出風電場無法提供持續短路電流，從而對速動段電流保護產生較大影響的結論。本文在研究雙饋感應風力發電機短路電流特征的基礎上，分析了其對常規線路保護所產生的影響，并提出了具有一定工程應用價值的改進方法。

1 雙饋感應發電機數學模型

雙饋感應發電機數學模型在很多文獻中都已詳細表述，其等效電路如圖1所示。

圖1 雙饋感應發電機等效電路

假設雙饋發電機定、轉子側電壓、電流的正方向采用電動機慣例，應用空間矢量法可得發電機在靜止坐標系下定、轉子電壓及磁鏈的暫態數學模型為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中： p——微分算子；

下標s、r——定子、轉子；

Lm——dq坐標系同軸等效定子與轉子繞組間的互感；

Ls——dq坐標系等效兩相定子繞組間的自感，Ls=Lls+Lm；

Lr——dq坐標系等效兩相轉子繞組間的自感，Lr=Llr+Lm。

2 聯絡線短路電流特性分析

2.1 遠端對稱故障短路電流特征分析

本文通過研究在不同的電網電壓跌落程度下雙饋感應風力發電機的定子暫態電流響應，分析聯絡線對稱短路電流特性。含風電場的系統模型如圖2所示。風電場聯絡線發生遠端對稱短路故障時，假設主動Crowbar保護不動作。由式(3)、式(4)可得由定、轉子磁鏈表示的定、轉子電流為

(5)

(6)

圖2 含風電場的系統模型

由于雙饋感應發電機的阻感特性，其定、轉子磁鏈在故障前后不發生突變。假設在t=t0時刻聯絡線發生對稱短路故障，且轉子轉速在短時間內不發生顯著變化。則在故障前后發電機定子電壓為

(7)

式中：A為電壓跌落系數，且0≤A≤1。

忽略定子電阻，由于定子磁鏈穩態分量的變化率等于定子電壓，則有故障前后定子磁鏈的穩態分量為

(8)

(9)

假設t0=0，則故障后的定子磁鏈為

(10)

由于電網側和轉子側變流器的響應時間差別，轉子電流會出現不同程度的波動。由于變流器的響應時間遠小于發電機的響應時間，故忽略轉子電流的波動，定子電流為

(11)

由式(11)可知，聯絡線發生遠端三相短路故障時，短路電流主要包括衰減的暫態直流分量、由定子強制磁鏈產生的周期分量，及歸算至定子側的轉子電流分量。

2.2 近端對稱故障短路電流特征分析

當聯絡線發生近端對稱故障時，會在轉子回路產生過電壓和過電流，從而激活主動Crowbar保護，利用旁路電阻短接轉子回路。轉子旁路電阻過大會使轉子電壓過高，甚至引起對直流側電容反充電從而損壞變換器；轉子旁路電阻過小則不利于抑制轉子電流峰值。旁路電阻阻值的選擇在很多文獻中都有詳細表述。假設旁路電阻的阻值為Rc，本文選擇Rc=20Rr。則Crowbar保護動作后轉子回路的衰減時間常數為

(12)

在近端對稱故障時，定子磁鏈變化同遠端對稱故障，定子磁鏈可表示為

(13)

當轉子回路被電阻短接后，其回路電壓近似為0。假設故障前轉子磁鏈的穩態值為

(14)

則故障后轉子磁鏈為

(15)

將式(13)、(15)代入式(5)中，可得定子電流為

(16)

由式(16)可看出，在近端對稱故障Crowbar保護動作的情況下，聯絡線短路電流主要包括暫態直流分量、穩態交流分量和轉子頻率的暫態交流分量。

2.3 兩相短路電流特征分析

由于雙饋感應風力發電機的控制策略復雜，風機系統的慣性系數較大，精確分析兩相短路電流特性比較困難。為定性分析在風電場聯絡線發生兩相短路時的短路電流特性，可借助異步電機簡化等效電路。由電機理論可知，雙饋電機正、負序等效電路和異步電機基本相同，則可得正、負序等效電路，分別如圖3、圖4所示。

雙饋發電機在接近同步速運行時，其等效阻抗隨著轉差率s的值發生急劇變化。且考慮到電流分布系數的影響，正序電流和負序電流的幅值不再相等，相位不再有相反的關系。因此，在風電場聯絡線發生兩相短路時，故障電流會表現出與常規系統明顯不同的特性，且易發生電流振蕩。

圖3 正序等效電路

圖4 負序等效電路

2.4 接地故障短路電流特性分析

在歸算分析時，將發電機出口電壓0.69kV折算到110kV(或更高電壓等級)側時，其阻抗需乘以系數K=110/0.69。從110kV側的等值電路來看，風電場側的正、負序等值阻抗要遠大于零序阻抗，即正、負序電流遠小于零序電流。故在發生接地短路時，三相短路電流會表現出相位幾乎相同而幅值略有差別的特性，即三相短路電流中的零序電流所占比重較大。此外，機組數量越少，三相短路電流的相似程度越高；機組數量越多，三相短路電流特性與常規系統越相似。

2.5 仿真結果驗證

為驗證風電場聯絡線故障下的短路電流特性，本文利用MATLAB/Simulink平臺仿真各種故障。網側變換器采用電網電壓定向的矢量控制策略以保持直流電壓的穩定，轉子側變換器采用定子磁鏈定向的矢量控制策略以進行有功、無功功率的解耦控制。

仿真所用的雙饋感應風力發電機主要參數為： 額定功率1.5MW，功率因數0.9；額定運行風速11m/s；定、轉子電阻標幺值分別為0.023和0.016；定、轉子漏感標幺值分別為0.09和0.08，互感標幺值2.4；雙PWM變換器直流電容10mF，額定電壓1200V。

在風速穩定運行于10m/s，功率因數為1的初始工況下，在t=0.1s時聯絡線發生短路故障。發生遠端對稱故障、近端對稱故障、兩相故障、單相接地故障時的短路電流分別如圖5～圖8所示。

圖5 遠端對稱故障時短路電流

圖6 近端對稱故障時短路電流

圖7 兩相故障時短路電流

圖8 單相接地故障時短路電流

由圖5可知，在遠端對稱故障定子電壓跌幅為20%時，聯絡線三相對稱短路電流主要包括衰減的暫態直流分量和穩態周期分量。由圖6可知，在近端對稱故障定子電壓跌幅為80%時，主動Crowbar保護被激活，聯絡線三相對稱短路電流主要包含暫態直流分量、穩態周期分量和轉子頻率的暫態交流分量，且快速衰減。由圖7可知，在發生兩相短路的一個周波內，兩個故障相短路電流幅值相同；但發生故障0.2s后，非故障相電流卻與其中之一的故障相短路電流幅值相同，表現出與常規電力系統兩相短路故障電流完全不同的特征。由圖8可知，聯絡線發生單相接地故障時，三相短路電流的相位幾乎相同。

3 對線路保護產生的影響

3.1 對縱聯電流相位差動保護產生的影響

在理想條件下，輸電線路兩端電流相位在區外短路時相差180°，在區內短路時相差0°，這是縱聯電流相位差動保護的基本原理。

圖9 閉鎖式縱聯電流相位差動保護原理圖

由于風電場具有一定的弱電源特性，特別是中等規模以下的風電場，當聯絡線發生不對稱故障時，正、負序電流與零序電流相比數值較小，且負序電流由于雙饋風力發電機控制策略的影響極易產生振蕩；當發生嚴重三相對稱短路故障導致發電機Crowbar保護動作時，相電流衰減劇烈。經分析可知： 以上短路電流特性可能會導致風電場側縱聯電流相位差動保護的負序電流元件和相電流元件無法起動，風電場側保護發信機操作元件輸出的電流相位不穩定，與常規系統差別較大，可能導致聯絡線風電場側繼電保護誤動或拒動。

3.2 對電流保護影響分析

在發生遠端對稱故障，風電場側母線電壓跌落程度在雙饋風力發電機承受范圍之內時，轉子回路Crowbar保護不動作，風電場聯絡線的短路電流與常規系統短路電流近似，工頻分量較穩定且幅值較大，電流保護能夠判斷故障并正確動作。但當發生近端故障時，電壓跌落較嚴重，轉子回路Crowbar保護動作，風電場聯絡線故障電流呈現出直流衰減分量大、工頻分量較小且極不穩定的特點。在此種情況下，短路電流雖然對速動段保護影響不大，但對采用相對較長數據窗保護算法的保護仍有拒動的可能；幅值衰減劇烈和穩態值很小的短路電流對定時限動作的電流保護 Ⅱ 段和 Ⅲ 段來說，保護無法正確判斷故障的可能性很大。

4 對保護原理的改進方法

4.1 對縱聯電流相位差動保護的改進

對于縱聯電流相位差動保護由于負序電流幅值較小而導致負序電流元件無法起動的問題，可通過增加負序電壓判別元件的方法來改進。由于風電場負序阻抗相對零序阻抗較大，故發生不對稱故障時聯絡線保護安裝處的負序電壓幅值相對較高，通過或門輸出后即可彌補負序電流相對較小帶來的問題。相電流元件無法起動主要是由于發電機Crowbar保護動作后穩態分量較小造成的，和負序電流起動元件類似，相電流元件無法起動可通過結合低電壓判別進行改進。由于負序電流相位易受滑差和控制策略的影響，對操作元件的改進主要在于適當減小其K值。改進后的負序電流起動元件和相電流起動元件原理框圖如圖10所示。

圖10 對縱聯電流相位差動保護的改進

4.2 對過電流保護的改進

對電流保護的改進主要考慮在近端發生故障時風力發電機Crowbar保護動作后，定時限過電流保護Ⅱ段和Ⅲ段可能存在拒動的問題。很多文獻引入了自適應電流保護方法，但此方法實現相對較復雜。本文提出一種工程應用性較強的方法，主要是通過引入自保持低電壓對電流保護進行改進，其動作框圖如圖11所示。由邏輯圖可知，一旦電流元件動作，只要滿足低電壓條件，保護就會一直保持動作狀態(雖然過電流元件可能返回)，從而保證電流保護Ⅱ段和Ⅲ段可靠動作。

圖11 對電流保護改進的動作框圖

5 結 語

基于雙饋感應風力發電機的風電場聯絡線發生短路故障時，其短路電流特征相對于常規輸電線路有很大不同。本文分析了這些短路電流特征給常規線路縱聯保護所帶來的影響，并提出了改進方法。

對于縱聯電流相位差動保護，其負序電流元件和相電流元件可能無法起動，風電場側保護發信機操作元件輸出的電流相位不穩定，可能導致風電場側保護誤動或拒動。對于定時限動作的過電流保護Ⅱ段和Ⅲ段，拒動的可能性很大。

本文提出了具有一定工程應用價值的改進方法，對于縱聯電流相位差動保護，對負序電流起動元件和相電流起動元件分別引入負序電壓判據和相電壓判據，通過或門輸出，并適當減小K值的方法來減小負序電流對操作元件的影響；對于電流保護，提出通過增加電壓自保持元件解決電流保護Ⅱ段和Ⅲ段拒動的問題。

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